1、中山大学硕士学位论文论文题目: 激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究专业: 光学工程摘 要本文以实现高效低成本晶体硅太阳电池制备为目标，对激光技术应用在晶体硅电池制备中的一些新工艺进行了开发研究。本文第一章首先对晶体硅太阳电池的发展现状及技术方向做了介绍，随后分析了激光技术在晶体硅电池上的一些应用研究，指出激光工艺的优势及本工作重点。第二章至第四章进行了多种激光工艺的开发实验，包括：1 激光隔离电池漏电区。通过利用 IV 测试、红外测试等手段分析研究晶体硅电池的漏电情况，采用激光刻蚀切断电池表面 P-N 结和电极，使电池表面局部的漏电源失去作用，从而修复因为局部漏电造成的低效率电池。本论文
2、的工作形成了一套完整的工艺方法，通过对激光工艺的优化实现精确无损伤隔离，批量处理实验证实该技术可以将局部漏电低效电池的效率提高 19%，恢复到同批次正常水平，进一步工作将尽快把该技术推向产业化。2 多晶硅表面激光织构化研究。该工作利用聚焦激光束在多晶硅表面刻蚀形成具有减反射效果的表面织构，通过尝试不同的刻蚀方案，优化激光参数，最终获得减反射性能较好的表面织构，其反射率在激光刻蚀后约为 67%，经过化学腐蚀清洗后为 1015%，优于目前采用的纯化学方法。初步实验所制备的表面织构在结构尺寸和损伤控制方面还需要进一步改进。3 激光烧结背面点电极。该工作主要是开发用于制备背面点电极结构的激光烧结工艺，
3、在实验中制作了采用蒸镀和印刷工艺制作金属层的样品，通过优化激光参数，采用多脉冲烧结逐步提高烧结质量和电池效率。相比蒸镀铝，印刷工艺在实验中显示出明显的优点。文中对影响点电极性能的因素进行了分析，对不同金属层的特性做了比较，初步掌握了激光烧结的技术特点和要求。Page I激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究最后，本文对实验工作进行了总结，分析技术改进的共性问题和激光技术在晶体硅太阳电池的应用前景。关键词：晶体硅太阳电池、激光工艺、漏电区域、织构化、激光烧结Page II中山大学硕士学位论文AbstractIn this thesis research of laser technology
4、in the preparation of crystalline silicon solar cells are conducted to improve efficiency and control cost.In Chapter 1 the development situation and technical direction of crystalline silicon solar cells are described, and then the laser technology used in the crystalline silicon cells is introduce
5、d.In Chapter 24, result of different experiments are fully analyzed and discussed:1. Laser isolation of shunt region. First of all, IV test, infrared image and other methods are used to analyse and locate shunt regions on the front surface of solar cell. In order to disable the shunt regions, laser
6、etching cut through the p-n junction and electrode fingers around the shunt regions. By this way low efficiency solar cells caused by local shunt regions can recover their function. A systemic technology has been developed, through which the local shunt regions can be isolated precisely without addi
7、tional injury. Low efficient solar cell caused by local shunt can gain an efficiency promotion of 19% .Further work will promote this technology into industrial application, which will bring significant improvement in this area.2. Laser texturization of polycrystalline silicon. In this work , polycr
8、ystalline silicon wafer is etched by focused laser beam to form anti-reflection surface texture. Different etching programs and laser parameters are tried and optimized to achieve a final anti-reflection surface texture with good performance. The surface reflectivity is about 67% after laser etching
9、, and 1015% after chemical etching.Page III激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究The result is better than that of the current pure chemical etching. There are also further efforts need to be done with the structural dimensions and damage control in this work.3. Laser-fired rear side point contact. The technology is
10、primarily developed for the preparation of the rear side point contact structure. In this work, metal layer on the rear side is prepared using thermal evaporation or screen printing. By optimizing laser parameters, the quality of point contact and efficiency of solar cell are gradually improved. Com
11、pared with thermal evaporation , the screen printing method shows significant advantages . By analyzing the properties of point contact and comparing the characters of different metal layers, such technology has shown great application potential.Finally, these experiments are summarized, the common
12、problems of technical improvements and the prospect of laser technology in crystalline silicon solar cells are analyzed.Key Words: Crystalline Silicon Solar Cell 、Laser Technology、Shunt Isolation 、Texturization、Laser-firedPage IV中山大学硕士学位论文目录第一章 绪论 . 11.1 光伏产业的发展 . 11.2 晶体硅太阳电池 . 31.2.1 基本结构与原理 . 31.
