導讀
目前，晶矽太陽能電池是光伏市場中的主導產(chan) 品，其轉換效率最高達20%。在晶矽太陽能電池的製造過程中，激光器主要用於(yu) 晶圓切割和邊緣絕緣。
太陽電池簡介
太陽能電池，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體(ti) 薄片，又稱為(wei) “太陽能芯片”或“光電池”，它隻要被滿足一定照度條件的光照度，通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chan) 生電流。在物理學上稱為(wei) 太陽能光伏（Photovoltaic，縮寫(xie) 為(wei) PV），簡稱光伏。
太陽能電池分類：
矽太陽能電池工作原理
太陽光照在半導體(ti) P-N結上，形成新的空穴-電子對，在P-N結內(nei) 建電場的作用下，光生空穴流向P區，光生電子流向N區，接通電路後就產(chan) 生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。半導體(ti) 矽原子外層有4個(ge) 電子，按固定軌道繞原子核轉動。當受到外來能量作用時，這些電子會(hui) 脫離軌道成為(wei) 自由電子，並在原來位置形成一個(ge) “空穴”。如果矽中摻入硼，镓等元素，由於(yu) 這些元素可捕獲電子，就形成空穴半導體(ti) ，用P表示。如果摻入可以釋放電子的磷，砷元素，就形成電子型半導體(ti) ，用N表示。P型半導體(ti) 和N型半導體(ti) 結合，交界麵會(hui) 形成一個(ge) P-N結，形成P-N結內(nei) 電場，阻礙著電子和空穴的移動。 首先是P-N結附近的電子和空穴發生擴散運動：N型區域的電子向P型區域擴散，相對於(yu) P型區域的空穴向N型區域擴散。
在界麵層附近，由於(yu) 電子和空穴的遷移，就會(hui) 使N區域呈現正電性，而P區域呈現負電性，於(yu) 是形成一個(ge) 由N區域指向P區域的內(nei) 電場。
（三）光生伏特效應
太陽光照在半導體(ti) P-N結界麵層上，會(hui) 激發出新的空穴-電子對，在P-N結電場的作用下，在P-N結內(nei) 部空穴由N區流向P區，電子由P區流向N區，接通電路後就形成電流。我們(men) 把這種效應叫做“光生伏特效應”，也就是太陽能電池的工作原理，因此，太陽電池又稱為(wei) “光伏電池”。
單晶矽絨麵的製備是利用矽的各向異性腐蝕，在每平方厘米矽表麵形成幾百萬(wan) 個(ge) 四麵方錐體(ti) 即金字塔結構。由於(yu) 入射光在表麵的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉換效率。矽的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價(jia) 、濃度約為(wei) 1%的氫氧化鈉稀溶液來製備絨麵矽，腐蝕溫度為(wei) 70-85℃。為(wei) 了獲得均勻的絨麵，還應在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為(wei) 絡合劑，以加快矽的腐蝕。製備絨麵前，矽片須先進行初步表麵腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20～25μm，在腐蝕絨麵後，進行一般的化學清洗。
2.工序二：擴散製結：
矽片的單/雙麵液態源磷擴散，製作N型發射極區，以形成光電轉換的基本結構：PN結。POCl3 液態分子在N2 載氣的攜帶下進入爐管，在高溫下經過一係列化學反應磷原子被置換，並擴散進入矽片表麵，激活形成N型摻雜，與(yu) P型襯底形成PN結。主要的化學反應式如下：
POCl3+ O2 → P2O5 + Cl2； P2O5+ Si → SiO2 + P
由於(yu) 在擴散過程中，即使采用背靠背擴散，矽片的所有表麵包括邊緣都將不可避免地擴散。PN結的正麵所收集到的光生電子會(hui) 沿著邊緣擴散有磷的區域流到PN結的背麵，而造成短路。因此，必須對太陽能電池周邊的摻雜矽進行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結。通常采用等離子刻蝕技術完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態下，反應氣體(ti) CF4的母體(ti) 分子在射頻功率的激發下，產(chan) 生電離並形成等離子體(ti) 。等離子體(ti) 是由帶電的電子和離子組成，反應腔體(ti) 中的氣體(ti) 在電子的撞擊下，除了轉變成離子外，還能吸收能量並形成大量的活性基團。活性反應基團由於(yu) 擴散或者在電場作用下到達SiO2表麵，在那裏與(yu) 被刻蝕材料表麵發生化學反應，並形成揮發性的反應生成物脫離被刻蝕物質表麵，被真空係統抽出腔體(ti) 。
