CN117239527A - 一种激光装置、激光加工系统及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光装置、激光加工系统及加工方法，激光装置包括依次设置的激光发生模块、光强分配模块、分束模块与聚焦模块；激光发生模块用于发出偏振激光束；光强分配模块用于接收并调节偏振激光束的偏振态；分束模块用于接收调节偏振态后的偏振激光束，并将偏振激光束分为至少两路子激光束；聚焦模块用于接收子激光束，并形成至少两个激光光斑。本发明基于偏振光具有互相垂直的偏振方向的特性，引起偏振激光束的振动之间出现相位差，进而引起振幅比的变化，实现光强分配，并应用于激光掺杂工艺，能够有效避免单次大功率激光加工对太阳能电池片的损伤。
Description
技术领域
本发明属于半导体或光伏材料加工技术领域，涉及太阳能电池掺杂工艺，尤其涉及一种激光装置、激光加工系统及加工方法。
背景技术
随着太阳能电池的发展，各种结构和样式的太阳能电池应运而生，其中，TOPCon电池由于其良好的性能得到了越来越多的使用。在TOPCon电池中，大多是利用激光掺杂方式制备选择性发射极，激光掺杂利用的是激光的热效应，当激光入射到材料时，一部分光被反射，另一部分被吸收，被硅吸收的光子把电子和声子从低能级激发至高能级，并向邻近范围扩散，当吸收的光能越来越多，材料的温度开始上升，从而实现元素的掺杂。
在高效晶硅太阳能电池片的制备中，利用激光选择性发射极（SE-selectiveemitter）工艺进行局部重掺杂，能够降低金属接触部分的接触电阻和金属复合，增大开路电压，同时非金属接触部分保持低掺杂浓度，降低俄歇复合，提高短波量子效率，增大短路电流，从而实现转换效率的提升。
目前，激光掺杂采用单光斑加工电池片，当需求较高的掺杂浓度时，需要使用较高功率的激光，而激光功率过高时，将导致激光照射区域损伤较大，影响后续钝化工艺。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光装置、激光加工系统及加工方法，将偏振激光分为功率可控的至少两个聚焦光斑用以激光加工工艺，在不降低产能与精度的前提下，能够改善激光加工效果，减小大功率激光加工对太阳能电池片的损伤。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：第一方面，本发明提供了一种激光装置，所述的激光装置包括依次设置的激光发生模块、光强分配模块、分束模块与聚焦模块；所述激光发生模块用于发出偏振激光束；所述光强分配模块用于接收并调节所述偏振激光束的偏振态；所述分束模块用于接收调节偏振态后的偏振激光束，并将所述偏振激光束分为至少两路子激光束；所述聚焦模块用于接收所述子激光束，并形成至少两个激光光斑。
本发明中激光发生模块发出的偏振激光束入射至光强分配模块，基于偏振光具有互相垂直的偏振方向的特性，引起偏振激光束的振动之间出现相位差，使得偏振激光束的偏振方向与传播方向形成一定夹角，分解为两个正交偏振分量，进而引起振幅比的变化，实现光强分配；由光强分配模块射出的偏振激光束进入分束模块内分束形成两路子激光束后进入聚焦模块内，减小了单次激光的功率，避免了对待处理工件的损伤，同时，解决了现有激光工艺存在的成本高昂，光路调节复杂，损伤难以避免等问题。
需要说明的是，本发明提供的激光装置具有通用性，不仅适用于激光选择性发射极工艺的激光掺杂，还适用于任意需要将激光分束使用的场景。另外，本装置还具有可拓展性，已分离的两束偏振光仍可以应用此技术继续分束，从而将激光束二分四、四分八等，以获得多路可调激光束。
还需要说明的是，本发明激光装置还包括但不限于用于连接激光发生模块、光强分配模块、分束模块与聚焦模块的必要线路、用于分别固定激光发生模块、光强分配模块、分束模块与聚焦模块的必要固定元件等，并且本发明对于上述必要线路与固定元件的具体结构与布设方式不作具体限定。
作为本发明一个优选技术方案，所述的光强分配模块包括双折射元件与调节支架，所述双折射元件具有光学主轴；所述调节支架用于调整所述双折射元件的旋转角度，进而调节出射所述偏振激光束的偏振方向与所述双折射元件的光学主轴之间的夹角。
本发明中所述偏振态即为指光在传播过程中其能量分布的偏向性。所述光学主轴是指所述双折射元件的快轴或慢轴，所述的快轴与慢轴则分别是指发生双折射时，o光（传播速度慢）和e光（传播速度快）的两束光的光矢量方向。
当然可以理解的是，调节所述双折射元件的光学主轴相对出射所述偏振激光束的偏振方向的角度，即为调节所述双折射元件的快轴相对出射所述偏振激光束的偏振方向的角度，或调节所述双折射元件的慢轴相对出射所述偏振激光束的偏振方向的角度。
由于本发明中激光发生模块出射的偏振激光的偏振方向与双折射元件光学主轴（快轴或慢轴）具有夹角ɑ，而分为两个正交的偏振分量Ex(t)=Axcos(-ωt)，Ey(t)=Aycos(-ωt+δ)，其振幅比为tanα=Ay/Ax，其中，Ax、Ay为两个正交方向的振幅，ω为角频率，t为时间，δ为相位。双光斑的光强分别为Ix=I0cos2α，Iy=I0sin2α，其中I0为初始激光光强，通过调节双折射元件快轴相对出射激光偏振方向的角度，或调节双折射元件慢轴相对出射激光偏振方向的角度，可以调控双光斑的光强分配，即调控两个聚焦激光光斑的光功率。
