刻蝕設(shè)備在太陽(yáng)能晶硅電池刻蝕工藝中的應(yīng)用

楊 金 ，郭 進(jìn) ，魏 唯 ，萬(wàn)喜新 ，李 佳

(1.中國(guó)電子科技科技集團(tuán)公司第四十八研究所；湖南長(zhǎng)沙 410111；2.湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410205；3.國(guó)家光伏裝備技術(shù)工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410205)

在晶體硅太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程中，邊緣刻蝕作為生產(chǎn)工藝的重要一環(huán)，其質(zhì)量的好壞直接影響著太陽(yáng)能電池片質(zhì)量的好壞。當(dāng)前，電池片的刻蝕主要采用的工藝有：等離子體刻蝕、化學(xué)腐蝕刻蝕和利用激光劃線刻蝕。這3種工藝中，激光劃線刻蝕具有電池片合格率高、自動(dòng)化程度高，無(wú)需消耗昂貴的特種氣體和化學(xué)藥品、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為太陽(yáng)能電池制造工藝的發(fā)展趨勢(shì)[1]。本文著重探討激光邊緣刻蝕機(jī)的工作原理與應(yīng)用試驗(yàn)效果，及與傳統(tǒng)等離子刻蝕機(jī)的對(duì)比情況。

1 工藝及設(shè)備原理

等離子體和激光邊緣刻蝕在整個(gè)晶體硅太陽(yáng)能電池片的生產(chǎn)工藝流程中的位置如圖1所示，等離子體刻蝕一般處于擴(kuò)散工藝之后，而激光邊緣刻蝕處于燒結(jié)工藝后面。

圖1 兩種刻蝕方法在生產(chǎn)工藝流程中的位置

傳統(tǒng)的等離子體刻蝕設(shè)備主要是采用ICP技術(shù)，配備RF電源組成的反應(yīng)系統(tǒng)及干式真空泵排氣系統(tǒng)等[2]，其設(shè)備原理如圖2所示，工作時(shí)先將硅片“疊硬幣”式裝入刻蝕夾具，然后放入反應(yīng)室中，硅片在全氟化物（PFC）活性等離子混合氣體中旋轉(zhuǎn)，氟離子與電池片側(cè)面的硅原子反應(yīng)，以去除暴露在邊緣的材料（pn結(jié)），達(dá)到正背面絕緣目的，同時(shí)產(chǎn)生氟化硅氣體，然后通過(guò)廢氣系統(tǒng)排出。

圖2 等離子刻蝕設(shè)備原理圖

激光精密微細(xì)加工技術(shù)隨著自動(dòng)化程度的提高和激光器類(lèi)型的發(fā)展應(yīng)用越來(lái)越成熟，激光技術(shù)已越來(lái)越廣泛地使用到太陽(yáng)能電池的埋柵刻槽、打孔、劃片等工藝中。在太陽(yáng)能硅片電池劃片工藝的應(yīng)用中使用激光器的選型此前已做了很多試驗(yàn)工作，Schoonderbeek[3]對(duì)單晶硅激光劃線進(jìn)行了綜合分析，對(duì)紅外（1 060～1 070 nm）、綠色（532 nm）和紫外（355 nm）激光照射（納秒脈沖寬度）前后的表面載流子壽命進(jìn)行了測(cè)量，表明單晶硅中紫外和綠色短波具有明顯吸收長(zhǎng)度；Acciarri[4]繼續(xù)這一邊緣刻蝕研究：短波長(zhǎng)的激光（如532 nm）與紅外（1 060 nm）激光相比具有較小的熱影響區(qū)，傳統(tǒng)的1 060 nm激光會(huì)產(chǎn)生微裂紋。鑒于硅片激光加工技術(shù)對(duì)于短波激光的偏愛(ài)，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程中安全要素等綜合情況，設(shè)備選用532 nm激光器，其設(shè)備及工藝原理如圖3、圖4所示。

太陽(yáng)能電池片通過(guò)CCD光學(xué)定位，調(diào)整電池片到適當(dāng)位置，激光光束通過(guò)振鏡掃描然后聚焦，在硅片表面形成一道具有一定深度的封閉刻痕，從而達(dá)到電池片正面與背面絕緣的目的。

圖3 激光刻線設(shè)備原理圖

圖4 激光邊緣刻線刻蝕工藝原理圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論分析

激光邊緣刻蝕是一種“防止效率損失”的工藝，也就是說(shuō)該工藝本身不能夠增強(qiáng)電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，只能最大程度地減少工藝過(guò)程帶來(lái)的效率損失[5]。（下面對(duì)激光劃線和等離子刻蝕對(duì)硅片電池效率損失的差異做了分析，該分析是根據(jù)激光光斑，定位精度，硅片尺寸公差等因素綜合得出的。）因此，我們?cè)谕粭l生產(chǎn)線中抽取一批電池片，同時(shí)分為兩組，這兩組電池片有同樣的除邊緣刻蝕外的其他工藝過(guò)程，包括制絨、擴(kuò)散、去PSG、絲網(wǎng)印刷、PECVD、燒結(jié)等。