4.工序四：去除磷矽玻璃
該工藝用於(yu) 太陽能電池片生產(chan) 製造過程中，通過化學腐蝕法即把矽片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chan) 生化學反應生成可溶性的絡和物六氟矽酸，以去除擴散製結後在矽片表麵形成的一層磷矽玻璃。在擴散過程中，POCL3與(yu) O2反應生成P2O5澱積在矽片表麵。P2O5與(yu) Si反應又生成SiO2和磷原子，這樣就在矽片表麵形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為(wei) 磷矽玻璃。去磷矽玻璃的設備一般由本體(ti) 、清洗槽、伺服驅動係統、機械臂、電氣控製係統和自動配酸係統等部分組成，主要動力源有氫氟酸、氮氣、壓縮空氣、純水，熱排風和廢水。氫氟酸能夠溶解二氧化矽是因為(wei) 氫氟酸與(yu) 二氧化矽反應生成易揮發的四氟化矽氣體(ti) 。若氫氟酸過量，反應生成的四氟化矽會(hui) 進一步與(yu) 氫氟酸反應生成可溶性的絡和物六氟矽酸。
5.工序五：減反射膜製備
適合作為(wei) 抗反射層的材料，包括氧化鈦（TiO2）、氮化矽（SiNx）、一氧化矽（SiO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化銫（CeO2）等。抗反射層的塗布技術，以化學蒸鍍法（Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD）最普遍被工業(ye) 界采用。CVD法又可分為(wei) APCVD （Atomspheric Pressure CVD）、PECVD(Plasma Enhanced)及RPCVD(Reduced Pressure CVD)。在工業(ye) 界上，APCVD和PECVD被普遍采用。物理蒸鍍法雖也可被用來製造抗反射層，但普及率不高。PECVD法一般是被用來產(chan) 生氮化矽（SiNx）的抗反射層，在做法上，是在反應爐內(nei) 通入SiH4及NH3（或N2）氣體(ti) ，使它在矽晶表麵產(chan) 生一層非晶質結構的氮化矽（ SiNx ）抗反射層。在這抗反射層裏，會(hui) 含有將近40%原子比例的氫原子，所以雖然我們(men) 把非晶質結構的氮化矽化學式寫(xie) 成SiNx，但它實際上應該是a-SiNx:H。
用絲(si) 網印刷的方法，完成背場、背電極、正柵線電極的製作，以便引出產(chan) 生的光生電流。工藝原理：給矽片表麵印刷一定圖形的銀漿或鋁漿，通過燒結後形成歐姆接觸，使電流有效輸出；正麵電極用Ag金屬漿料，通常印成柵線狀，在實現良好接觸的同時使光線有較高的透過率；背麵通常用Al金屬漿料印滿整個(ge) 背麵，一是為(wei) 了克服由於(yu) 電池串聯而引起的電阻，二是減少背麵的複合；
背電極印刷及烘幹（銀漿或鋁漿）；背電場印刷及烘幹（鋁漿）；正麵電極印刷（銀漿）。完成網印的晶片，要置於(yu) 高溫爐內(nei) 進行燒結的過程，這目的在於(yu) 燒掉金屬膏裏的有機化合物，並使得金屬顆粒燒結在一起，形成好的導體(ti) ，同時也要借著高溫與(yu) 晶片表麵形成很好的接合，正麵的金屬膏是塗在ARC層上麵，而背麵的金屬膏是塗在N型矽上麵。在燒結過程，金屬膏內(nei) 的活性物質必須要穿透ARC層，而與(yu) N+發射極接觸。所以燒結的溫度與(yu) 時間是很重要的，過度的燒結會(hui) 使得銀原子穿透N+發射極而進入底部的P型基板。反之，不足的燒結程度，則會(hui) 導致過高的接觸電阻。
8.工序八：檢驗和分級
通過模擬太陽光脈衝(chong) 照射PV電池表麵產(chan) 生光電流，光電流流過模擬負載，在負載兩(liang) 端產(chan) 生電壓，負載裝置將采樣到的電流、電壓傳(chuan) 送給SCLoad計算,得到IV曲線及其它指標。SCLoad 根據測試結果，按照給定的分類規則分類。
太陽電池的電性能參數：
激光應用