需要说明的是，本发明对于双折射元件不作具体限定，可采用本领域技术人员所熟知的任何能够起到将射入光分解成两个偏振分量，并使其沿着不同的方向传播作用的各向异性的光学元件，例如，可以采用波片。
本发明对于调节支架的结构，以及调节支架与双折射元件的连接方式不作具体限定，示例性地，调节支架可以固定连接双折射元件，通过自身旋转，带动双折射元件转动；调节支架也可以转动连接双折射元件，直接驱动双折射元件进行旋转，使得偏振激光束入射至双折射元件表面时，法线与光轴所构成的平面发生变化，进而实现光学主轴（快轴或慢轴）相对出射偏振激光束的偏振方向的角度的调整。
作为本发明一个优选技术方案，所述分束模块包括至少一个分束棱镜，所述分束棱镜由两个直角棱镜组成，用于将所述偏振激光束分解为各自偏离原传播方向出射的两个子激光束，且两个所述子激光束之间呈夹角。
两个所述子激光束的出射的夹角为0~90°，且不为0°。
本发明中的分束棱镜由两个直角棱镜胶合而成，棱镜界面夹角不同，使得出射的两束子激光束的夹角不同，通过调整分束棱镜的结构设计，能够调控分开的两束子激光束的出射角度，进而经聚焦模块后形成两个具有特定间距的激光聚焦光斑。
需要说明的是，本发明对分束棱镜不作具体限定，可以采用本领域技术人员所熟知的任何能够对偏振光进行分束的棱镜，例如，可以是沃拉斯顿棱镜，也可以是洛匈棱镜，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。当分束棱镜采用沃拉斯顿棱镜时，含有两个正交偏振分量的平行光（线偏振激光）入射后发生了o光与e光的相转化，一束偏离棱镜界面法线传播，另一束靠近棱镜界面法线传播，调节范围为0~15°。当分束棱镜采用洛匈棱镜时，含有两个正交偏振分量的平行光（线偏振激光）入射后o光无偏折地出射，而e光偏离原本传播方向出射，实现两束分开的子激光束的出射角度的调整，调节范围为0~10°。
需要说明的是，本发明的分束模块包括至少一个分束棱镜，例如可以是一个、两个、三个、四个、五个等等，但并不仅限于所列举的数值，本领域技术人员可根据实际应用需求对分束棱镜的数量进行调整。如，激光装置可设置一个分束棱镜，用于激光选择性发射极工艺进行太阳能电池进行双光斑掺杂；也可以设置至少两个分束棱镜，将激光束二分四、四分八等，以获得多路可调激光束，并且，子激光束由一个分束棱镜需经反射镜反射后再次进入下一个分束棱镜，最终分出多路平行光。
作为本发明一个优选技术方案，所述激光装置还包括调距模块，所述调距模块用于调节所述分束模块与聚焦模块之间的距离。
需要说明的是，本发明对于调距模块不作具体限定，可采用可移动式结构，用于移动分束模块的固定元件和/或聚焦模块的固定元件。例如，可以利用伸缩件带动分束模块与聚焦模块向相互靠近或相互远离的方向移动，也可以设置滑轨，并在移动分束模块的固定元件和/或聚焦模块的固定元件上设置与滑轨相互配合的滑动机构，实现间距的调整。当然可以理解的是，能够实现调节分束模块与聚焦模块的间距的其他样式的调距模块同样落入本发明的保护范围和公开范围之内，因此现有技术中已公开或新技术中未公开的其他形式的调距模块同样可以用于本发明中。
本发明中经双折射元件实现光强度分配后，具有两个正交偏振分量的平行光入射偏振分束棱镜，其主轴方向x、y分别与偏振分束棱镜的光轴垂直或平行，分为两束夹角为θ的两个子激光束出射。基于双光斑的间距为d≈f·tanθ，其中，f为场镜焦距，θ的两个子激光束出射夹角，一方面，可以通过偏振分束棱镜的结构设计，可以调控两束分离激光的夹角，进而决定两个聚焦激光光斑的间距，另一方面，还可以通过分束模块与聚焦模块之间的距离，实现光斑间距的调整。两个光斑的间距不同，使得两次掺杂的时间间隔不同，降温效果不同，进而使得掺杂效果与对电池片的损伤不同，通过调整两个激光光斑之间的间距，能够减小一次激光掺杂对待掺杂基底的损伤，保证良好的掺杂效果。
作为本发明一个优选技术方案，所述聚焦模块包括依次连接的振镜与场镜，所述振镜的输入端对接所述分束模块，用于调节所述子激光束的输出路径，使得子激光束照射在所述场镜，所述场镜用于聚焦所述子激光束，以形成光斑。
需要说明的是，本发明中所述输入端是指光路射入端，场镜与振镜连接，分束模块发出的子激光束入射至振镜上，再经过场镜将子激光束聚焦至待处理基底表面。
第二方面，本发明提供了一种激光加工系统，所述的激光加工系统包括载物台和第一方面所述的激光装置，所述激光装置位于所述载物台上方，所述载物台用于承载光伏电池片，所述激光装置朝向所述光伏电池片发射激光。
本发明提供的加工系统也可将激光装置与激光整形技术叠加使用，可适用于激光材料加工或激光掺杂工艺。
示例性地，本发明提供了一种激光加工系统，包括上述激光装置中与光束整形模块，所述光束整形模块设置于所述激光发生模块与光强分配模块之间，所述光束整形模块用于调制所述激光发生模块发出的偏振激光束。所述光束整形模块包括但不限于扩束镜、衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOE）、液晶空间调制器、微透镜阵列与至少一个反射镜，所述反射镜用于对偏振激光束进行反射，所述扩束镜用于对偏振激光束进行扩束，经扩束后的偏振激光束射入所述整形元件，并由所述整形元件投射至所述双折射元件。其中，衍射光学元件可以采用本领域技术人员所熟知的任何能够用于对特定波长的入射激光，设计表面微纳结构，对激光的能量和相位进行调配，达到所需要的输出光斑的光学元件。