13、2.2 工业化生产晶体硅电池工艺 . 51.2.3 提高晶体硅电池效率的技术原理 . 61.3 激光技术在太阳电池中的应用 . 81.3.1 激光刻槽隔离 91.3.2 激光表面织构化 . 111.3.3 激光制作背面点电极 . 131.3.4 小结 . 171.4 本论文的工作 . 18第二章 漏电电池激光隔离修复 202.1 晶体硅电池漏电特性及成因. 202.2 漏电电池的检测及定位 . 222.3 激光隔离的优化 262.4 批量实验结果 . 292.4.1 A 组单晶硅电池实验结果分析 . 302.4.2 B 组多晶硅电池实验结果分析 . 322.5 中试线设计及产业化 352.6
14、本章小结 36第三章 多晶硅表面激光织构化 373.1 激光表面织构化原理 373.2 实验设备与方案 383.3 表面织构化效果分析 403.3.1 凹槽阵列结构 403.3.2 “凹槽+ 凹坑”阵列结构 423.3.3 存在的问题及改进方向 . 473.4 本章小结 48第四章 激光烧结背点电极 . 494.1 开发激光烧结技术的意义 494.2 激光烧结实验条件 . 504.2.1 样品制备 504.2.2 激光设备 51Page V激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究4.2.3 背面金属层 524.3 实验结果及讨论 .524.3.1 A 组镀铝样品 524.3.2 B 组印刷浆料
15、样品 574.4 本章小结 .59第五章 结论 60参考文献 62附录 67攻读硕士学位期间发表论文及申请专利清单 67致 谢 68Page VI中山大学硕士学位论文第一章 绪论1.1 光伏产业的发展根据世界光伏产业权威杂志PHOTON的统计数据 1，2009 年全球太阳电池的产量达到 12.3GW，虽然从 08 年底遭遇全球金融危机，但全年产量仍比 2008年强劲增长了 56%，延续了近几年来的快速增长趋势，中国大陆的电池产量 200年位居世界第一，达到 4.68GW，约占全球产量 38%。图 1-1 太阳电池产量增长图 19992008 ,数据来自文献 1光伏市场的快速成长主要有两个原因：
16、一是传统经济模式大量消耗化石能源，排放温室气体导致的全球暖化、气候剧变等问题已经严重影响人类的生存环境，新能源作为解决问题的重要途径，日益成为各国关注的焦点。根据联合国政府间气候变化委员会（IPCC）2007 年的气候变化综合报告 2，在过去的 100 年，全球观测的平均气温上升了约 0.7%， 在 19952006 年这 12个年份里，有 11 年位列自 1850 年以来最热的 12 个年份之中。全球暖化的主要Page 1第一章 绪论原因来自二氧化碳为主的温室气体排放，在 19702004 年间，二氧化碳的排放增加了约 80%，大气中二氧化碳的含量超过了过去 650,000 年自然波动的范围
17、。如果这种趋势继续发展，那么到 2100 年全球温度将上升 45 0C，而科学家预测气温升高 20C 将会导致大规模的动植物灭绝，严重影响人类生存环境，而升高 60C则直接导致人类的大规模灭绝。图 1-2 本世纪温室气体排放及全球增温的预测曲线图 2因此为了抑制气候剧变，发展环保可持续的替代能源成为一个必要的手段，光伏技术直接将光照转化为高品质的电力能源，使用寿命长达 30 年以上，全寿命的碳排放量仅为 2535g/KWh(以南欧地区为例)，不到天燃气发电的十分之一3。使用中不产生排放气体和噪音，光伏组件既可建立大规模集中电站，也可以作为建筑构件实现与人类生活环境完美结合，目前德国弗莱堡已经建
