激光摻雜設(shè)備在PERC太陽電池生產(chǎn)中的應(yīng)用

李少猛 趙愛爽 張黎靜 李朝 黃正業(yè)

摘 要：首先介紹了在太陽電池生產(chǎn)過程中激光設(shè)備的類型，闡述了激光摻雜工藝在PERC太陽電池生產(chǎn)過程中的重要作用，然后介紹了激光摻雜設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)，以及其光斑聚焦原理，提出了光斑異常解決方案，并分析了光路維護(hù)要求，提出了可保證了激光摻雜設(shè)備高效穩(wěn)定運(yùn)行的維護(hù)方法。隨著對激光設(shè)備的深度了解及太陽電池技術(shù)的進(jìn)一步升級，對激光設(shè)備的要求會(huì)更高，通過不斷的優(yōu)化，激光技術(shù)將在太陽電池產(chǎn)業(yè)化制造領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用和提升，激光設(shè)備也將更快地普及到更多領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：激光設(shè)備；激光摻雜；PERC太陽電池；選擇性發(fā)射極；激光發(fā)射器；光斑；光路

中圖分類號：TB43/TK514 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

隨著光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，激光設(shè)備屬于先進(jìn)的行業(yè)高精密設(shè)備，其已成為太陽電池加工工序中的重要組成部分，直接影響精密太陽電池的加工。在太陽電池生產(chǎn)中，激光設(shè)備主要應(yīng)用于電池邊緣鈍化、排列劃線、切割劃片、硅片標(biāo)記、薄膜燒蝕等。而在PERC太陽電池工藝中，主要應(yīng)用的激光設(shè)備為激光消融設(shè)備、激光摻雜設(shè)備和激光無損傷劃片設(shè)備等。

本文通過闡述激光摻雜工藝在PERC太陽電池生產(chǎn)中的重要作用、激光摻雜設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)、激光摻雜設(shè)備的光斑聚焦原理和光斑異常的解決方案，以及光路維護(hù)要求，對激光摻雜設(shè)備在PERC太陽電池生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1? PERC太陽電池生產(chǎn)中的3種主要激光設(shè)備

PERC太陽電池生產(chǎn)中的3種主要激光技術(shù)為激光消融技術(shù)、激光無損傷劃片技術(shù)和激光摻雜技術(shù)，所用激光設(shè)備為PERC太陽電池制作過程中的重要設(shè)備。

1）激光消融技術(shù)是利用激光在硅片的背面進(jìn)行打孔或開槽（下文簡稱為“激光刻槽”），將部分AlOx薄膜層與SiNx薄膜層打穿露出硅基體，背電場通過薄膜上的孔或槽與硅基體實(shí)現(xiàn)接觸，即要求激光設(shè)備具有較高能量密度的激光光束照射在被加工的材料表面，材料表面吸收激光能量，溫度升高、產(chǎn)生熔融、燒蝕、蒸發(fā)，從而達(dá)到去除表層的目的。激光消融設(shè)備是PERC太陽電池生產(chǎn)流程中不可缺少的關(guān)鍵性設(shè)備。

2）激光無損傷劃片技術(shù)又稱為激光熱應(yīng)力切割技術(shù)[1]，是利用激光局部照射產(chǎn)生不均勻的熱效應(yīng)，在受熱區(qū)產(chǎn)生一個(gè)不均勻的溫度場，使材料表面產(chǎn)生溫度梯度，誘發(fā)熱應(yīng)力產(chǎn)生。其中激光光斑處溫度高，為壓應(yīng)力狀態(tài)，激光光斑前后位置處于拉應(yīng)力狀態(tài)，由于脆性材料抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，就會(huì)使材料斷裂，裂紋會(huì)隨著激光的移動(dòng)軌跡穩(wěn)定擴(kuò)展。

3）激光摻雜技術(shù)是在原有PERC太陽電池基礎(chǔ)上的技術(shù)升級，即在金屬柵線（電極）與硅片接觸部分進(jìn)行重?fù)诫s，而電極以外位置保持輕摻雜（低濃度摻雜）。在激光刻槽過程中，通過激光局部熱效應(yīng)形成激光重?fù)诫s區(qū)n++層，n++層可以有效降低太陽電池背面的接觸復(fù)合速率，同時(shí)降低背面的硅鋁接觸電阻，從而提升太陽電池的開路電壓Voc和填充因子FF，最終提高PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

激光設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的功能很多，但工作原理大致相同，本文主要介紹激光摻雜設(shè)備。