激光器是生產(chan) 太陽能電池模塊的重要工具，特別是高性能超短脈衝(chong) 激光器，其能提供持續時間僅(jin) 幾個(ge) 皮秒的超短脈衝(chong) ，這不但能幫助製造商提高產(chan) 量，而且還能優(you) 化加工工藝。在針對解決(jue) 未來能源問題的討論中，光伏能源作為(wei) 一種可再生能源扮演著重要角色。技術進步是實現電能平價(jia) 消費的一個(ge) 至關(guan) 重要的前提條件，比如通過技術進步將光伏發電的成本降低到接近傳(chuan) 統能源的成本。
目前，晶矽太陽能電池是光伏市場中的主導產(chan) 品，其轉換效率最高達20%。在晶矽太陽能電池的製造過程中，激光器主要用於(yu) 晶圓切割和邊緣絕緣。
晶圓切割是半導體(ti) 芯片製造工藝流程中的一道必不可少的工序，在晶圓製造中屬後道工序。將做好芯片的整片晶圓按芯片大小分割成單一的芯片（晶粒），稱之為(wei) 晶圓切割。
激光屬於(yu) 無接觸式加工，不對晶圓產(chan) 生機械應力的作用，對晶圓損傷(shang) 較小。由於(yu) 激光在聚焦上的優(you) 點, 聚焦點可小到亞(ya) 微米數量級, 從(cong) 而對晶圓的微處理更具優(you) 越性, 可以進行小部件的加工; 即使在不高的脈衝(chong) 能量水平下, 也能得到較高的能量密度, 有效地進行材料加工。
①激光切割是非機械式的，屬於(yu) 非接觸式加工，可以避免出現芯片破碎和其它損壞現象。②激光切割采用的高光束質量的光纖激光器對芯片的電性影響較小，可以提供更高的切割成品率。③激光切割速度為(wei) 150mm/s，切割速度較快。④激光可以切割厚度較薄的晶圓，可以勝任不同厚度的晶圓切割。⑤激光可以切割一些較複雜的晶圓芯片，如六邊形管芯等。⑥激光切割不需要去離子水，不存在刀具磨損問題，並可連續24小時作業(ye) 。⑦激光具有很好的兼容性，對於(yu) 不同的晶圓片，激光切割具有更好的兼容性和通用性。
傳(chuan) 統切割方式和激光切割對比
聯盟單位迅鐳激光主營板材激光切割機、管材激光切割機、激光焊接機、半導體(ti) 、新能源電池、汽車配件等相關(guan) 係列產(chan) 品及其自動化配套設備。該公司的矽晶圓劃片機-FLD/UVLD采用先進的激光加工工藝，由激光器通過聚焦鏡聚焦的高能激光束，代替傳(chuan) 統的刀輪進行劃線，具有速度快、精度高、無耗材、無水加工等優(you) 勢。
矽晶圓切割機-FLC/UVLC，該設備采用先進的激光加工工藝，專(zhuan) 門針對異形(六邊形、圓形)矽襯底晶圓的切割、劃線、開槽的加工應用，迅鐳自主開發的雙視覺定位切割係統，有效解決(jue) 了異形晶圓無法切割的難題。
邊緣絕緣
目前在晶體(ti) 矽太陽能電池製造中應用最廣泛的激光工藝之一是激光邊緣絕緣處理。傳(chuan) 統工藝使用等離子處理邊緣絕緣，但用到的蝕刻化學品昂貴且對環境有害。激光邊緣絕緣化處理則更加環保且節能。太陽能電池製造過程中N型離子摻雜/擴散到P型矽基體(ti) 形成微米級的N型摻雜膜層，這個(ge) 膜層包圍了整個(ge) 晶圓片，從(cong) 而造成了電池前後兩(liang) 麵電極的分流，為(wei) 了避免分流就必須對電池邊緣進行絕緣化處理。典型的激光邊緣絕緣化處理是通過在盡可能靠近太陽能電池外緣的周圍進行刻劃溝槽來實現。為(wei) 了獲得最佳的絕緣效果，溝槽的深度必須大於(yu) 離子擴散層，典型的溝槽深度為(wei) 10-20um，寬度為(wei) 20-40um。納飛光電研發設計的355nm紫外納秒激光器波長短，脈寬窄（25ns左右），光束質量高（M2＜1.2），高峰值功率和高重複頻率（單脈衝(chong) -500kHz）能夠帶來高精度、均勻光滑的絕緣劃線。有了激光成型的凹槽，太陽能電池漏電流造成的能量損失大大降低。
未來激光技術有望在光伏製造過程中獲得更多應用空間，如晶矽太陽能電池鈍化層的選擇性燒蝕，具有高光束質量的超短脈衝(chong) 和高脈衝(chong) 能量的激光特別適合這類應用。目前，市場上隻有碟片式激光技術能夠滿足這個(ge) 標準。碟片激光器的輸出功率可調，能實現更高的生產(chan) 量，而且其輸出的超短脈衝(chong) 所擁有的卓越的光束質量，能顯著提高太陽能電池的轉換效率。激光技術已經在太陽能電池生產(chan) 中贏得了一席天地，並且其選擇性、非接觸式的加工工藝也已經超越了其他工藝。隨著太陽能電池生產(chan) 所麵臨(lin) 的成本壓力日趨增大，將會(hui) 促使高功率、高性能激光器在大規模生產(chan) 中被廣泛采用。
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