在充满挑战的经济时代，工业生产正在不断追求低成本、高产量的生产过程。这种趋势使得激光技术在大量重要的光伏产品制造过程中大显身手。

作者：Peter G. Borden，应用材料公司

 受到诸多因素的驱动，目前将 太阳能直接转换为电能的光伏发电产业正处于急剧扩张阶段。这些驱动因素包括能源价格上涨、对能源安全的考虑，以及全球气候变化的危机。例如，在美国，很多州已经采取了积极的可再生能源强制性标准，迫使公共设施利用可再生能源来产生他们所需的大部分电能。例如，北加利福尼亚的公共事业公司PG&E利用光伏发电产生了1.65GW电能^[1]，占据2008年全世界5.5GW光伏发电总量的30%^[2]。

图1. 激光刻槽埋栅接触电池的截面图^[8]

随着光伏制造生产规模的扩大，必将驱动对降低制造成本的需求。30年来，光伏发电产业一直遵循一条18%的经验曲线（即：总产量每增加一倍，制造成本就降低18%）^[3]，First Solar公司已经报道了其光伏制造成本为0.98美元/瓦^[4]。目前硅模块的成本已经低至2.06美元/瓦^[4]，并且这个价格还有进一步降低的空间。

在这样的大环境下，整个光伏产业正在寻求一切可能的效率改进方法以实现低成本、高产量的生产过程，这也使得激光技术能够在大量重要的光伏产品制造过程中大显身手。即使是很小的效率改进，也会对整个系统产生一连串的影响：效率提高会减少模块数量、降低安装成本、减少生产用地，并且有能力实现目标跟踪等能够进一步提高生产能力的改进。文中介绍了激光技术在硅晶太阳能电池制造和薄膜太阳能电池制造中的应用，以及在不久的将来可能会出现的一些新应用。

 激光在硅晶太阳能电池制造中的应用

目前，硅晶太阳能电池大约占据了全球光伏发电市场中85%的市场份额^[5]，其广泛的生产基地主要位于欧洲和环太平洋地区。大多数硅晶太阳能电池采用丝网印刷接触磷扩散过程，得到的典型效率为15％～17%^[7]。目前，硅晶太阳能电池厂商正在不断寻求效率的提升，其中许多效率提升都需要刻图，这为激光技术的大量应用提供了广泛天地。下面首先介绍目前硅晶太阳能电池所采用的制造工艺，然后再介绍一些有潜力显著提高效率的方法。

目前激光在硅晶片中的主要应用是边缘隔离。作为生产过程中最终测试之前的最后一步，使用YAG或钒酸盐激光沿着硅太阳能电池的外围切出一道几微米深的凹槽，使得正面的扩散结与电池的边缘分离开来，从而降低分流。

激光技术已经在向太阳能电池制造业进军，尽管目前的市场份额还相对较小。其中的一项应用是激光刻槽埋栅接触电池（图1），它由新南威尔士大学^[8]研制并由BP Solar公司投入生产。该生产过程首先利用一束激光在前结扩散之后在氮化硅涂层上切出一道深而窄的凹槽，第二次扩散形成高度掺杂的接触表面。随后在凹槽里填充沉积镍和铜，这样就形成了高效率的前结和宽度较窄、纵横比高的导体。目前这种方法在实验室中获得的转换效率已超过20%，但在实际量产中得到的转换效率要稍低些。

图2：采用导通孔的电池：（图a）发射器围壁导通^[9]，（图b）金属围壁导通^[10]

一些电池的设计利用激光钻孔来形成发射器围壁导通（EWT，Advent Solar公司）^[9]或金属围壁导通（MWT，荷兰能源研究中心/Solland Solar公司）^[10]电池，如图2a和2b所示。这些电池利用通孔将正面的接触传导到背面，使生产商能够采用表面装配方法获得较高的存储密度和较低的电阻损耗，从而在模块的水平上提高效率。EWT结在正面和背面都有分布，因此载流子输运较短的距离就可以被收集，并且正面的EWT结没有金属。这种方式提高了效率，特别是对于质量较差的材料。小孔是利用钒酸盐激光多次穿透钻出的。EWT电池需要约10,000次穿透，而MWT电池只需要几十次。这种电池的生产能力在每个晶片两秒钟量级。

