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薄膜太阳能电池的激光加工应用分析

2009-05-09 09:57
Minor昔年
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        超短脉冲激光器被用于许多材料的高精度结构生产加工,这是因为超短激光技术既非热烧蚀、也非“冷”烧蚀的加工特点。然而,与工业用的传统激光光源相比,这些超短脉冲激光器系统需要更大的投入和运转资本。在材料加工市场中,皮秒激光光源得到更广泛的关注,这是因为传统激光光源已经无法满足烧蚀质量的要求。

        当今的皮秒激光系统性能良好,已经能够在生产制造条件下正常运转。它们在工业上得以成功应用的另一个重要的因素是其满足加工制造周期的要求。当前的皮秒激光光源重复频率在500kHz,该重复频率能够满足工业上加工速度的需求。满足制造业要求的超快激光光源之一是 picoREGEN工业激光器,该激光器由High Q Laser Production公司提供,输出功率达30 W,脉宽为10 ps,重复频率为500 kHz。

        薄膜太阳能

        该激光器的一项有趣的应用领域是薄膜加工,在该应用中,有选择性的烧蚀过程结合了高精度和高速度的特点,使得超快激光器具备了无可比拟的优势。另外,特别值得注意的是,目前薄膜太阳能电池的加工都还是基于纳秒激光烧蚀和机械刻线。这些加工过程在理论上都是可行的,但是在大规模生产过程中,仍然需要提高重复频率和生产成本。
       
        历史上,太阳能电池的生产采用了硅片的生产技术。该技术运用了低成本的浮法玻璃作为基底材料,而不是用昂贵的硅片。低成本基底结合了薄膜涂层作为作用层,大大降低了生产成本。薄膜太阳能组件可以利用嵌入式的手段,更为经济、有效地进行生产,极大地减少了所需的材料,从而能够与传统能源进行有效的竞争。

        薄膜必须具有“行”结构以实现电隔离,在加工该结构时还必须保证基底和其他层不被破坏。目前,“行”结构的加工以及所实现的整流是通过纳秒激光烧蚀或者机械刻线两种方法来实现的。利用超快激光器对钼(Mo)、二硒化铜铟(CIS)、氧化锌(ZnO)和其他透明氧化物进行加工,研究表明:超短激光脉冲减小了热效应,重复性更好,但是在工业应用方面的加工速度仍有待提高。

      纳秒激光器 

        最近二硒化铜铟(CIS)薄膜太阳能电池引起了多方面的关注,这是因为与其他薄膜太阳能电池相比,它们具有高效能的特点。二硒化铜铟薄膜太阳能电池具有三个功能层(如图1)。

        首先,厚度为500 nm的钼层被喷射到几个毫米厚的玻璃基底上,然后利用纳秒激光烧蚀进行所谓的P1工序。随后,厚度为1 m到3 m的CIS层被沉积到钼层结构上,这就形成了对光的吸收层,并且形成了p型半导体。在P2工序中,技术人员利用机械刻线的方式对CIS层进行加工,实现电隔离。随后,厚度为1 m到2 m的透明导电ZnO薄层被沉积到CIS层的表面,从而形成了太阳能电池的n型部分。为了提高电池的性能,可以在CIS和ZnO中间加入一个缓冲层(CdS,100 nm)。钼层通常被称为“后向触点”,ZnO层通常被称为“正向触点”。在最后P3工序中,技术人员利用机械刻线的方式对钼层上的ZnO和CIS层同时进行加工。
        
        刻蚀工艺P1

        流水作业中通常采用纳秒激光进行P1加工(如图2)。该技术可能使材料的边缘过高,导致局部到上层的分流或者短路,边缘的高度几乎与钼层的厚度相当。并且,在刻槽边缘的5到10 nm范围中存在微裂痕和局部材料的剥落,这更缩短了太阳能电池的寿命。此外,在激光脉冲重合的地方,基底玻璃有可能被融化。这些情况的存在阻碍了正常的生产加工过程。在激光重合所导致的玻璃融化区域,势垒层可能被破坏。所有这些破坏都可以追溯到纳秒烧蚀过程所产生的热效应问题。

       

        图3显示了利用皮秒激光在钼层上得到的分流效果。从此图可以看到图像具有一些波纹状的外形,并且边缘的上、下两端在高度上有些许不对称。所幸的是,这里所形成的边缘并没有纳秒激光烧蚀形成的边缘那么明显。
        
        刻蚀工艺P2

        P2的加工过程是利用机械手段CIS层上刻线,CIS层在相对坚硬的钼层之上。该技术的缺陷在于线宽有可能在60到120 m之间波动。图4给出了皮秒激光烧蚀得到的P2结构。利用皮秒激光,技术人员可以有针对性且高质量地将CIS层除去,刻槽宽度仅为22 m。利用picoREGEN工业激光器,加工速度可以达到3-4 m/s。该图表明,利用皮秒激光技术,技术人员能够进行选择性移除,而且不会带来热效应所导致的微裂缝或者材料剥落等问题。

        皮秒激光器

         刻蚀工艺P3

        目前,对位于钼层上的ZnO/CIS双层的加工类似于P2结构的加工过程。刻线的宽度大于70 m,并且伴有不规则的材料剥落,而ZnO和CIS层的碎屑和残留材料也散落在刻线中。刻线速度仅为几个cm/s。

        通过利用皮秒激光器,技术人员可以有选择性的加工钼层以上的ZnO/CIS双层,并且不会带来任何的破坏。图5所示为激光加工 ZnO/CIS双层的效果图。凹槽侧面的阶梯状轮廓明显体现了选择性的加工过程的优势。 此外,线宽仅为18 m,这说明了加工过程十分可靠,而且减少了材料损耗。



        这些结果表明了1064 nm的皮秒激光可以作为一项通用的技术被应用于CIS薄膜太阳能电池加工中的所有过程(P1-P3)。最新型的皮秒激光器具有很高的重复频率,能够保证工业级别的加工速度(几个m/s)。此外,加工所得的刻线具有高质量和高稳定性的特点,这进一步表明了该技术能够减少加工损耗,延长太阳能电池模块的寿命。
        
        作者:Sandra Zoppel博士以及Heinz Huber博士都来自位于奥地利 Hohenems的High Q Laser Production公司

 

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