第三方面，本发明提供了一种激光加工方法，所述激光加工方法采用第一方面所述的激光装置进行电池的激光掺杂，所述激光加工方法包括：激光发生模块发出偏振激光束，对所述偏振激光束进行光强分配调节，得到两路子激光束，并将两路子激光束分别聚焦至待掺杂基底表面形成两个激光光斑，利用所述激光光斑分别在掺杂区内进行扫描，实现杂质原子掺杂。
本发明进行双光斑的光强分配调节，减小两个激光光斑分别的光功率并引导双光斑进行激光掺杂，在不降低产能与精度的前提下，能够改善激光掺杂效果，降低大功率激光加工对太阳能电池片的损伤。
作为本发明一个优选技术方案，所述光强分配调节的方式包括：将激光发生模块发出的偏振激光束入射至双折射元件内，通过调整双折射元件的光学主轴与出射所述偏振激光束的偏振方向的夹角，以将偏振激光束分解为具有两个正交偏振分量的平行光，并进行两个正交偏振分量的振幅比的调制，完成光强分配。
所述夹角为0~90°，例如可以是0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、65°、70°、80°、85°或90°，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明通过调整上述夹角，使得相应的任一路子激光束的功率为偏振激光束的初始光功率0~100%。
所述偏振激光束为单波长平行激光。
两路所述子激光束的光强相同或不相同。本发明中不同的激光功率的分配是通过旋转双折射元件的角度，进行调节偏振分量的振幅比实现的，采用不同的激光功率有利于调节掺杂效果。
作为本发明一个优选技术方案，所述的激光加工方法还包括对所述偏振激光束进行光斑间距调整。
所述光斑间距调整的方式包括：利用分束模块对具有两个正交偏振分量的平行光进行分束，得到两路所述子激光束，并调整由分束模块射出的两路所述子激光束的出射夹角，完成激光光斑的间距调节。
两个所述激光光斑的间距为0.5~10mm，例如可以是0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、8.0mm、9.0mm或10.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一个优选技术方案，所述的激光加工方法还包括对所述偏振激光束进行光斑间距调整。
所述光斑间距调整的方式包括：利用分束模块对具有两个正交偏振分量的平行光进行分束，得到两路所述子激光束，通过调节分束模块与聚焦模块之间的距离，将所述子激光束分别传输至所述聚焦模块，完成激光光斑的间距调节。
两个所述激光光斑的间距为0.5~10mm，例如可以是0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、8.0mm、9.0mm或10.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中两个光斑的间距不同，使得两次掺杂的时间间隔不同，降温效果不同，进而使得掺杂效果与对电池片的损伤不同，通过调整两个激光光斑之间的间距，能够减小一次激光掺杂对待掺杂基底的损伤，保证良好的掺杂效果。
本发明中分离的两束子激光束经振镜与场镜后，聚焦于工作面上的待掺杂基底（太阳能电池片表面），并且由振镜控制双光斑，使其沿掺杂区一前一后进行扫描，几乎同时实现两次相对低功率的激光掺杂，在保证掺杂浓度与深度的同时，减小了单次激光掺杂的功率，避免了对太阳能电池片的损伤。
本发明中所述杂质原子的掺杂深度为1.8~2.0μm，所述待掺杂基底表面的杂质原子的浓度<1.5×1019cm-3。
本发明的激光装置由于其形成的双光斑功率、间距可调，能够更灵活的进行激光掺杂工艺参数调节，实现不同的掺杂浓度与深度效果，且对电池片的损伤情况可控。
需要说明的是，在高效晶硅太阳能电池片的制备中，利用激光选择性发射极（SE-selective emitter）工艺进行局部重掺杂，能够降低金属接触部分的接触电阻和金属复合，增大开路电压，同时非金属接触部分保持低掺杂浓度，降低俄歇复合，提高短波量子效率，增大短路电流，从而实现转换效率的提升。本发明的激光掺杂装置适用范围广，可用于半导体产品的不同杂质原子的掺杂工艺，特别是晶硅太阳能电池片的硼原子的掺杂。在TOPCon电池中，通过激光推进掺杂源中硼原子，进行区域可控的重掺杂，实现选择性发射极结构，能够提升0.2~0.5%的电池转换效率，是为TOPCon电池路线中提效的关键手段之一。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的一种激光装置、激光加工系统及加工方法，激光发生模块发出的偏振激光束入射至光强分配模块，基于偏振光具有互相垂直的偏振方向的特性，引起偏振激光束的振动之间出现相位差，使得偏振激光束的偏振方向与传播方向形成一定夹角，分解为两个正交偏振分量，进而引起振幅比的变化，实现光强分配，由光强分配模块射出的偏振激光束进入分束模块内分束形成两路子激光束后进入聚焦模块内，减小了单次激光的功率，避免了对待处理工件的损伤，同时，解决了现有激光工艺存在的成本高昂，光路调节复杂，损伤难以避免等问题。本发明中所述偏振态即为指光在传播过程中其能量分布的偏向性。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的激光掺杂装置的结构示意图；图2为本发明一个具体实施方式提供的带有整形模块的激光整形系统的结构示意图。