18、成世界上第一座太阳能应用示范城市，为人类未来展示了一条光明的道路。太阳能光伏产业正成为各国竞相发展的重点，预计到 2050 年，光伏发电将成为全球能源的主要来源之一，从而为全球减少温室气体排放提供有力的支持，并且解决化石能源枯竭后人类长期的能源供应问题。二是随着光伏技术的进步，其产品成本逐步下降，性能不断提高，从技术和经济上具备了大规模普及的可能。Page 2中山大学硕士学位论文目前光伏市场上太阳电池包括晶体硅电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池等，其中主流产品仍然是晶体硅电池，在 2009 年 12.3GW的总产量中，多晶硅电池占 46.9%，单晶硅电池占 34.1%1。晶
19、体硅电池具有转换效率高、性能稳定、生产工艺成熟，成本合理等特点，预计在今后十年内依然占主导地位。随着太阳电池市场和产业的不断成长，电池生产设备和工艺不断改进优化，目前普通工艺的单晶硅电池转换效率已从 16%提高到 1718%，多晶硅电池的效率从 14%提高到 16%，而且各种新型高效电池技术纷纷出现，如选择性发射极、激光制绒、电镀或者多次印刷的电极栅线等，推动大规模生产电池效率向 1920%的目标迈进。同时市场的需求刺激产业链生产规模扩大和成本下降，随着多晶硅料每公斤价格从 2008 年最高峰 500 美元下降到目前 100 美元以下，目前晶体硅电池的成本从前几年每瓦 23 美元降至约每瓦 1
20、.5 美元，整体系统的成本比 2003 年下降了约 50%，离世界公认的光伏平价电力所需每瓦 1 美元的成本目标越来越近，一旦光伏发电达到与现有电力平价，在经济上具有核心竞争力，那光伏发电的普及速度将有更大幅度的提高。欧盟是目前世界太阳电池最成熟的市场，其太阳能光伏技术研究咨询委员会（PV-TRAC）2009 年发布了名为PV Status Report 2009的报告 4，报告中提出了既现实又宏伟的发展目标：使欧盟的太阳能光伏发电系统装机量在 2020 年达到 350GW（至 2008 年已安装约 9.5GW），承担欧盟 12%的电力需求。对比 2009 年全球 12.3GW 的产量，可见光
21、伏产业仍是处于起步阶段，发展空间极大。1.2 晶体硅太阳电池1.2.1 基本结构与原理图 1-3 是典型的晶体硅太阳电池结构及工作原理示意图，电池以 P 型晶体硅为衬底，从上到下依次为前电极，正面减反射膜，N 型扩散层，P 型衬底和背面电极。电池利用光生伏特效应工作，硅材料是半导体，本身具有一定的禁带宽度Page 3第一章 绪论（1.12eV，根据杂质的浓度略有变化），当有能量大于或等于硅材料禁带宽度的光子入射时，就有可能将硅原子原本位于价带的电子激发到导带，从而在硅体中形成可移动的带负电的自由电子和带正电的空穴。图 1-3 晶体硅太阳电池结构和工作原理示意图 5电池内部在 N 型扩散层（主要
22、的载流子为电子）和 P 型衬底（主要载流子为空穴）交界处由于载流子浓度平衡形成具有内建电场的 P-N 结，电场由 N 型层指向 P 型层。原本在硅体中自由运动的电子和空穴一旦进入 P-N 结就会在电场作用下朝相反方向地移动。当光照在硅体中激发大量的电子空穴对后，电子和空穴在 P-N 结作用下分别向电池的上下表面移动聚集，这些电荷通过电池两面的金属电极导出，如果在前后电极之间加上负载导体，电池就可以为负载提供电压和电流。图 1-4 典型晶体硅太阳电池 IV 测试的结果Page 4中山大学硕士学位论文描述太阳电池输出特性主要采用标准光照（光谱 AM1.5，光功率 1000W/m 2，垂直入射，温度
23、 250C）下电池的 I-V 曲线，图 1-4 为典型晶体硅太阳电池 IV 测试的结果，通过 IV 曲线可以得到电池的主要性能参数，包括短路电流 ISC、开路电压 V OC、最大功率 P mpp、最大功率点电流 I mpp、最大功率点电压 V mpp，通过计算还可以得到填充因子 FF 、电池的串联电阻 R S、并联电阻 RSH。1.2.2 工业化生产晶体硅电池工艺目前除了 Sunpower、Sanyo 等公司具有自主开发的特殊结构电池外，绝大部分晶体硅太阳电池都采用了与图 1-3 类似的电池结构，其生产工艺也大致相同，从硅片开始，电池生产的主要工艺流程如图 1-5 所示。图 1-5 晶体硅太阳
