太陽能晶硅電池激光刻槽設(shè)備光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 磊，張運(yùn)海

(1.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所醫(yī)用光學(xué)室，江蘇 蘇州 215163)

(2.江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215163)

目前市場(chǎng)上的太陽能電池按照材料不同分為3類:晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和光電化學(xué)太陽能電池[1－2]。近年來，晶硅太陽能電池在提高效率和降低成本方面取得了較大的進(jìn)展，進(jìn)一步提高了它在光伏中的優(yōu)勢(shì)地位[3]。電池制備過程中，需要在晶硅電池片的表面刻出獨(dú)立的窄槽，每個(gè)窄槽對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的電池單元，然后將各電池單元串聯(lián)成一個(gè)太陽能電池組件。相比較絲網(wǎng)印刷和化學(xué)刻蝕等技術(shù)來說，刻槽后埋柵的電池具有接觸電阻小、電流收集效率高、光電轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)[4]。激光刻槽為非接觸式加工，因此無應(yīng)力產(chǎn)生，精度高，可精確刻畫出微米級(jí)的凹槽。激光刻槽設(shè)備是整個(gè)太陽能晶硅電池制備工藝中的重要設(shè)備。激光精密刻槽設(shè)備包括光、機(jī)、電、軟件及控制系統(tǒng)，本文著重從光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行闡述。

1 光路設(shè)計(jì)

光路設(shè)計(jì)如圖1所示，采用雙激光器的方式，單個(gè)激光器出射的激光經(jīng)過一級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后，進(jìn)入分光系統(tǒng)，采用5∶5分光棱鏡，分成兩路激光，兩路激光再由兩級(jí)擴(kuò)束機(jī)構(gòu)擴(kuò)束，進(jìn)入由振鏡和F－theta鏡組成的掃描聚焦系統(tǒng)。每個(gè)掃描聚焦系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)掃描工位(圖1中的1，2，3，4)，在每個(gè)工位上完成對(duì)晶硅太陽能電池的刻槽，要求刻線寬度30～50μm，刻線深度滿足工藝要求。激光器選用波長(zhǎng)532nm的短脈沖激光器，性能參數(shù)如下:單路激光功率為13W，光斑直徑為0.9mm，發(fā)散角為5mrad，脈沖不穩(wěn)定性﹤50μrad。

圖1 光學(xué)布局示意圖

2 掃描聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掃描系統(tǒng)由振鏡及F－theta鏡組成。振鏡核心為XY掃描鏡。將激光束入射到兩反射鏡上，控制反射鏡的反射角度，這兩個(gè)反射鏡可分別沿X，Y軸掃描，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，再通過F-theta鏡將掃描光束聚焦在太陽能晶硅電池的平面進(jìn)行刻槽。

2.1 振鏡及F－theta鏡光學(xué)參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)晶硅太陽能電池的尺寸分為6英寸、6.5英寸、8英寸等。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是可以刻畫各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的晶硅太陽能片。以8英寸晶硅電池片的尺寸204mm為需求尺寸，由此尺寸可選出F-theta鏡最小有效掃描直徑，確定掃描振鏡的型號(hào)。振鏡采用Jenoptik公司的Raylase SS20，通光口徑20mm，與F－theta鏡配合使用。而激光出射光斑直徑為0.9mm，因此需要對(duì)激光擴(kuò)束，為此設(shè)計(jì)了兩級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)。

2.2 振鏡、F－theta鏡布局方式

系統(tǒng)工作時(shí)振鏡處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，F(xiàn)-theta鏡鏡面法線向下垂直安放，F(xiàn)-theta鏡通過中間轉(zhuǎn)接件與振鏡組件相連，振鏡及F-theta鏡座的強(qiáng)度及剛度影響整個(gè)組件的光學(xué)性能，側(cè)壁受振鏡和F-theta鏡重力影響，要求使用的材料強(qiáng)度高、剛度大。如圖2所示，整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)共有4組振鏡及F-theta鏡組件，成半圓形同心分布，對(duì)應(yīng)了光刻加工的4個(gè)不同工位，相隔夾角為60°，4組振鏡及F-theta鏡組件擺放緊湊，空間布局合理。振鏡及F-theta鏡組件通過連接件與下面的大理石臺(tái)面連接固定，用以消除或減弱各種震動(dòng)帶來的影響。