其中，1-激光发生模块；2-光强分配模块；3-分束模块；4-振镜；5-场镜；6-第一反射镜；7-扩束镜；8-衍射光学元件；9-第二反射镜。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种激光装置，如图1所示，包括依次设置的激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块；所述激光发生模块1用于发出偏振激光束；所述光强分配模块2用于接收并调节所述偏振激光束的偏振态；所述分束模块3用于接收调节偏振态后的偏振激光束，并将所述偏振激光束分为至少两路子激光束；所述聚焦模块用于接收所述子激光束，并形成至少两个激光光斑。
本发明激光装置还包括但不限于用于连接激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块的必要线路、用于分别固定激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块的必要固定元件等，并且本发明对于上述必要线路与固定元件的具体结构与布设方式不作具体限定。
示例性地，固定元件可采用分别用于容纳激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块的腔室，以及固定腔室的底座。
所述的光强分配模块2包括双折射元件与调节支架，所述双折射元件具有光学主轴，所述调节支架用于调整所述双折射元件的旋转角度，进而调节出射所述偏振激光束的偏振方向与所述双折射元件的光学主轴之间的夹角。
由于本发明中激光发生模块1出射的偏振激光的偏振方向与双折射元件光学主轴（快轴或慢轴）具有夹角ɑ，而分为两个正交的偏振分量Ex(t)=Axcos(-ωt)，Ey(t)=Aycos(-ωt+δ)，其振幅比为tanα=Ay/Ax，其中，Ax、Ay为两个正交方向的振幅，ω为角频率，t为时间，δ为相位。双光斑的光强分别为Ix=I0cos2α，Iy=I0sin2α，其中I0为初始激光光强，通过调节双折射元件快轴相与出射激光的偏振方向的之间的夹角，或通过调节双折射元件慢轴与出射激光的偏振方向之间的夹角，可以调控双光斑的光强分配，即两个聚焦激光光斑的光功率。
在一些实施方式中，调节支架可以固定连接双折射元件，通过自身旋转，带动双折射元件转动；调节支架也可以转动连接双折射元件，直接驱动双折射元件进行旋转，使得偏振激光束入射至双折射元件表面时，法线与光轴所构成的平面发生变化，进而实现出射所述偏振激光束的偏振方向与所述双折射元件的光学主轴（快轴或慢轴）之间的夹角的调整。
在一些实施方式中，所述分束模块3包括至少一个分束棱镜，所述分束棱镜由两个直角棱镜组成，用于将所述偏振激光束分解为各自偏离原传播方向出射的两个子激光束，且两个所述子激光束呈夹角分别射出所述分束模块3。本发明的分束模块3包括至少一个分束棱镜，例如可以是一个、两个、三个、四个、五个等等，但并不仅限于所列举的数值，本领域技术人员可根据实际应用需求对分束棱镜的数量进行调整。如，激光装置可设置一个分束棱镜，用于激光选择性发射极工艺进行太阳能电池进行双光斑掺杂；也可以设置至少两个分束棱镜，将激光束二分四、四分八等，以获得多路可调激光束，并且，子激光束由一个分束棱镜需经反射镜反射后再次进入下一个分束棱镜，最终分出多路平行光。
本发明中的分束棱镜的两个直角棱镜胶合而成，棱镜界面夹角不同，使得出射的两束子激光束的夹角不同，通过调整分束棱镜的结构设计，能够调控分开的两束子激光束的出射角度，进而经聚焦模块后形成两个具有特定间距的激光聚焦光斑。
在一些实施方式中，本发明的分束棱镜是沃拉斯顿棱镜，含有两个正交偏振分量的平行光（线偏振激光）入射后发生了o光与e光的相转化，一束偏离棱镜界面法线传播，另一束靠近棱镜界面法线传播，调节范围为0~15°。
在一些实施方式中，本发明的分束棱镜是洛匈棱镜，含有两个正交偏振分量的平行光（线偏振激光）入射后o光无偏折地出射，而e光偏离原本传播方向出射，实现两束分开的子激光束的出射角度的调整，调节范围为0~10°。
在一些实施方式中，所述激光装置还包括调距模块，所述调距模块用于调节所述分束模块3与聚焦模块之间的距离。
在一些实施方式中，本发明的调距模块可采用可移动式结构，用于移动分束模块3的固定元件和/或聚焦模块的固定元件。例如，可以利用伸缩件带动分束模块3与聚焦模块向相互靠近或相互远离的方向移动，也可以设置滑轨，并在移动分束模块3的固定元件和/或聚焦模块的固定元件上设置与滑轨相互配合的滑动机构，实现间距的调整。