通常太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程中，需在電池的正面擴(kuò)散進(jìn)了磷原子，但同時(shí)電池的側(cè)面也擴(kuò)散進(jìn)了磷原子，擴(kuò)散層的厚度約為0.5 μm。傳統(tǒng)的等離子刻蝕采用使四氟化碳電離的方法放出氟離子，氟離子與電池片側(cè)面的硅原子反應(yīng)，產(chǎn)生氟化硅氣體，刻蝕層的厚度為2～30.5 μm，而使側(cè)面的擴(kuò)散層去掉。在刻蝕的過(guò)程中，由于正表面的邊緣也暴露在等離子氣體中，使正表面邊緣的擴(kuò)散層也被去除，通常電池邊緣1 mm處的擴(kuò)散層被去除掉，導(dǎo)致這些位置產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)不能有效地分離，減少太陽(yáng)能電池的有效面積，從而降低電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。見(jiàn)圖5。

新型的激光劃片機(jī)采用激光在電池片的邊緣劃一道槽的方法來(lái)使電池的正面與背面絕緣，通常在電池正面距邊緣0.2～0.3 mm處劃一道深度為20～300.5 μm，寬度為 30～400.5 μm 的 V型槽，相對(duì)于等離子刻蝕電池表面，太陽(yáng)能電池邊緣的有效面積損失減小，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。見(jiàn)圖6。

圖5 等離子體刻蝕前后電池片邊緣截面

圖6 激光劃片刻蝕前后電池片邊緣截面

假設(shè)以激光劃片機(jī)使電池片邊緣有效面積外擴(kuò)0.2 mm計(jì)算，125 mm×125 mm電池片能增加有效面積10 mm2，增加短路電流37 mA，增加光電轉(zhuǎn)換效率0.12%。

3 工藝試驗(yàn)對(duì)比及分析

激光劃線后電池片的刻槽微觀形貌特性和等離子刻蝕后表面形貌特征在電子顯微鏡如圖7所示，電池邊緣形成一道寬約30 μm，深約25 μm的刻痕，并且刻痕軌跡清晰，連續(xù)無(wú)間斷。等離子刻蝕后周邊邊緣形成一圈寬度約1.5 mm的刻蝕帶，刻蝕寬度層色澤較淺，且寬度較為一致（見(jiàn)圖 8）。

圖7 顯微鏡下刻痕表面形貌

圖8 等離子刻蝕后表面形貌

在絲網(wǎng)印刷及燒結(jié)工藝后，通過(guò)激光正面刻線后單晶硅片電池（10片平均值）各測(cè)試參數(shù)，我們對(duì)比刻蝕前后各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表1 激光刻線前后全參數(shù)對(duì)比表

如表1所示，電池片漏電流和并聯(lián)電阻值均大大提升，試驗(yàn)表明，激光邊緣刻線具備優(yōu)良的阻斷電池正背面pn結(jié)，切斷正背面電極的聯(lián)通，達(dá)到真正地絕緣效果，有效地提高電池的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，我們分別采用等離子刻蝕設(shè)備進(jìn)行了另一批（20片）單晶硅電池片工藝試驗(yàn)，將兩組不同工藝方法下的最終電池片測(cè)試參數(shù)對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

如表2所示，激光劃片刻蝕相對(duì)等離子刻蝕并聯(lián)電阻增大156.4 Ω，漏電流減小0.15 A，短路電流提高30 mA，效率提高0.17%。由此試驗(yàn)表明，激光劃線具有優(yōu)于等離子體刻蝕的絕緣效果，同時(shí)能提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

表2 激光劃線與等離子體刻蝕電池效率的對(duì)比

4 結(jié) 論

激光邊緣刻蝕具備優(yōu)于傳統(tǒng)等離子刻蝕的絕緣效果，隨著自動(dòng)化和定位精度的進(jìn)一步提高，激光邊緣刻蝕具備有效發(fā)電面積損失小，是電池效率提升的下一步目標(biāo)。目前，大多生產(chǎn)線的邊緣刻蝕工藝方法采用等離子刻蝕，激光邊緣刻蝕具備獨(dú)有的太陽(yáng)能制造優(yōu)勢(shì)[1]和顯著的投資回報(bào)[6]，環(huán)境污染小，將成為刻蝕工藝的主要設(shè)備。這一優(yōu)勢(shì)也將推動(dòng)供應(yīng)鏈，使邊激光緣刻線成為邊緣刻蝕的主要方法。

致謝：感謝參與激光邊緣劃線刻蝕機(jī)研發(fā)和設(shè)計(jì)的成員王慧勇等，他們的努力和不斷對(duì)設(shè)備的改進(jìn)使本課題能夠得以順利進(jìn)展。

[1] S.Roth，in solar Industry，December 2008，pp26-27.

[2] 陳特超，謝麗華.太陽(yáng)能電池線中的新型等離子體刻蝕機(jī)的研制[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2010，39(8)：40-44.

[3] A.Schoonerderbeek et al，in proceedings of 69th laser materials Processing Conference，pp，85-90，2007&References therein.

[4] M.Acciarri et al，at 23rd European PVSEV，Valencia，2008.

[5] E.Schneiderlochner，at Conference on PhAST San Jose，2008.

[6] J.Rentsch et al，in Conference Record of the 31st IEEE PVSC，pp931-934，2005，&References therein.