2? PERC太陽電池的主要電性能影響因素

PERC太陽電池的主要電性能參數(shù)有短路電流Isc、開路電壓和填充因子，這3個(gè)參數(shù)都與PERC太陽電池的材料、幾何結(jié)構(gòu)和制備工藝密切相關(guān)。所有的高效太陽電池技術(shù)都是圍繞如何優(yōu)化并獲得更高的短路電流、開路電壓和填充因子而開展。

p-n節(jié)作為PERC太陽電池的核心部分，在擴(kuò)散時(shí)摻雜濃度的高低顯得尤為重要，而發(fā)射極摻雜濃度對太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響是雙重的。采用高濃度的摻雜，可以減小硅片和電極之間的接觸電阻，降低太陽電池的串聯(lián)電阻，但是摻雜濃度高會(huì)導(dǎo)致載流子復(fù)合變大，少子壽命降低，從而影響太陽電池的開路電壓和短路電流；采用低濃度的摻雜，可以降低表面復(fù)合濃度，提高少子壽命，但是必然會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增大，從而影響PERC太陽電池的串聯(lián)電阻。

為更好地解決上述問題，提出了選擇性發(fā)射極（selective emitter，SE）太陽電池的設(shè)計(jì)方案，即在金屬電極與硅片接觸的地方及其附近進(jìn)行高濃度摻雜和深擴(kuò)散，而在電極以外的其他地方進(jìn)行低濃度摻雜、淺擴(kuò)散。這樣既降低了硅片和電極的接觸電阻，又降低了表面復(fù)合濃度。SE結(jié)構(gòu)使PERC太陽電池具備串聯(lián)電阻低、填充因子高、表面鈍化效果好、短波光譜響應(yīng)佳等優(yōu)點(diǎn)，從而提升了PERC太陽電池的短路電流和開路電壓。

目前SE技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方法有氧化物掩膜法、絲網(wǎng)印刷硅墨水法、離子注入法和激光摻雜法等，其中使用激光摻雜法的工藝流程較為簡單，綜合的生產(chǎn)成本（包含設(shè)備和物料等方面）較低，為目前主流的SE制備方法。激光摻雜SE+PERC太陽電池的制備工藝流程如圖1所示。

SE+PERC太陽電池與常規(guī)PERC太陽電池的結(jié)構(gòu)對比示意圖如圖2所示，這兩類太陽電池的重要電性能參數(shù)對比如表1所示。表中：Eta為光電轉(zhuǎn)換效率。

通過圖2和表1的對比可以看出：使用SE技術(shù)能有效提高PERC太陽電池的開路電壓和短路電流；低方阻、重?fù)诫s區(qū)域降低了電極和硅片的接觸電阻，從而改善了PERC太陽電池的填充因子。

3? 激光摻雜設(shè)備的原理及結(jié)構(gòu)

激光摻雜設(shè)備的工作原理為：由激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)兩個(gè)反光鏡反射至擴(kuò)束鏡，對焦后光閘打開，激光經(jīng)過光闌濾光，再經(jīng)過兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)反光鏡組成的振鏡，控制激光按照設(shè)定好的圖像移動(dòng)，最后經(jīng)過場鏡，打刻到臺面的PERC太陽電池上，完成激光摻雜全過程[2]。激光摻雜設(shè)備的工作流程圖如圖3所示。

激光摻雜設(shè)備的主要部件和作用如下：

1）上下料接駁臺：主要用于承接PERC太陽電池的自動(dòng)上料和下料，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)對接功能。

2）觸摸屏：顯示操作界面，用于設(shè)備運(yùn)行顯示和操作。

3）激光發(fā)射器：通過激光模組傳輸信號，形成并發(fā)射激光。

4）反光鏡：把激光發(fā)射器發(fā)射出的激光反射到最佳位置。

5）光閘：激光打刻間隙時(shí)，光閘關(guān)閉，避免激光打到PERC太陽電池或臺面上造成影響。

6）擴(kuò)束鏡：通過擴(kuò)束鏡將初始激光的光束范圍變大，以滿足平行激光光束的要求。

7）整形鏡：對激光光束進(jìn)行整形，改變光束形狀，將入射光束整形為特定空間形狀的平行光束。

8）光闌：阻擋外圍光圈，只讓中間強(qiáng)光通過，改善光斑質(zhì)量。

9）振鏡：控制高精度馬達(dá)，使振鏡按照程序設(shè)定運(yùn)行，以保證激光按照設(shè)定圖形打刻到PERC太陽電池上。

10）場鏡：又名聚焦鏡，使分散的激光光束聚為焦點(diǎn)。

11）冷水機(jī)：激光運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生高溫，通過冷卻水的循環(huán)給激光發(fā)射器和振鏡等精密高溫元件降溫。