24、电池普通工艺流程图普通生产工艺的几个主要特点包括：1 化学制绒（表面织构）：单晶硅电池采用低浓度碱液（NaOH、KOH）对硅单晶的各向异性腐蚀形成金字塔结构的绒面，金字塔尺寸一般为 310m，可以使硅片的表面反射率从 30%降低到10%；多晶硅由于晶向不一致，可以利用酸或碱进行各向同性腐蚀，形成凹坑结构的绒面，但是这种绒面的减反射效果较差，表面反射率在 1520%。2 一次扩散制 P-N 结：目前工业生产一般采用 P 型硅片，硅片制绒清洗后，送入高温扩散炉管，Page 5第一章 绪论在磷源（POCl 3）气氛中做高温气体扩散，在硅片表面形成 0.30.6m 的 N 性扩散层，扩散后硅片的表面电
25、阻值一般为 4060/cm 2。3 正面采用 PECVD 制作 SiN X 减反射膜：采用等离子增强化学气相沉积方法（PECVD）在电池正面镀制70nm 的SiNX 膜，SiN X 的折射率2.1 ，PECVD 方法具有制作温度低（200450 0C），沉积速度快等优点，适于工业化生产；SiN X 膜致密坚固，可以在后续印刷烧结工艺中保护扩散层免受污染和破坏；如果在沉积过程中加入氢，SiN X膜中的氢离子还可以起到表面钝化的效果。4 电极制作采用印刷银浆、铝浆后烘干烧结的方法：正面电极采用导电性能好银浆；背面电极主要采用铝浆和银铝浆，一方面成本低，一方面铝向硅体扩散可以形成铝背场，对光生载流子
26、起到加速作用，提高电池的效率；但是铝跟焊接锡带的结合性能不好，所以为了方便电池的串联焊接，一般在背面对应正面主栅的位置印制用于焊接的银铝浆电极带。为了节约制作时间和成本，背面浆料印刷之后先烘干，再印刷正面电极，然后经过一次高温过程完成浆料的烧结，整个高温过程时间 12 分钟，最高温度 800900 0C，烧结后就形成完整的太阳电池。1.2.3 提高晶体硅电池效率的技术原理晶体硅太阳电池作为一个光电能量的转换器件，对其性能的主要评价指标就是能量转换效率（Energy Conversion Efficiency，Eff），用输出电功率与入射光功率比值来表示。提高电池转换效率有两种方法：一是增加电池
27、对入射光的吸收，使单位入射光激发更多的电子空穴对；二是减少电子和空穴在电池内部的损失，使光产生的电能更多地输出到外部负载。图 1-6 是目前晶体硅太阳电池转换效率的世界纪录保持者，新南威尔士大学马丁格林实验组 1999 年研制的发射极钝化及背面局部扩散（Passivated Emitter, Rear Locally-diffused，PERL）晶体硅太阳电池 6-7，该电池的转换效率达到 24.7%，2009 年经过光谱修正后，该电池的效率被重新确定为 25%。Page 6中山大学硕士学位论文图 1-6 PERL（发射极钝化，背面局部扩散）电池结构图 6PERL 电池获得高转换效率的技术重点
28、包括：1 电池正面采用倒金字塔结构的陷光织构以及 MgF 2/ZnS 双层减反射膜，使更多入射光进入电池内部；2 背面采用热氧化硅介质膜+蒸镀金属形成良好的背面光反射器，使到达电池背面的光（主要是红外光）反射到电池内部，增加吸收率；3 采用高纯度、高少子寿命的 FZ（区熔）硅材料作为衬底，减少光生载流子在硅体内的复合损失；4 电池硅体双面采用热氧化硅介质层，具有优异的表面钝化效果，降低光生载流子表面复合速率；5 电池正面采用一次全面轻扩+电极区二次重扩的扩散方法，轻扩散区可以减少光生载流子的复合，重扩散 N+区可以减少与金属电极的接触电阻；6 电池正面采用蒸镀金属电极，一方面电极的宽度小，减少
