太陽能晶硅電池激光刻槽設(shè)備光機系統(tǒng)設(shè)計

朱 磊，張運海

(1.中國科學(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)重點實驗室，江蘇 蘇州 215163)

目前市場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展，進一步提高了它在光伏中的優(yōu)勢地位[3]。電池制備過程中，需要在晶硅電池片的表面刻出獨立的窄槽，每個窄槽對應(yīng)一個獨立的電池單元，然后將各電池單元串聯(lián)成一個太陽能電池組件。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[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的凹槽。激光刻槽設(shè)備是整個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、電、軟件及控制系統(tǒng)，本文著重從光機系統(tǒng)設(shè)計方面進行闡述。

1 光路設(shè)計

光路設(shè)計如圖1所示，采用雙激光器的方式，單個激光器出射的激光經(jīng)過一級擴束系統(tǒng)擴束后，進入分光系統(tǒng)，采用5∶5分光棱鏡，分成兩路激光，兩路激光再由兩級擴束機構(gòu)擴束，進入由振鏡和F－theta鏡組成的掃描聚焦系統(tǒng)。每個掃描聚焦系統(tǒng)對應(yīng)一個掃描工位(圖1中的1，2，3，4)，在每個工位上完成對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

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。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，因此需要對激光擴束，為此設(shè)計了兩級擴束系統(tǒng)。

2.2 振鏡、F－theta鏡布局方式

系統(tǒng)工作時振鏡處于高速轉(zhuǎn)動狀態(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鏡座的強度及剛度影響整個組件的光學(xué)性能，側(cè)壁受振鏡和F-theta鏡重力影響，要求使用的材料強度高、剛度大。如圖2所示，整個光機系統(tǒng)共有4組振鏡及F-theta鏡組件，成半圓形同心分布，對應(yīng)了光刻加工的4個不同工位，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面連接固定，用以消除或減弱各種震動帶來的影響。

圖2 同心60°等角分布的4組振鏡及F－theta鏡組件

2.3 兩級擴束系統(tǒng)

激光一級擴束器的設(shè)計采用倒置的望遠(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。此時系統(tǒng)的擴束比

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，將一級擴束比定為3倍。具體采用伽利略望遠(yuǎn)鏡設(shè)計形式[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 一級擴束光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

二級擴束為Jenoptik公司針對532nm生產(chǎn)的Beam_Expander_2x－10x。二級擴束采用的倍率為7.4倍左右。實際工作情況下，擴束機構(gòu)在達(dá)到特定倍率后固定，避免因為震動而出現(xiàn)前后移動導(dǎo)致光束光斑大小發(fā)生變化，或者引起后焦點漂移。在刻槽工藝流程中，需要對經(jīng)過F－theta鏡的焦點不斷微調(diào)，用來控制刻槽的深度和寬度，所有的調(diào)校需要在二級擴束系統(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)計了擴束自動調(diào)焦機構(gòu)。

擴束鏡的鏡筒移動及讀數(shù)方式與帶讀數(shù)鼓輪的絲桿機構(gòu)相同，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，直徑為50mm的鼓輪，手能感覺到的最小轉(zhuǎn)角(擴束鏡移動鏡筒外徑為50mm)為0.5°～1.0°。機構(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，擴束鏡機構(gòu)中:n=1，P=0.5mm，φmin=0.5°。按式(1)可求得:

這樣可得知對于擴束鏡鏡筒(螺距 P=0.5mm)機構(gòu)最小位移值為0.0007mm，通過實驗測定焦點的變化，可知此時的擴束鏡能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求的調(diào)焦精度。

為了保證在手動調(diào)節(jié)精度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動化調(diào)焦，需選用合適的傳動方式和電機型號。擴束鏡鏡筒轉(zhuǎn)動時，調(diào)節(jié)力矩應(yīng)大于最小擰緊力矩Tmin。鏡筒移動時，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、鏡筒與擴束鏡固定軸套間的滾動摩擦力F2(經(jīng)驗值約為10N)。根據(jù)能量守恒定理，有:

式中:s為傳動螺紋的螺距，實際值為0.5mm;f為鍵槽與防轉(zhuǎn)阻尼的摩擦系數(shù)，約為0.1;d1為擴束鏡移動鏡筒外徑，取值50mm;d2為傳動螺紋中徑，取值50mm;φ為傳動螺紋的螺紋升角，φ=arctan(s/πd2)=0.18°;φv為傳動螺紋副的當(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)選擇步進電機型號。綜合考慮尺寸和性價比，系統(tǒng)選用43尺寸、200分步進電機。

200分步進電機一步轉(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，傳動比 i1/i2=1.8/0.5=3.6。圖5所示為二級擴束自動調(diào)焦機構(gòu)。

圖5 可變擴束自動調(diào)焦機構(gòu)

采用上述可變擴束自動調(diào)焦機構(gòu)，將可變擴束鏡與傳動機構(gòu)相結(jié)合，通過電機轉(zhuǎn)動同步帶輪，帶動擴束鏡后轉(zhuǎn)動套筒內(nèi)部鏡片的相對精密位移，實現(xiàn)了對激光光束的調(diào)節(jié)控制。通過判斷在晶硅電池片上的刻槽寬度及深度，可計算需要修改的光斑直徑大小或焦點，并能夠在不同工藝要求下精確改變擴束倍率。

3 支撐結(jié)構(gòu)及工位旋轉(zhuǎn)臺

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，整個光機結(jié)構(gòu)坐落在大理石平臺上，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;大理石平臺安裝在支架上，之間加入柔性阻尼隔件，用以減少震動對工作臺面的影響。

圖6 支撐及工位臺結(jié)構(gòu)圖

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

圖7 六工位旋轉(zhuǎn)臺機構(gòu)

4 實驗結(jié)果

采用激光對多晶硅片進行劃切，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。實驗對多晶硅片進行了劃切，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，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現(xiàn)，考慮到激光功率抑制的響應(yīng)較慢，實驗采用加快劃切速度的方法。實際應(yīng)用中當(dāng)劃切速度增加到600mm/s時，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，光機設(shè)計合理，激光能量利用率高。擴束自動調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計使用，提高了刻槽工藝的精度和操作的安全性，在156mm×156mm的多晶硅片上進行刻線試驗，副柵刻線寬度精度1μm，刻線深度精度3μm，滿足生產(chǎn)實際要求，可推廣應(yīng)用于太陽能光刻領(lǐng)域。

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