本发明中经双折射元件实现光强度分配后，具有两个正交偏振分量的平行光入射偏振分束棱镜，其主轴方向x、y分别与偏振分束棱镜的光轴垂直或平行，分为两束夹角为θ的两个子激光束出射。基于双光斑的间距为d≈f·tanθ，其中，f为场镜5焦距，θ的两个子激光束出射夹角，一方面，可以通过偏振分束棱镜的结构设计，可以调控两束分离激光的夹角，进而决定两个聚焦激光光斑的间距，另一方面，还可以通过分束模块3与聚焦模块之间的距离，改变焦距，实现光斑间距的调整。两个光斑的间距不同，使得两次掺杂的时间间隔不同，降温效果不同，进而使得掺杂效果与对电池片的损伤不同，通过调整两个激光光斑之间的间距，能够减小一次激光掺杂对待掺杂基底的损伤，保证良好的掺杂效果。
本发明若不考虑激光传播、折射中的损耗，则两个子激光束功率之和等于原本的激光束。另外，通过对分束模块3的结构设计，能够调控子激光束的出射角度，进而在聚焦模块内形成特定间距的激光光斑，实现光斑的功率与间距可控，能够改善激光掺杂效果，同时可以减小大功率激光加工对太阳能电池片的损伤。
所述聚焦模块包括依次连接的振镜4与场镜5，所述振镜4的输入端对接所述分束模块3，用于调节所述子激光束的输出路径，使得子激光束照射在所述场镜5，所述场镜5用于聚焦所述子激光束，以形成光斑。本发明中所述输入端是指光路射入端，场镜5与振镜4连接，分束模块3发出的子激光束入射至振镜4上，再经过场镜5将子激光束聚焦至待处理基底表面。本发明中分离的两束子激光束经振镜4与场镜5后，聚焦于工作面上的待掺杂基底（太阳能电池片表面），并由上位机控制振镜4，进而控制双光斑，使其沿掺杂区一前一后进行扫描，几乎同时实现两次相对低功率的激光掺杂，在保证掺杂浓度与深度的同时，减小了单次激光掺杂的功率，避免了对太阳能电池片的损伤。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种激光加工系统，所述的激光加工系统包括载物台和一个具体实施方式所述的激光装置，所述激光装置位于所述载物台上方，所述载物台用于承载光伏电池片，所述激光装置朝向所述光伏电池片发射激光。
在一些实施方式中，所述激光加工系统还包括光束整形模块，如图2所示，所述光束整形模块设置于所述激光发生模块1与光强分配模块2之间，所述光束整形模块用于调制所述激光发生模块1发出的偏振激光束。所述光束整形模块包括但不限于扩束镜7、衍射光学元件8、液晶空间调制器、微透镜阵列与至少一个反射镜，所述反射镜用于对偏振激光束进行反射，所述扩束镜7用于对偏振激光束进行扩束，经扩束后的偏振激光束射入所述整形元件，并由所述整形元件投射至所述双折射元件。其中，衍射光学元件8可以采用本领域技术人员所熟知的任何能够用于对特定波长的入射激光，设计表面微纳结构，对激光的能量和相位进行调配，达到所需要的输出光斑的光学元件。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种激光加工方法，所述激光加工方法采用一个具体实施方式所述的激光装置进行电池的激光掺杂，所述激光加工方法包括：激光发生模块1发出偏振激光束，对所述偏振激光束进行光强分配调节，得到两路子激光束，并将两路子激光束分别聚焦至待掺杂基底表面形成两个激光光斑，利用所述激光光斑分别在掺杂区内进行扫描，实现杂质原子掺杂。
所述光强分配调节的方式包括：将激光发生模块1发出的偏振激光束入射至双折射元件内，通过调整双折射元件的光学主轴与出射所述偏振激光束的偏振方向的夹角，以将偏振激光束分解为具有两个正交偏振分量的平行光，并进行两个正交偏振分量的振幅比的调制，完成光强分配。
其中，光学主轴包括快轴或慢轴。所述偏振激光束为单波长平行激光，所述夹角为0~90°，两路所述子激光束的光强相同或不相同。本发明中不同的激光功率的分配是通过旋转双折射元件的角度，进行光学主轴与出射所述偏振激光束的偏振方向的夹角的调节，进而实现偏振分量的振幅比的调节，采用不同的激光功率有利于调节掺杂效果。
在一些实施方式中，所述的激光加工方法还包括对所述偏振激光束进行光斑间距调整，两个光斑的间距不同，使得两次掺杂的时间间隔不同，降温效果不同，进而使得掺杂效果与对电池片的损伤不同，通过调整两个激光光斑之间的间距，能够减小一次激光掺杂对待掺杂基底的损伤，保证良好的掺杂效果。
所述光斑间距调整的方式可采用两种方案，如下所述：方案一：利用分束模块3对具有两个正交偏振分量的平行光进行分束，得到两路所述子激光束，并调整由分束模块3射出的两路所述子激光束的出射夹角，完成激光光斑的间距调节，两个所述激光光斑的间距为0.5~10mm。方案二：利用分束模块3对具有两个正交偏振分量的平行光进行分束，得到两路所述子激光束，通过调节分束模块3与聚焦模块之间的距离，将所述子激光束分别传输至所述聚焦模块，完成激光光斑的间距调节，两个所述激光光斑的间距为0.5~10mm。
本发明进行双光斑的光强分配调节，减小两个激光光斑分别的光功率并引导双光斑进行激光掺杂，在不降低产能与精度的前提下，能够改善激光掺杂效果，降低大功率激光加工对太阳能电池片的损伤。所述杂质原子的掺杂深度为1.8~2.0μm，所述待掺杂基底表面的杂质原子的浓度<1.5×1019cm-3。
实施例一