29、对入射光的遮挡，一方面电极的电阻小，有利于提高输出电流；7 电池背面采用硼扩散形成局部的 P+重掺杂区，具有良好的局部背面场效应，提高了电池的输出电压，也减少了硅体与金属电极的接触电阻。目前大规模生产的晶体硅电池基本还是沿用 PERL 电池所采用的这些高效技术的原理来提高转换效率，但是限于制造成本，很多技术还不能应用到大规模生产，普通工艺晶体硅电池效率仅为 1619%，还有很大的提升空间。Page 7第一章 绪论其他主要的高效晶体硅电池技术还包括：1 美国 Sunpower 公司的全背面结电池 8，将 P-N 结及电极全部设置在电池背面，消除了正面电极对入射光的遮挡；2 日本 Sanyo 公司
30、的非晶硅异质结（heterojunction with intrinsic thin layer，HIT）电池 9，将非晶硅优异的吸光性能和钝化性能结合到高质量的 N 型晶体硅衬底上，提高了晶体硅电池的性能。这两种电池都可以达到 20%以上的量产效率，而且在 2008 年的产量均超过200MW，是目前市场上主要销售的高效电池。1.3 激光技术在太阳电池中的应用PERL 电池虽然实现了高转换效率，但是在制作工艺上步骤繁多、成本高昂，如大量采用光刻、蒸镀等工艺，产业化困难重重。因此目前对晶体硅太阳电池的研究更注重对产业的实际推动应用，具体来说，新技术应该满足下述要求：1 针对目前主流的电池工艺，新
31、技术的开发不仅要求能实现高的转换效率，也要求具有大规模量产的可能性；2 在经济上具有成本优势，能够降低每瓦电池的制造成本；3 减少工艺过程的能耗及危险化学品的使用，使电池制造更加绿色环保。在寻找新技术的探索中，激光技术很早就进入科研人员的视线，自上世纪六十年代激光器诞生之后，由于其自身具有单色性好、相干性好，方向性好和亮度高等特点，激光的应用层出不穷，成为新科技革命象征性的工具，极大地推动了科学研究和工业制造技术的发展 10-11。在材料加工领域，激光具有独特的精确快速加工能力，在半导体、冶金、机械、化工、制药等行业已经大规模应用，越来越受到重视。特别是激光在半导体制造领域的应用已经相当广泛，
32、技术也比较成熟，包括激光辅助沉积、激光退火、激光光刻、激光辅助掺杂等技术都对太阳电池领域的应用有着很好的借鉴作用 12。将激光加工技术应用于太阳电池的研究始于上世纪八十年代，并随着近期太阳电池的热潮逐步加快发展，一些技术已经投入生产，开始显现激光技术的巨大潜力。在太阳电池制作中，激光相当于一个能够精确控制处理区域和时间的能量Page 8中山大学硕士学位论文源，应用到电池制作的多个工艺过程中，主要类型包括：1 激光烧蚀，主要是利用激光束对电池材料做局部烧蚀，获得所需要的槽、孔、凹坑等微结构，以及去除电池表面局部膜层，例如激光刻边隔离 13、激光刻槽埋栅 14、激光制绒 15-16、激光钻孔 17
33、等；2 激光扩散，主要是利用激光束局部加热使硅体表面各种材料在熔融状态下实现扩散融合，这类型的具体技术包括激光掺杂形成选择性发射极 18和半导体指栅电极、激光烧结背点电极 19等。下文将对与本文相关的激光技术作具体介绍。1.3.1 激光刻槽隔离激光在太阳电池制造中较早用于电池边缘的刻边隔离。在太阳电池磷扩散制P-N 结时，磷原子在正表面、边缘和背面同时扩散，如果不切断边缘的扩散 N 型层，就会形成一个边缘旁漏通路，大大降低电池的输出功率。因此在完成扩散后，都要在正面边缘切断 N 型层，如图 1-7 所示。完成边缘刻蚀隔离有机械磨除法，化学湿法腐蚀法，等离子体桶式刻蚀法和激光切割法等 20，机械