4? 激光摻雜設(shè)備的光斑聚焦原理和光斑異常的解決方案

光斑在整個(gè)激光工藝中有很重要的作用，光斑的大小和均勻性對整個(gè)激光摻雜效果有直接影響，光斑大小的主要影響點(diǎn)為焦深。激光發(fā)射器的功率和頻率會(huì)影響光斑的深度：功率過大，光斑太深，會(huì)造成漿料填充不好，進(jìn)而造成接觸電阻增大，引起PERC太陽電池的電致發(fā)光（EL）圖像點(diǎn)狀發(fā)黑；功率過低，光斑太淺，會(huì)造成鍍膜膜層無法打透，進(jìn)而引起PERC太陽電池的EL圖像點(diǎn)狀發(fā)黑。當(dāng)出現(xiàn)EL圖像點(diǎn)狀發(fā)黑時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)激光功率和頻率來解決。

而光斑的均勻性主要由光路的聚焦點(diǎn)位和調(diào)整精度來控制，場鏡的選型如式（1）所示。

式中：F為焦距；f為場鏡至設(shè)備臺面聚焦點(diǎn)的位置；D為平行激光光束的寬度，表示可以通過微調(diào)場鏡和設(shè)備臺面上硅片放置的高度差，以及平行激光光束的寬度來改變焦距。

場鏡的聚焦原理如圖4所示。通過整形鏡后的平行激光光束，經(jīng)過場鏡（凸透鏡）后進(jìn)行聚焦，根據(jù)式（1）得到場鏡的焦距；因一般光斑大小要求調(diào)節(jié)在95～105 ?m之間，因此需要通過微調(diào)整將激光光束的聚焦點(diǎn)調(diào)整至臺面上的PERC太陽電池偏上或偏下的位置，以保證最終的光斑尺寸[3]。

4.1? 光斑異常的解決方法

光斑異常是激光摻雜設(shè)備的常見故障之一[4]。常見的光斑異常為光斑大小異常，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證總結(jié)，光斑大小調(diào)節(jié)在95～105 ?m之間時(shí)摻雜效果最好。

當(dāng)出現(xiàn)光斑整體偏小或整體偏大時(shí)，直接調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡即可。光斑整體偏小時(shí)，先順時(shí)針小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)束鏡，打刻觀察光斑，如果順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)后光斑稍微變大，則繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)束鏡，直到光斑調(diào)節(jié)到合適大??；如果順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)后光斑變小，則反向轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)束鏡，打刻觀察，直到光斑調(diào)節(jié)到合適大小。當(dāng)光斑整體偏大時(shí)，和光斑偏小時(shí)的調(diào)節(jié)方法一樣。

而當(dāng)出現(xiàn)光斑局部偏小或局部偏大時(shí)，則需要改變激光焦點(diǎn)的位置。激光摻雜設(shè)備光斑調(diào)節(jié)的激光焦點(diǎn)狀態(tài)如圖5所示，激光焦點(diǎn)在PREC太陽電池豎直向上的合適位置和豎直向下的合

適位置時(shí)，都可以保證打刻在PREC太陽電池上的光斑大小在95 ?m左右。因此先大幅度調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡，使激光焦點(diǎn)在如圖5所示的2種位置狀態(tài)，再微調(diào)擴(kuò)束鏡，使光斑整體大小合適。

4.2? 振鏡卡到限位的調(diào)節(jié)方法

振鏡卡到限位會(huì)使激光光束無法反射到設(shè)備臺面上，造成PREC太陽電池不能被激光打刻。此時(shí)的調(diào)節(jié)方法為：關(guān)掉激光發(fā)射器，設(shè)備斷電，然后拆下場鏡；輕輕撥動(dòng)場鏡上方的振鏡鏡片，使其脫離極限位置，重新打開激光發(fā)射器，復(fù)位即可正常運(yùn)行。

光路[5]為激光摻雜設(shè)備的主要元件，通過精細(xì)調(diào)節(jié)光路來獲得所需的光斑效果。激光摻雜設(shè)備光路的工作示意圖如圖6所示[6]。

激光光束從激光發(fā)射器發(fā)射后，通過1對反光鏡、光閘、擴(kuò)束鏡、整形鏡、光闌、振鏡等光學(xué)元件后，由場鏡聚焦，然后射入PERC太陽電池表面，振鏡的異常會(huì)造成激光光束入射角變化，進(jìn)而會(huì)影響光斑的焦點(diǎn)位置，造成光斑偏移。