圖2 同心60°等角分布的4組振鏡及F－theta鏡組件

2.3 兩級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)

激光一級(jí)擴(kuò)束器的設(shè)計(jì)采用倒置的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其高斯光束通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的分布如圖3所示。此時(shí)系統(tǒng)的擴(kuò)束比

式中:w0為入射光束束腰光斑半徑;w'0為出射光束束腰光斑半徑。

圖3 通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)的高斯光束分布圖

本系統(tǒng)中，振鏡要求入射光束直徑為20mm，激光實(shí)際出射直徑為0.9mm。通過分析出射光束和入射光束大小，將一級(jí)擴(kuò)束比定為3倍。具體采用伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)形式[5]，如圖4所示，即正負(fù)透鏡組合的方式。由于系統(tǒng)對(duì)像質(zhì)要求不苛刻，所以采用一正一負(fù)的單透鏡組合，如果采用普通玻璃，會(huì)使折射率產(chǎn)生溫漂，因此采用熱膨脹系數(shù)低的熔石英。

圖4 一級(jí)擴(kuò)束光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

二級(jí)擴(kuò)束為Jenoptik公司針對(duì)532nm生產(chǎn)的Beam_Expander_2x－10x。二級(jí)擴(kuò)束采用的倍率為7.4倍左右。實(shí)際工作情況下，擴(kuò)束機(jī)構(gòu)在達(dá)到特定倍率后固定，避免因?yàn)檎饎?dòng)而出現(xiàn)前后移動(dòng)導(dǎo)致光束光斑大小發(fā)生變化，或者引起后焦點(diǎn)漂移。在刻槽工藝流程中，需要對(duì)經(jīng)過F－theta鏡的焦點(diǎn)不斷微調(diào)，用來控制刻槽的深度和寬度，所有的調(diào)校需要在二級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)上完成。為了能高精度、安全地完成這些精調(diào)焦工作，設(shè)計(jì)了擴(kuò)束自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。

擴(kuò)束鏡的鏡筒移動(dòng)及讀數(shù)方式與帶讀數(shù)鼓輪的絲桿機(jī)構(gòu)相同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直徑為50mm的鼓輪，手能感覺到的最小轉(zhuǎn)角(擴(kuò)束鏡移動(dòng)鏡筒外徑為50mm)為0.5°～1.0°。機(jī)構(gòu)可以達(dá)到的最小位移為

式中:n為螺紋頭數(shù)，通常在精密讀數(shù)機(jī)構(gòu)中n=1;P 為螺距，mm;φmin=0.5°～1.0°，為手能感覺到的鼓輪最小轉(zhuǎn)角。

如上所述，擴(kuò)束鏡機(jī)構(gòu)中:n=1，P=0.5mm，φmin=0.5°。按式(1)可求得:

這樣可得知對(duì)于擴(kuò)束鏡鏡筒(螺距 P=0.5mm)機(jī)構(gòu)最小位移值為0.0007mm，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定焦點(diǎn)的變化，可知此時(shí)的擴(kuò)束鏡能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求的調(diào)焦精度。

為了保證在手動(dòng)調(diào)節(jié)精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)焦，需選用合適的傳動(dòng)方式和電機(jī)型號(hào)。擴(kuò)束鏡鏡筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)力矩應(yīng)大于最小擰緊力矩Tmin。鏡筒移動(dòng)時(shí)，受到的阻力有3種:螺旋副之間的摩擦力矩T1，鏡筒上鍵槽與防轉(zhuǎn)螺釘?shù)哪Σ亮1、鏡筒與擴(kuò)束鏡固定軸套間的滾動(dòng)摩擦力F2(經(jīng)驗(yàn)值約為10N)。根據(jù)能量守恒定理，有:

式中:s為傳動(dòng)螺紋的螺距，實(shí)際值為0.5mm;f為鍵槽與防轉(zhuǎn)阻尼的摩擦系數(shù)，約為0.1;d1為擴(kuò)束鏡移動(dòng)鏡筒外徑，取值50mm;d2為傳動(dòng)螺紋中徑，取值50mm;φ為傳動(dòng)螺紋的螺紋升角，φ=arctan(s/πd2)=0.18°;φv為傳動(dòng)螺紋副的當(dāng)量摩擦角，約為 9°。