34、法破坏大，化学法和等离子法虽然能得到较好的隔离，但是也有操作繁琐，碎片率高等缺点，正被非接触型、自动化高、无化学废物且成本低的激光边缘刻槽隔离处理（LaserEdge Isolation, LEI）逐渐取代。特别是当电池片厚度小于 250m，使用非接触的 LEI 可以大大减小处理过程的破损率，虽然在早期 LEI 处理的填充因子明显比较低（旁漏电阻太小），但经过不断优化激光工艺参数，2003 年德国 FraunhoferISE 实验室的对比实验表明，LEI 的处理结果已经接近传统等离子刻蚀法的水平21，目前欧洲很多电池公司都已经在生产线上采用激光刻边工艺。LEI 一般采用商用 Nd：YAG 脉冲
35、激光器刻槽，要求刻槽离电池片边缘200300m，深度要超过扩散层，为保证完全隔离，刻蚀深度一般大于 10 m，宽度小于 100m。激光刻边一般使用三倍频，波长为 355nm 的紫外光以连续脉冲刻划，因为硅材料对这个波长具有良好的吸收并且紫外光的光束（刻槽）宽度可以做到更细，同时如果激光的脉冲宽度能够从纳秒 (ns,10-9s) 压缩到皮秒(ps,10-12s),隔离的效果也会得到改善 22。但是激光脉冲造成的熔化和冲击波仍Page 9第一章 绪论会对材料造成一定机械应力和破坏，而且由于材料表面起伏，聚焦会有偏差 20。为了克服这些缺点，水喷射导引激光也被引入到刻边技术。图 1-7 太阳电池刻边
36、结构示意图 20水喷射激光刻蚀采用水柱导引激光，该技术最早由瑞士 Synova 公司发明，应用于医药和微电子行业 23。文献 20 中德国 Fraunhofer 太阳能系统研究所Daniel Kray 等人采用激光波长 1064nm，激光器出口聚焦进水柱，光束在水柱内反射前进，和水柱一起打到电池表面，在激光完成打孔刻槽的同时，水流完成冷却和带走残留物，同时激光的孔径由水柱直径决定，不会因电池表面起伏而变化，形成的开槽尺寸一致性较好。目前该技术的刻槽宽度还比较大，将采用更多的波长和更小的喷嘴以提高刻槽质量。如果将水换成化学溶液（如磷酸），水喷射激光还可以在刻槽的同时将磷扩散到刻槽表面的硅体中，这
37、一技术被称为激光化学处理（Laser Chemical Processing，LCP） 24,可以用来制作电极区重扩散的选择性发射极结构。图 1-8 干法激光刻边 21和水喷射激光刻边 20处理示意图Page 10中山大学硕士学位论文图 1-9 各种激光刻边处理结果的 SEM 图像 20（左：Nd：YAG 红外激光；中：水喷射激光；右：紫外激光）激光刻槽隔离不仅用于电池边缘，还可用于隔离电池表面的局部旁漏区 25。在电池的制造过程中，由于杂质聚集、电极烧穿或者机械损伤等，形成局部的旁漏区（Shunt Region），消耗了达到表面的光生电流，严重降低了整个电池的效率。文献25中新南威尔士大学光
38、伏中心 M. D. Abbott 等人利用光致发光图像定位旁漏区，然后用 Nd： YAG 激光刻槽将其与正常区域隔离。利用这项旁漏隔离技术，可以将因为强旁漏而效率只有 9.6%的电池提高到 13.3%的相对高效。这项技术应用在工业生产中可以提高电池的成品率，具有很好的经济效益。但这项技术与刻边不同的是，局部刻槽一般都会通过金属栅线，如果激光工艺没有做特定的的优化，熔化的电极金属同样会穿透 P-N 结区，在刻槽与金属栅线交点处会形成新的旁漏点，对电池的性能恢复效果有限。图 1-10 局部旁漏区在隔离前（ a）和激光刻槽隔离后（b）的光致发光图像 251.3.2 激光表面织构化作为一个光电能量转化
39、器件，太阳电池的性能与其吸收光的能力成正比。硅太阳电池的主要响应波段约在 4001150nm，硅片原始表面在工作波段区域内的Page 11第一章 绪论反射率约 30%，会严重降低了太阳电池的效率，所以表面织构（Texture）是高效电池一个必不可少的部分 ,同时高效能低费用的织构技术也是工业生产的一个重要目标 26-30。目前普遍应用的单晶硅电池通过选择适当的晶面取向如（100）面，采用碱性溶液（NaOH 或 KOH）各向异性化学腐蚀，可以在表面形成微米级金字塔形结构，入射光在其中多次反射，增加进入电池的几率，使表面反射率降到10%。不仅如此，表面织构还可以增加入射光线在电池表面层 P-N 结