5? 光路維護(hù)要求

激光摻雜設(shè)備屬于精密設(shè)備，維護(hù)保養(yǎng)對激光設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性的作用。激光摻雜設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)主要分為3個(gè)方面：機(jī)臺內(nèi)部清理、光學(xué)配件拆卸清理和光路內(nèi)部清理。下文主要對光路的維護(hù)要求進(jìn)行介紹。

5.1? 光學(xué)配件的拆卸清理

主要涉及激光發(fā)射器、振鏡、整形鏡、擴(kuò)束鏡、光闌、反光鏡、場鏡等元件的清理。首先拆卸光路外殼蓋，將擴(kuò)束鏡、整形鏡、光闌的位置使用記號筆畫下后拆卸下來，然后拆卸第1個(gè)反光鏡位置的外殼，使用酒精布擦拭光路內(nèi)部及各光學(xué)元件。

5.2? 激光發(fā)射器窗口鏡的擦拭清理

打開激光發(fā)射器控制軟件，將功率逐步降低后關(guān)閉出光，使用手電筒查看激光發(fā)射器窗口鏡是否存在污垢及灰塵，使用吹氣球清理灰塵，若存在污垢則使用棉簽蘸取酒精擦拭。

5.3? 反光鏡的擦拭清理

使用吹氣球吹走反光鏡表面灰塵，佩戴手套，使用擦鏡紙輕輕按在鏡片表面，沿一個(gè)方向輕輕擦拭鏡面，直至鏡片表面無污漬及灰塵。

5.4? 擴(kuò)束鏡的擦拭清理

使用吹氣球吹走擴(kuò)束鏡表面灰塵，若存在污漬或灰塵，需佩戴手套使用擦鏡紙輕輕擦拭鏡片表面，擴(kuò)束鏡發(fā)射角鏡片的污漬可使用鑷子夾取擦鏡紙擦拭，需要注意力度，不可讓除擦鏡紙外的其他物體接觸鏡片，防止污染或鏡面被破壞。

5.5? 場鏡的擦拭清理

拆卸場鏡下方護(hù)罩，使用場鏡護(hù)蓋蓋好場鏡，順時(shí)針沿場鏡螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)取下場鏡，然后將取下來的場鏡移至潔凈區(qū)域；擦拭時(shí)用手指拿著擦鏡紙放置在場鏡中心，慢慢旋轉(zhuǎn)場鏡，直至擦完整個(gè)場鏡表面。需要注意的是，使用擦鏡紙時(shí)需佩戴手套，因?yàn)槿梭w表面的油脂和污垢會(huì)立即吸附在擦鏡紙表面。

6? 結(jié)論

在高效太陽電池生產(chǎn)過程中，激光摻雜工藝對太陽電池生產(chǎn)起著重要作用。本文詳細(xì)介紹了激光摻雜設(shè)備在PERC太陽電池生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，在闡述了激光摻雜設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)，以及其光斑聚焦原理的基礎(chǔ)上，有針對性地解決了激光摻雜設(shè)備使用過程中遇到的光斑異常問題，并分析了光路維護(hù)要求，提出了可保證激光摻雜設(shè)備高效穩(wěn)定運(yùn)行的維護(hù)方法。通過不斷的優(yōu)化，激光技術(shù)將在太陽電池產(chǎn)業(yè)化制造領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用和提升，激光設(shè)備也將更快地普及到更多領(lǐng)域。

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APPLICATION OF LASER DOPING EQUIPMENT IN THE PRODUCTION OF PERC SOLAR CELLS

Li Shaomeng，Zhao Aishuang，Zhang Lijing，Li Chao，Huang Zhengye

（Jingao Solar Energy Co.，Ltd.，Xingtai 055550，China）

Abstract：This paper first introduces the types of laser equipment in the production process of solar cells，expounds the important role of laser doping technology in the production process of PERC solar cells，then introduces the principle and structure of laser doping equipment，as well as its laser spot focusing principle，puts forward the solution to the abnormal laser spot，analyzes the requirements of optical path maintenance，and puts forward the maintenance methods that can ensure the efficient and stable operation of laser doping equipment. With the in-depth understanding of laser equipment and the further upgrading of solar cell technology，the requirements for laser equipment will be higher. Through continuous optimization，the laser technology will be better applied and improved in the field of solar cell industrialized manufacturing，and laser equipment will also be more widely used in more fields.

Keywords：laser equipment；laser doping；PERC solar cells；SE；laser transmitter；laser spot；light path