由式 (2)、(3)、(4)可得 Tmin=1.6N·m，并以此為依據(jù)選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。綜合考慮尺寸和性價(jià)比，系統(tǒng)選用43尺寸、200分步進(jìn)電機(jī)。

200分步進(jìn)電機(jī)一步轉(zhuǎn)角為360/200=1.8°，達(dá)不到最小細(xì)分0.5°的要求，做同步帶輪設(shè)計(jì)，傳動(dòng)比 i1/i2=1.8/0.5=3.6。圖5所示為二級(jí)擴(kuò)束自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。

圖5 可變擴(kuò)束自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)

采用上述可變擴(kuò)束自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，將可變擴(kuò)束鏡與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同步帶輪，帶動(dòng)擴(kuò)束鏡后轉(zhuǎn)動(dòng)套筒內(nèi)部鏡片的相對(duì)精密位移，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光光束的調(diào)節(jié)控制。通過判斷在晶硅電池片上的刻槽寬度及深度，可計(jì)算需要修改的光斑直徑大小或焦點(diǎn)，并能夠在不同工藝要求下精確改變擴(kuò)束倍率。

3 支撐結(jié)構(gòu)及工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)

考慮到熱穩(wěn)定性以及熱變形的影響，光學(xué)基準(zhǔn)不采用金屬基板，優(yōu)先使用大理石平板，整個(gè)光機(jī)結(jié)構(gòu)坐落在大理石平臺(tái)上，如圖6所示。采用大理石還具有一定的減震吸震效果，且形狀穩(wěn)定，不像金屬材料存在因應(yīng)力釋放而變形的問題;大理石平臺(tái)安裝在支架上，之間加入柔性阻尼隔件，用以減少震動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面的影響。

圖6 支撐及工位臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六分位工件臺(tái)，采用伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制。旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)倒置在大理石臺(tái)面下，它的6個(gè)工位按60°角均分，與大理石臺(tái)面上的4等分均布的掃描振鏡組件一一對(duì)應(yīng)。圖7為工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)示意圖，工作時(shí)，4個(gè)工位的晶硅電池片處于工作位置，預(yù)留2個(gè)工位用來上下料，通過軟件控制激光光刻的順序。

圖7 六工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用激光對(duì)多晶硅片進(jìn)行劃切，不僅劃切速度快，還可以得到更窄的刻槽寬度，提高了硅片利用率。實(shí)驗(yàn)對(duì)多晶硅片進(jìn)行了劃切，工藝參數(shù)要求為:主柵2條，線寬 1.6mm，深 30μm;副柵 40條，線寬25～30μm，深30μm。

晶硅劃線的刻槽類型不同，要求的工藝參數(shù)也有所區(qū)別，需要采用不同的劃切方法來滿足工藝需求。F-theta鏡的性能參數(shù)確定了本系統(tǒng)聚焦光斑直徑大小在φ 12μm左右，主柵線寬遠(yuǎn)超過了聚焦光斑的直徑，工藝上采取了多次并行劃切的方法使主柵寬度達(dá)到要求。激光功率分光后約6.5W，劃切速度在300mm/s附近時(shí)，能達(dá)到劃切要求;副柵的深度要求較小，要達(dá)到比較淺的刻槽深度主要通過采用加快劃切速度或減小激光功率實(shí)現(xiàn)，考慮到激光功率抑制的響應(yīng)較慢，實(shí)驗(yàn)采用加快劃切速度的方法。實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)劃切速度增加到600mm/s時(shí)，刻槽深度為30μm。圖8所示為激光在多晶硅電池片上的刻槽效果。

圖8 多晶硅加工效果圖

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)裝置布局緊湊，光機(jī)設(shè)計(jì)合理，激光能量利用率高。擴(kuò)束自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用，提高了刻槽工藝的精度和操作的安全性，在156mm×156mm的多晶硅片上進(jìn)行刻線試驗(yàn)，副柵刻線寬度精度1μm，刻線深度精度3μm，滿足生產(chǎn)實(shí)際要求，可推廣應(yīng)用于太陽能光刻領(lǐng)域。

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