40、区的传播路径，阻挡背面的反射光透射出电池，与表面减反射膜和背面反射层构成整体的陷光结构，增加对入射光的吸收几率。但是对目前主流的多晶硅电池，由于其表面晶粒取向不一致，无法采用单晶电池碱性溶液各向异性腐蚀制作金字塔形织构的简单方法。目前制作多晶硅电池表面织构的方法主要有机械刀片刻槽 31，酸性溶液各向同性腐蚀 17，32-33 ，反应离子刻蚀 34和激光刻蚀 26，35-37 。a b cd e f图 1-11 各种方法制作的多晶硅表面织构形貌显微图像，a-f 分别是无处理、碱液腐蚀，酸液腐蚀、反应离子刻蚀，带掩模的反应离子刻蚀 27和激光点刻蚀 26，f 是激光刻蚀后经化学溶液腐蚀去损伤和残留
41、处理的最后结果。实际测量的表面裸反射率（未加减反射膜及其他处理）比较，经各向同性酸液腐蚀后的表面反射率虽然比碱液好一些，但仍在 20%以上，反应离子刻蚀的反射率可以降到 1020%，带掩模的反应离子刻蚀的反射率降到 10%以下，而图 1-11f 所示的激光刻蚀点阵织构的最好效果可以将反射率降到 510%，在大部分工作Page 12中山大学硕士学位论文波段的反射率均低于带掩模的反应离子刻蚀结构。较早的激光制绒采用密集正交刻槽 35-37的方法形成类似金字塔形的结构，1989 年报道的表面激光织构（表面氧化层），激光刻槽埋栅多晶硅电池效率达到16.7%35，其激光刻槽深度约 40m，间隔约 70m
42、，交叉处深度约 6070m。所制作的结构与同样衬底制作的采用高费用双层减反膜的 PERC 电池获得同样的减反射效果，并且实验电池短路电流高于 PERC 电池。不过由于刻槽交叉处刻蚀过深，导致旁路电阻过小，并且激光刻槽引起的位错等缺陷在后续高温处理过程扩散等原因，使得开路电压和填充因子降低，整体效率比参考电池的 17.1%略低。2005 年新南威尔士大学光伏中心 Malcolm Abbott 等人采用了一种类似蜂窝形状的点刻蚀方案 26，单晶硅电池整个表面都被激光刻蚀形成的六边形锥孔（孔径 2030m）所覆盖，如图 1-11f 所示，并且发现表面反射率与锥孔的深度成反比，当深度为 50m 时，其
43、反射率已经低于采用反应离子刻蚀金字塔型结构的织构表面，而最终的电池效率为 18.4%（激光锥孔型）和 18.5%（金字塔型），可见这项蜂窝型激光织构技术已经在性能上达到了非常好的效果。激光制绒的优点在于其结构高宽比较大，吸光能力强，但激光引起的缺陷使得其电性能受到影响。在激光刻蚀后，为最大限度减少激光引起的破坏和晶体缺陷，一般采用 KOH（NaOH）和 HF:HNO3 两次浸泡去除残渣和损伤层，使缺陷不会在后续工艺中扩散。激光为多晶硅的表面减反射处理提供了有效的方法，2009 年日本三菱电机公司采用紫外激光在掩膜上开口再做化学腐蚀的方法制作多晶硅绒面 38，其采用大功率紫外激光及相位调制聚焦技
44、术，提高了激光的效率和处理速度。大幅提高了电池的光生电流，使 156mm*156mm 多晶硅电池效率达到 18.6%，同时将单片电池激光处理的时间缩短到秒级，成为目前量产效率最高的多晶硅电池。1.3.3 激光制作背面点电极点电极结构目前主要应用于背面电极，以点阵分布的重掺杂区和电极连接代替传统的全覆盖金属-硅接触电极 6，39-42 。发展点电极结构主要是应用背面介质钝化层，降低载流子表面复合，同时通过膜系设计增加背面反射率，提高陷光效率。Page 13第一章 绪论随着硅片电池的薄型化，背面钝化点电极结构的实用性更加突出。前文 1.2.3中介绍的单结单晶硅电池效率世界纪录保持者 PERL 电池