本实施例提供了一种激光掺杂装置，包括激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块。激光发生模块1、双折射元件与分束模块3依次同轴，且前后呈相对设置，并利用固定元件进行固定。激光发生模块1用于发出线偏振激光束，且出射的线偏振激光束为单波长平行光。光强分配模块2包括双折射元件与调节支架，调节支架用于调整双折射元件的旋转角度，进而调节出射偏振激光束的偏振方向与双折射元件的光学主轴之间的夹角，实现线偏振激光束的偏振态的调节。分束模块3为沃拉斯顿棱镜，用于接收并将偏振激光束分为两路子激光束。聚焦模块位于分束模块3的后方，并包括依次连接的振镜4与场镜5，使得两个光束先进入振镜4，再经场镜5聚焦至工作面。
实施例二
本实施例提供了一种激光掺杂装置，包括激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块。激光发生模块1、双折射元件与分束模块3依次同轴，且前后呈相对设置，并利用固定元件进行固定。激光发生模块1用于发出线偏振激光束，且出射的线偏振激光束为单波长平行光。光强分配模块2包括双折射元件与调节支架，调节支架用于调整双折射元件的旋转角度，进而调节出射偏振激光束的偏振方向与双折射元件的光学主轴之间的夹角，实现线偏振激光束的偏振态的调节，双折射元件采用波片。分束模块3包括采用三个偏振分束器，分别记为第一分束器、第二分束器与第三分束器。激光发生模块1出射的线偏振激光束依次经过波片与第一分束器后分为第一子激光束与第二子激光束。第二分束器与第三分束器并排设置于第一分束器的后方，第一子激光束与第二子激光束分别通过反射镜反射后进入第二分束器与第三分束器，第二分束器将第一子激光束分为第一光束与第二光束，第三分束器将第二子激光束分为第三光束与第四光束。聚焦模块位于并排设置的第二分束器与第三分束器的后方，并包括依次连接的振镜4与场镜5，使得四个光束先进入振镜4，再经场镜5聚焦至工作面。
实施例三
本实施例提供了一种激光掺杂装置，包括激光发生模块1、光强分配模块2、分束模块3与聚焦模块。激光发生模块1用于发出线偏振激光束，且出射的线偏振激光束为单波长平行光。光强分配模块2包括双折射元件与调节支架，调节支架用于调整双折射元件的旋转角度，进而调节出射偏振激光束的偏振方向与双折射元件的光学主轴之间的夹角，实现线偏振激光束的偏振态的调节，双折射元件包括三个波片，分别记为第一波片、第二波片与第三波片。分束模块3包括采用三个偏振分束器，分别记为第一分束器、第二分束器与第三分束器。激光发生模块1、第一波片与第一分束器依次同轴，且前后呈相对设置，并利用固定元件进行固定。
激光发生模块1出射的线偏振激光束依次经过第一波片与第一分束器后分为第一子激光束与第二子激光束。第二波片与第三波片并排设置于第一分束器的后方，并独立地采用调节支架调整旋转角度。第一子激光束与第二子激光束分别通过反射镜反射后进入第二波片与第三波片。第二分束器与第三分束器并排设置，且第二分束器与第二波片同轴设置，并位于第二波片的后方，用于将第一子激光束分为第一光束与第二光束，第三分束器与第三波片同轴设置，并位于第三波片的后方，用于将第二子激光束分为第三光束与第四光束。聚焦模块位于并排设置的第二分束器与第三分束器的后方，并包括依次连接的振镜4与场镜5，使得四个光束先进入振镜4，再经场镜5聚焦至工作面。
实施例四
本实施例提供了一种激光掺杂装置，与实施例1的区别在于：分束模块3为洛匈棱镜，其余结构与实施例1相同。
实施例五
本实施例提供了一种激光掺杂装置，与实施例1的区别在于：激光装置还包括调距模块，用于调节所述分束模块3与聚焦模块之间的距离，其余结构与实施例1相同。
实施例六
本实施例提供了一种激光加工系统，包括实施例1中的激光装置与光束整形模块，光束整形模块设置于激光发生模块1与光强分配模块2之间，用于调制所述激光发生模块1发出的偏振激光束。光束整形模块包括依次设置的第一反射镜6、第二反射镜9、扩束镜7与衍射光学元件8，激光发生模块1出射的线偏振激光束依次通过第一反射镜6、第二反射镜9的反射后进入扩束镜7扩束，经扩束后的线偏振激光束进入衍射光学元件8，并由衍射光学元件8投射至双折射元件，其余结构与实施例1相同。
应用例1
本应用例采用实施例1提供的激光掺杂装置对太阳能电池片进行硼杂质原子的掺杂，具体包括如下步骤：
（1）激光发生模块1发出波长为1064mm的偏振激光束，偏振激光束以其偏振方向与波片快轴呈45°的夹角方向入射至波片，获得两个振幅比为1:1的正交偏振分量；
（2）步骤（1）中的两个正交偏振分量以同一角度入射沃拉斯顿棱镜的同一位置，因双折射原理，由各自偏离原传播方向出射，形成具有出射夹角为0.3°的两路子激光束，且两路子激光束的光功率均为偏振激光束的初始光功率的50%；
（3）步骤（2）中的两路子激光束分别依次经过振镜4反射，场镜5聚焦后，形成间距为2mm的两个激光光斑，且两个激光光斑的直径均为80μm；
（4）由上位机控制振镜4，引导步骤（3）中的两个激光光斑一前一后沿图形方向扫描，实现硼杂质原子的掺杂。
本应用例获得的经掺杂后的太阳能电池片的方阻下降50Ω/sq，表面浓度<1.5×1019cm-3，且杂质原子的掺杂深度1.8μm，观察太阳能电池片表面无明显损伤。