更为高级的设计需要刻图。事实上，已经获得的最高效率的电池——新南威尔士大学研制的效率为25%的PERL电池，以及SunPower ^[12]公司生产的最高效率为23.5%的电池，都采用了多次刻图步骤。为了实现与位于接触金属下面的高度掺杂区域的小面积接触，刻图步骤是必不可少的。这使得接触点上的载流子复合降到最低。SunPower公司还在电池背面额外设计了呈指状交叉的p型和n型触点，用以消除正面的光线阻挡，并在模块水平上实现更高的存储密度。

目前激光刻图正在向商业化迈进，这样人们就可以利用类似的方法来获得更多的效率改进。电池正面的结构叫做选择性发射极。在传统的电池中，当把电流收集到栅线上时，为了既保证接触电阻较低又使得电阻损耗最小，需要进行高掺杂；而为了提高发射极吸收光子的收集效率又要求低掺杂，因此发射极（正面扩散区）要在这两者之间进行折中。选择性发射极只在触点下方为高掺杂，而在场区中为低掺杂。仅这一道工序就可以使电池的转换效率提高0.8%。

采用激光刻图方法，仅通过一次激光照射就可以制成一个选择性发射极。斯图加特大学物理电子学院（IPE Stuttgart）的Rödel等人^[13]报道了这种工艺，在光场传播过程中形成的掺磷玻璃，是一种可以利用单次激光照射将掺杂物驱入其中的掺杂源，这一工艺可以使绝对效率提高0.4%。新南威尔士大学Wenham的研究小组^[14]也报道了一种激光掺杂过程，它可以形成更深的掺杂区域以及较窄的金属栅线，从而使得电池效率进一步提高。

在电池的背面，首选的结构是点接触和一个后向反射器，它被调谐到在单程通过电池过程中未被吸收的红外光波长。最著名的结构是由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）的Preu和Grohe开发的激光点火触点^[15]。该结构首先形成一个场电解质，并涂一层铝膜。触点上的点火将铝推进到硅中。p型掺杂物铝在各个点火点上与p型电解质形成接触。

作为电解质蚀刻或扩散掩模刻图的一种方法，激光烧蚀电解质正在被人们广泛研究。对于这种方法人们关注的两个问题是高度粗糙的前表面的效能和激光诱导损伤。这两个问题都促使人们考虑使用皮秒紫外激光^[16]。图3给出了分别利用纳秒和皮秒激光烧蚀氮化硅层之后形成的粗糙表面的对比图。纳秒激光烧蚀使得表面融化，而皮秒激光烧蚀之后的表面则没有显示出可见的损伤。Englehart和Hermann ^[17]对利用这两种激光烧蚀得到的选择性发射极结构中的二极管饱和电流进行了比较，并用氢氟酸蚀刻方法得到的结果作为参考。对比结果表明，利用氢氟酸蚀刻方法得到的结果比皮秒激光得到的结果好3倍，而比纳秒激光得到的结果好30倍。

 图3：经过（a）纳秒和（b）皮秒激光烧蚀后，涂有粗糙氮化硅涂层的太阳能电池前表面的对比图。

在一次最具前景的激光刻图展示中，德国ISFH Hameln研究所的研究人员Englehart等人展示了背交叉单次蒸发（RISE）工艺太阳能电池，它完全是通过激光刻图方法形成的。这种器件采用了呈指状交叉的背接触，由激光刻图掩模层蚀刻形成，据报道其光电转换效率为22%。

 激光在薄膜电池板中的应用

由于采用玻璃等价格低廉的衬底作为涂层，同时将激光刻图和导体沉积结合使用，从而产生一连串相互连接的电池，因此薄膜电池板可以降低电池的成本。这种互联是将高电流、低电压输出转化为低电流、高电压输出所必不可少的条件。它可以使得以电流的平方计算的欧姆功率损耗最小。从某种意义上说，硅晶片方法是将一组分立的器件封装到一个模块中；而薄膜方法则是将一个集成电路封装到一个模块中。

图4中的小插图显示了最常见的互联结构，在沿着电池板长度的方向，每个电池使用三个激光划线器。它们通常被叫做P1、P2和P3（分别对应于图案1、2和3）。P1划线器将玻璃上的透明导电氧化物涂层切成条纹状。P2划线器将吸收体层（例如非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒）切成平行的条纹，并在透明导电氧化物涂层处截止。P3划线器将背面的导体分离成多个电池，同样也在透明导电氧化物涂层处截止。这道工序将电池板分成一组宽度约为1cm的电池。典型的电池板宽度为1m，因此可以做出100个相互串联的电池。划线器的宽度可以窄至50mm，但是需要留有一定的容许量来克服小角度误差，以免其导致划线之间不能完美平行。因此，划线器结构需要占据300～500mm宽，约为有效面积的3％～5%。