45、就是采用了点电极设计。如何穿透介质膜形成局部电极的良好接触是点电极结构的技术难点，最先采用光刻工艺在背面介质膜做局部开口，即氧化物掩模结合 KOH43或 HF 溶液腐蚀，虽然性能好，但是工艺繁琐费用高。随着激光工艺的日益成熟，采用激光烧蚀在电池介质钝化层（SiN X，SiO 2 等）制作局部开口成为制作点电极的一种主要方法42。由于 SiO2 层对紫外到红外波段的吸收率都很低，开口需要采用间接方法，即用脉冲激光照射目标点使 SiO2 层下的 Si 熔化发生爆裂，从而剥离上面的 SiO2层，这种方法会对硅层产生一定的损伤，需要优化设置激光参数。图 1-12 355nm 纳秒脉冲（左）和 532n
46、m 皮秒脉冲激光开口的光学显微图像 42早期采用的 1064nm 波长 Nd:YAG 脉冲激光器 44，由于硅和二氧化硅对这个波段吸收都很弱，所以打孔的精确性和稳定性较差，附带的破坏区域大，德国 PeterEngelhart 等人 对此作了改进尝试 42，通过采用三倍频（波长 355nm，脉宽 30ns）和二倍频的 Nd:YVO4 激光（波长 532nm，脉宽 10ps，峰值能量密度在 J/cm2 量级）作对比打孔试验，开口结果图像见图 1-12，明显看出皮秒脉冲开口整齐，损伤小。接触电阻密度测量结果显示皮秒激光处理的电阻密度与 HF 光刻开口结果相近，纳秒激光处理后的电阻密度比 HF 处理大
47、一个量级。发射极饱和电流密度测量结果显示皮秒激光的最佳值约是 HF 的两倍，而纳秒激光的电流密度值比 HF高一到两个数量级。可见通过采用短波长、短脉宽的激光脉冲，可以提高烧蚀的准确性并减少对硅体的破坏，使激光开口的处理水平接近光刻技术，而制作费用和复杂度大大减低。激光烧结电极（Laser Fired Contact, LFC）是制作背点电极的另一种方案，Page 14中山大学硕士学位论文与介质膜开口后制作金属层的方案相比更为简便，性能也有一定优势。激光烧结电极的程序是制作 SiNX、SiO 2 等钝化层后先在其上用蒸镀或印刷制作金属层，再用激光按照点电极的图案做局部烧结，使熔化的金属和硅层表面
48、形成合金作为点电极， LFC 技术在实验测试中表现出了很好的处理效果，具有很大的潜力 45-54。这一技术由德国 Fraunhofer 太阳能系统研究所开发，2002 年至今发表了多篇相关文章，并应用于该实验室的多种实验电池，采用 LFC 的电池已经达到 21.3% 的效率 46。开发这一技术主要是为配合背面电介质钝化层技术实现工业化生产，传统的全铝背面场虽然制作简便，但是钝化和反射性能均不太理想，且因为材料失配应力导致电池片的翘曲问题，在制造和使用中增加了电池碎裂的危险，在今天追求电池薄片化和高效化的趋势下已经落后。结合 SiNX、SiO 2 钝化层和金属/合金点电极的背面结构是一种很好的解
49、决方案。但 LFC 与原先的点电极激光开口不同，这里激光发挥了更重要的作用，直接完成了电极的制作，在烧结过程中伴随着铝的扩散，铝与硅体形成合金，形成一个 P+型区，对电极区钝化、降低串联电阻、提高电池输出电压都是有益的 45。图 1-13 激光烧结点电极的显微图像，直径约 80m，孔深约 2m45图 1-14 光刻工艺（左）和激光烧结工艺（右）制作点阵电极的程序对比图 45Page 15第一章 绪论Fraunhofer 实验室的 LFC45采用可调 Q 的 1064nm 波长 Nd:YAG 脉冲激光器，因为电极采用的蒸镀铝对这一波段有很好的吸收。通过光束快门控制每个电极所需的激光脉冲数。激光脉冲将熔化 2m 的铝层、约 100nm 的二氧化硅钝化层和其下的硅体表层，点电极间隔 1mm，表面区域直径 80-100m，其中钝化层的开口区域半径约 25m，。根据 Al-Si 相图，两者共熔的温度是 5770C，文献54观察观测 LFC 结构 SIMS