激光硼掺杂主要分为一次硼扩与二次硼扩，其中，二次硼扩需要两次进入扩散炉，经济性差，无法大规模使用，一次硼扩成为行业最终解决方案。一次硼扩是用一次扩散炉，再通过激光诱导选择性发射极的重掺，然而，其对表面硼源浓度有一定要求，且激光功率相对较高，可能引入额外损伤，从而影响整体效率。由于硼在硅中的固溶度较低，其掺杂难度较高，在推进时需要更高的能量。实际激光工艺中窗口较窄，当激光功率过高时，将导致激光照射区域损伤较大，影响后续钝化工艺；当激光功率偏低时，则推进能量不足，导致掺杂浓度无法达到要求。本应用例能够将激光分为功率、间距可控的两个聚焦光斑，双光斑一前一后扫略掺杂，在不降低产能与精度的前提下，能够改善激光掺杂效果，减小大功率激光加工对太阳能电池片的损伤。
应用例2
本应用例采用实施例1提供的激光掺杂装置对太阳能电池片进行硼杂质原子的掺杂，具体包括如下步骤：
（1）激光发生模块1发出波长为532mm的偏振激光束，偏振激光束以其偏振方向与波片快轴呈45°的夹角方向入射至波片，获得两个振幅比为1:1的正交偏振分量；
（2）步骤（1）中的两个正交偏振分量以同一角度入射沃拉斯顿棱镜的同一位置，因双折射原理，由各自偏离原传播方向出射，形成出射夹角为0.15°的两路子激光束，且两路子激光束的光功率均为偏振激光束的初始光功率的50%；
（3）步骤（2）中的两路子激光束分别依次经过振镜4反射，场镜5聚焦后，形成间距为1mm的两个激光光斑，且两个激光光斑的直径均为80μm；
（4）由上位机控制振镜4，引导步骤（3）中的两个激光光斑一前一后沿图形方向扫描，实现硼杂质原子的掺杂。
本应用例获得的经掺杂后的太阳能电池片的方阻下降50Ω/sq，表面浓度<1.5×1019cm-3，且杂质原子的掺杂深度2.0μm，观察太阳能电池片表面无明显损伤。
应用例3
本应用例采用实施例1提供的激光掺杂装置对太阳能电池片进行硼杂质原子的掺杂，具体包括如下步骤：
（1）激光发生模块1发出波长为540mm的偏振激光束，偏振激光束以其偏振方向与波片快轴呈45°的夹角方向入射至波片，获得两个振幅比为1:1的正交偏振分量；
（2）步骤（1）中的两个正交偏振分量以同一角度入射沃拉斯顿棱镜的同一位置，因双折射原理，由各自偏离原传播方向出射，形成出射夹角为1.5°的两路子激光束，且两路子激光束的光功率均为偏振激光束的初始光功率的50%；
（3）步骤（2）中的两路子激光束分别依次经过振镜4反射，场镜5聚焦后，形成间距为10mm的两个激光光斑，且两个激光光斑的直径均为80μm；
（4）由上位机控制振镜4，引导步骤（3）中的两个激光光斑一前一后沿图形方向扫描，实现硼杂质原子的掺杂。
本应用例获得的经掺杂后的太阳能电池片的方阻下降50Ω/sq，表面浓度<1.5×1019cm-3，且杂质原子的掺杂深度1.9μm，观察太阳能电池片表面无明显损伤。
应用例4
本应用例采用实施例5提供的激光掺杂装置对太阳能电池片进行硼杂质原子的掺杂，具体包括如下步骤：
（1）激光发生模块1发出波长为1064mm的偏振激光束，偏振激光束以其偏振方向与波片快轴呈45°的角度入射至波片，获得两个振幅比为1:1的正交偏振分量；
（2）步骤（1）中的两个正交偏振分量以同一角度入射沃拉斯顿棱镜的同一位置，调节分束模块3与聚焦模块之间的距离，线偏振激光束各自偏离原传播方向出射，形成两路子激光束，且两路子激光束的光功率均为偏振激光束的初始光功率的50%；
（3）步骤（2）中的两路子激光束分别依次经过振镜4反射，场镜5聚焦后，形成间距为2mm的两个激光光斑，且两个激光光斑的直径均为80μm；
（4）由上位机控制振镜4，引导步骤（3）中的两个激光光斑一前一后沿图形方向扫描，实现硼杂质原子的掺杂。
本应用例获得的经掺杂后的太阳能电池片的方阻下降50Ω/sq，表面浓度<1.5×1019cm-3，且杂质原子的掺杂深度1.8μm，观察太阳能电池片表面无明显损伤。
对比例1
本对比例提供了一种激光掺杂装置，与实施例1的区别在于：并未设置双折射元件2与分束模块3，其中，激光发生模块1出射的激光束直接射入聚焦模块内，并聚焦至工作面，其余结构与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种激光加工装置，依次包括激光发生系统、光束分光系统和扫描聚焦系统；激光发生系统发射激光光束；光束分光系统接收将激光光束分为多束。扫描聚焦系统用于接收光束分光系统的多束激光光束，并将其在待加工基板上形成多个沿直线排列的激光光斑，多个激光光斑之间的能量全部相同、部分相同或全部不同，并使多个激光光斑按照设定速度和扫描方向进行扫描加工。
对比应用例1
本对比应用例采用对比例1提供的激光掺杂装置对太阳能电池片进行硼杂质原子的掺杂，具体包括：激光发生模块1发出波长为1064mm的激光束，激光束依次经过振镜4反射，场镜5聚焦后，形成直径为80μm的光斑，由上位机控制振镜4，引导光斑沿图形方向扫描，实现硼杂质原子的掺杂。
本对比应用例获得的经掺杂后的太阳能电池片的方阻下降40Ω/sq，表面浓度＜2.5×1019cm-3，且杂质原子的掺杂深度1.5μm，观察太阳能电池片表面出现多处轻微熔蚀。
对比应用例2
本对比应用例采用对比例2提供的激光加工装置对太阳能电池片进行硼杂质原子的掺杂。
本对比应用例获得的经掺杂后的太阳能电池片的方阻下降35Ω/sq，表面浓度为2.5×1019cm-3，且杂质原子的掺杂深度1.9μm，观察太阳能电池片部分表面出现轻微熔蚀。