图4：P2激光划线器视图：显示透明导电氧化物纹理的a）侧面，b）顶面低倍率，c）顶面高倍率。插图：薄膜互联结构。

在一个有代表性的工艺中，P1划线器使用一台1064nm脉冲钒酸盐激光器，而P2和P3划线器使用532nm脉冲钒酸盐激光器。其中有很多关键的参数，包括脉冲重复性、层厚控制、光点尺寸控制、平行划线的对准、吞吐量，以及溅射物的控制，特别是在P1划线器之后。图4给出了P2划线器从吸收体层到透明导电氧化物层的截面图和顶部视图。顶部视图显示了划线的扇贝形状，这是由于激光脉冲和位于吸收体层下面的透明导电氧化物层的粗糙纹理形成的。这种粗糙结构使得漫射光发生散射，从而增强了光吸收。

另外一个应用是激光扫边，这与边缘隔离过程中的薄膜相当。薄膜吸收体层和透明导电氧化物层延伸到玻璃的边缘。这两层结构与电池的四周相隔几个毫米，使得激活层与周围环境相互隔离，并且在包含光伏发电层的玻璃薄片与保护电池免受环境影响的另一层玻璃薄片之间形成了一个很好的层压接合表面。

小结

目前激光在光伏发电产业中的最大应用是晶片电池的边缘隔离以及薄膜电池板的激光划线和激光扫边。在为电池刻图以获得更多的效率增长这一需求的推动下，激光技术很有可能获得大量更多应用，特别是在基于晶片的领域。其中的一些应用，例如激光掺杂产生选择性发射极结构，正在向商业化迈进。其他能够实现更加精细的刻图、会引起损伤、或者工艺窗口较窄的应用，则需要更长的时间才能出现。然而，显而易见的是，低成本、高吞吐量和非接触等特性，无疑将会使激光加工在光伏发电产业中获得越来越多的应用。

参考文献

1. Photon International, May 2009, p. 18.

2. P. Mints, “Photovoltaic industry 2009: a Journey into Uncertainty,” Photovoltaics International, second quarter, 2009.

3. R. Swanson, SPIE Photonics Innovation Summit, 25 Nov. 2008, Burlingame, CA.

4. First Solar Q4 financial report, 2/24/09.

5. Ref 1 ibid, p. 76.

6. Ref 2 ibid.

7. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, A. Luque and S. Hegedus Ed., 2003 (Wiley), Ch. 7.

8. M.A. Green, “Silicon Solar Cells: Advanced Principles & Practice,” UNSW Press, 1995, Ch. 11.

9. P. Hacke, et. Al., “Busbarless Emitter Wrap-Through Solar Cells and Modules,” 33rd IEEE PVSC, San Diego, CA (2008).

10. C.J.J. Tool, et. Al, “17% mc-Si Solar Cell Efficiency Using Full In-Line Processing with Improved Texturing and Screen-Printed Contacts on High-Ohmic Emitters, 20th European PVSEC, Barcelona, Spain, 6-10 June 2005.

11. Ref 8 ibid, Ch. 10.

12. R. Swanson, 33rd IEEE PVSC, San Diego, CA (2008).

13. T. Röder, et al., “0.4% Absolute Efficiency Gain of Industrial Solar Cells by Laser Doped selective Emitter,” 34th IEEE PVSC, Philadelphia, PA (2009).

14. S. Wenham and M. A. Green, US patent 6,429,037.

15. A. Grohe, et al., “Laser Processes for the Industrial Production of High Efficiency Silicon Solar Cells,” Proceedings of the 22nd European PVSEC, Milan, Italy, Sept. 2007.

16. V. Rana, Photonics West Technical Symposium, San Jose CA, January 2009.

17. P. Englehart, S. Hermann, et. Al, “Laser Ablation of SiO2 for Locally Contacted Si Solar Cells With Ultra-Short Pulses,” Prog. Photovolt. Res. Appl, 15, 6, p. 521-527, 2007.

18. P. Englehart, et. Al, Prog. Photovolt. Res. Appl, 15, p. 237-243, 2007.