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用于太阳能电池的高速激光钻孔

导读: 工业激光器已广泛应用于薄膜太阳能电池的制造中,通常用在刻划和除边工艺中。工业激光器的普遍使用使得这一细分市场现在已经成为全球热点市场之一。

  工业激光器已广泛应用于薄膜太阳能电池的制造中,通常用在刻划和除边工艺中。工业激光器的普遍使用使得这一细分市场现在已经成为全球热点市场之一。然而,工业激光器虽然有优异的市场表现和大量的成功技术示范,却仍然没有对太阳能行业的支柱——晶体硅太阳能电池的制造产生重要影响。最近的一篇评论文章指出,一个关键的原因就是整个太阳能行业近年来的扩展步伐非常快。

  制造商们一直倾向于将资源用于管理挑战性产能扩张,同时规避引入新技术所带来的能感知到的风险。但是,按照业界当前的发展程度,技术进步(在很多情况下包括以激光为基础的加工工艺)变得越来越有吸引力,因为制造商们在面临激烈竞争时力图使其产品变得独特。其中称为发射极穿孔卷绕(Emitter Wrap Through, EWT)的一种新技术可以大幅提高电池的转换效率。为了实现EWT技术并满足制造商们对于生产率的需求,必须在1秒钟内在180微米厚的硅片上钻10000至20000个孔。这些孔通常要求极为微小——直径约为40微米或更小——并以1毫米的间距呈规则网格均匀分布在晶片上。

  EWT太阳能电池

  EWT太阳能电池加工被认为在技术上是可行的。在传统的单晶硅太阳能电池技术中,P型硅太阳能电池的正面掺杂磷来变为“发射极”,收集正极光生载流子。随后在该表面进行丝网印刷,形成母线来收集产生的光生电荷。这一架构的缺点在于太阳能受光面的电极栅线阻挡了部分阳光。因而,人们仍对于在不必大量增加制造复杂性的情况下去除这些电路痕迹的技术感兴趣。EWT太阳能电池通过将发射极穿孔“卷绕”到晶片背面,让电极栅线完全转移到了电池的背面,从而不用占据正面宝贵的发电区域。在晶片上钻的大量孔也会占用一些发电区域,但这要比电极栅线所遮挡的区域要低几个数量级。EWT太阳能电池结构和理想化的标准单晶硅太阳能电池结构的对比见图1。该图示表明了一个额外的好处:光生少数载流子从电池前往“发射极”的平均距离几乎减半,从而改进载流子收集而获利。

EWT太阳能电池结构和理想化的标准单晶硅太阳能电池结构的对比

图1 EWT太阳能电池和理想化的标准单晶硅太阳能电池结构的对比

  但是,如何以合理的资金成本实现所要求的每秒1晶片的加工生产能力呢?这仍是未解决的问题。迄今为止所获得的数据显示,使用平均功率约100瓦的专业钻孔激光器每秒可以钻孔4000至5000个(“每秒钻孔数”的英文“Holes Per Second”,缩写为hps),据表面情况看,这似乎表明要实现所需要的10000至20000 hps需要极高成本的激光光源和集成。我们在工作中研究了激光脉冲参数对于EWT太阳能电池工艺潜在钻孔速度的影响。我们在工作中还考虑了不同脉冲参数控制下的材料清除的物理过程,记录了通过导通孔对EWT进行高速钻孔的潜在速度能够超过10000 hps,而这仅需要22瓦的激光功率。

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