由应用例1与对比应用例1不难看出，相比于对比应用例1仅采用单束激光源进行激光掺杂得到的太阳能电池片，应用例1采用双光斑激光掺杂，显著提高了掺杂效果，并且太阳能表面的损伤更小，这是由于应用例1将激光分为振幅比、夹角可控的两束子激光束形成的双光斑一前一后扫描掺杂，能够有效避免单次大功率激光加工对太阳能电池片的损伤，使得方阻下降30~50Ω/sq。
由应用例1与对比应用例2可知，相比于对比应用例2采用光学元件进行分光，应用例1利用线偏振激光束进行分束，并通过调节双光斑的光强度与间距，能够减小太阳能电池片表面的损伤，对方阻的降低效果更加显著。传统激光硼掺杂工艺，将激光高斯光整形为平顶光，并通过激光光强的重新分布，在保证激光功率足够的同时，减小激光处理区域的损伤，但仍具有成本高昂，光路调节复杂，损伤难以避免等问题。本发明的采用偏振分光方式，光斑间距由偏振分光棱镜结构决定，子激光功率由波片角度决定，且连续可调，能够进行更灵活的激光掺杂工艺参数调节，实现不同的掺杂浓度与深度效果，且对电池片的损伤情况可控。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种激光装置，其特征在于，所述的激光装置包括依次设置的激光发生模块、光强分配模块、分束模块与聚焦模块；
所述激光发生模块用于发出偏振激光束；
所述光强分配模块用于接收并调节所述偏振激光束的偏振态；
所述分束模块用于接收调节偏振态后的偏振激光束，并将所述偏振激光束分为至少两路子激光束；
所述聚焦模块用于接收所述子激光束，并形成至少两个激光光斑。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述的光强分配模块包括双折射元件与调节支架，所述双折射元件具有光学主轴；
所述调节支架用于调整所述双折射元件的旋转角度，进而调节出射所述偏振激光束的偏振方向与所述双折射元件的光学主轴之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述分束模块包括至少一个分束棱镜，所述分束棱镜由两个直角棱镜组成，用于将所述偏振激光束分解为各自偏离原传播方向出射的两个子激光束，且两个所述子激光束之间呈夹角。
4.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述激光装置还包括调距模块，所述调距模块用于调节所述分束模块与聚焦模块之间的距离。
5.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述聚焦模块包括依次连接的振镜与场镜，所述振镜的输入端对接所述分束模块，用于调节所述子激光束的输出路径，使得子激光束照射在所述场镜，所述场镜用于聚焦所述子激光束，以形成光斑。
6.一种激光加工系统，其特征在于，所述的激光加工系统包括载物台和权利要求1-5任一项所述的激光装置，所述激光装置位于所述载物台上方，所述载物台用于承载光伏电池片，所述激光装置朝向所述光伏电池片发射激光。
7.一种激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法采用权利要求1-5任一项所述的激光装置进行电池的激光掺杂，所述激光加工方法包括：
激光发生模块发出偏振激光束，对所述偏振激光束进行光强分配调节，得到两路子激光束，并将两路子激光束分别聚焦至待掺杂基底表面形成两个激光光斑，利用所述激光光斑分别在掺杂区内进行扫描，实现杂质原子掺杂。
8.根据权利要求7所述激光加工方法，其特征在于，所述光强分配调节的方式包括：
将激光发生模块发出的偏振激光束入射至双折射元件内，通过调整双折射元件的光学主轴与出射所述偏振激光束的偏振方向的夹角，以将偏振激光束分解为具有两个正交偏振分量的平行光，并进行两个正交偏振分量的振幅比的调制，完成光强分配；
所述夹角为0~90°；
所述偏振激光束为单波长平行激光；
两路所述子激光束的光强相同或不相同。
9.根据权利要求7所述激光加工方法，其特征在于，所述的激光加工方法还包括对所述偏振激光束进行光斑间距调整；
所述光斑间距调整的方式包括：
利用分束模块对具有两个正交偏振分量的平行光进行分束，得到两路所述子激光束，并调整由分束模块射出的两路所述子激光束的出射夹角，完成激光光斑的间距调节；
两个所述激光光斑的间距为0.5~10mm。
10.根据权利要求7所述激光加工方法，其特征在于，所述的激光加工方法还包括对所述偏振激光束进行光斑间距调整；
所述光斑间距调整的方式包括：
利用分束模块对具有两个正交偏振分量的平行光进行分束，得到两路所述子激光束，通过调节分束模块与聚焦模块之间的距离，将所述子激光束分别传输至所述聚焦模块，完成激光光斑的间距调节；
两个所述激光光斑的间距为0.5~10mm。
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- 2023-11-14 CN CN202311508037.0A patent/CN117239527B/zh active Active
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