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1、激光加工技术在晶硅太阳电池制造中的应用深圳市大族激光科技股份有限公司2010年3月18日卢建刚 高级工程师 13798445745激光在晶体硅太阳能行业应用简介激光掺杂技术（Laser Doping)激光钻孔技术(Laser drilling)激光刻边技术(Laser Edge Isolation)主主 要要 内内 容容激光烧结技术(Laser Fired Contacts)钝化介质膜烧蚀技术(Dielectric layer Ablation)激光在晶硅太阳能行业应用激光在晶硅太阳能行业应用激光工艺应用现状工业大量应用 工业部分应用R&D实验室 激光刻边(Edge isolation)埋栅极
2、刻槽(LGBC)制绒 (Texturing)ID 标记 (Marking)钝化介质膜烧蚀(ablation)掺杂 (Doping Diffusion )切割 (cutting)背结电池钻孔 (drilling)烧结 LFC (laser fired contacts)RISE-EWT (LFC, Structuring , drilling)电池检测(wafer inspection)缺陷修复(Defection Repair)电池分割(Singulation)焊接 (Soldering)应用背景： 选择发射极太阳电池 (Selective Emitter SE)要使硅电池正面与金属形成良好的
3、欧姆 接触，需要对与金属接触的过渡区域实现 重掺杂理想的掺杂浓度分布应该是：光收集区域轻掺杂电极接触区重掺杂选择发射极作用:电池有较高的光谱响应，有较高的开路 电压和短路电流发射区与电极有良好的欧姆接触,提高了 填充因子指标选择发射极结构示意图激光掺杂技术激光掺杂技术实现选择发射极（实现选择发射极（SE)SE)的五种方法的五种方法A: Etch back processB: Diffusion Masking processD:LGBC processC: Self-doping paste processLASERLASERLASERLASERLASERLASER可选可选可选可选E: las
4、er doping processE: laser doping processSingle step laser doping 单步激光掺杂法必选必选LASERLASER必选必选激光作用在掺杂源(钝化层)和硅 片表面，利用激光熔化原理，利用激光熔化原理，预 涂层的掺杂原子扩散到硅基材表 面，当激光移开后，硅基材冷却 并结晶，与掺杂原子形成合金， 称为LIMPID法( laser-induced melting of pre-deposited impurity )激光熔融预沉积杂质源掺杂法激光熔融预沉积杂质源掺杂法 -LIMPID-LIMPID法法单步激光掺杂法单步激光掺杂法激光在整个过程中
5、只起到了局部 熔化材料，同时掺杂源在一定的 热力学条件下快速扩散到硅表面 ,形成重掺杂区。激光的作用激光的作用(来自Stuart WENHAM)激光掺杂的优点激光掺杂的优点不需用于扩散掩膜设备,简化工艺 流程； 不需整体高温处理，避免了产生 高温晶格缺陷和杂质缺陷； 电极线宽窄，提高了电池有效吸 光面积； 可将钝化层一并去除,未去除的钝 化层仍可作为后续的掩膜； 整套工艺设备简单,不产生有毒物 质,利于环保；(来自Stuart WENHAM)激光掺杂技术方案激光掺杂技术方案方案一方案一 高速振镜扫描系统高速振镜扫描系统方案二方案二 高速平台高速平台+ +光束整形光束整形(来自Werner)激光
6、器要求及选型激光器要求及选型前道工艺对激光掺杂效果的影响前道工艺对激光掺杂效果的影响激光工艺参数对电池指标影响激光工艺参数对电池指标影响掺杂源制作工艺对电池性能影响掺杂源制作工艺对电池性能影响后道工艺后道工艺( (电镀电镀) )对电池指标的影响对电池指标的影响工艺开发内容工艺开发内容工艺参数优化及影响工艺参数优化及影响脉冲重叠率脉冲重叠率: : X, X, Y Y 脉冲能量密度脉冲能量密度: : E Ep p脉冲宽度脉冲宽度: : T Tp p熔化循环次数熔化循环次数: :N Nmeltmelt 扫描路径优化扫描路径优化产业化难点产业化难点加工效率加工效率窄的加工工艺窗口窄的加工工艺窗口掺杂区
7、域接触点稳定性掺杂区域接触点稳定性参考资料参考资料 1 Finlay Colville Laser-assisted selective emitters and the role of laser doping， Photovoltaics International 2009 2 Dave Clark Lasers in SOLAR Cell production 2009/10 3 Ulrich et.al Selective emitter by laser doping from phosphosilicate glass 24th European PV Solar Energy
8、Conference and Exhibition 21-25 September 2009 Hamburg Germany 4 UNSW laser doping selective emitter .au 5 Stuart Ross Wenham Self aligning method for forming a selective emitter and metallization in a solar cell US Patent 6429037B1 2002 6 Malte Schulz-ruhtenberg, Direct laser doping for high-effici
9、ent solar cells ICALEO 2009 M904 7 D.S.Ruby Recent progress on the self-aligned selective-emitter silicon solar cell 26th IEEE 1997 8 Daniel Kary et al laser-doped silicon solar cells by laser chemical processing(LCP) Exceeding 20% efficiency 33rd IEEE 12-16 May 2008 St.Diego,CA 9 M.C.Morilla, et al
10、 Laser induced ablation and doping process on high efficient silicon solar cells 10Sameshima,T.&Usui,S.1987 “Analysis of dopant diffusion in molten silicon induced by a pulsed Excimer laser”, Jap. Journal of Appl.Phys.,Vol.26 11 张陆成等 激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用 2009年5月 激光与光电子学进展 12 Turner, et al 1981 solar c
11、ells made by laser induced diffusion directly from phosphine gas Appl. phys. Lett., Vol.39 13Guo，J.H et al 2006 laser formed electrodes for solar cells Patent WO/2006/005116 A1 14 A.Grohe Novel laser technologies for crystalline silicon solar cell production SPIE Vol 7202 2009 15Mahir Okanovic et.al
12、 Influence of different laser parameters in laser doping from phosphor-silicate glass 24th EPVSEC 16 Gee.J et.al Buried contact solar cells with self-doping contacts US Patent 20050172998激光钻孔技术激光钻孔技术RISE-EWTRISE-EWT MWTMWTEpiWTEpiWTImprovedImproved MWT/ASPIRe/PUMMWT/ASPIRe/PUMEWTEWT应用背景： 背接触太阳电池 Bac
13、k contact cell四种不同类型激光钻孔效果四种不同类型激光钻孔效果激光钻孔的四种形式激光钻孔的四种形式EWTEWTMWTMWTEWT/MWTEWT/MWT来自来自LZHLZH激光钻孔工艺开发激光钻孔工艺开发激光波长激光波长 脉冲宽度脉冲宽度 激光能量激光能量 能量稳定性能量稳定性光束质量光束质量 重复频率重复频率 聚焦参数聚焦参数 偏振性偏振性加工方法加工方法 扫描速度扫描速度 辅助工艺辅助工艺 后处理工艺后处理工艺来自 Frauhofer ILT(来自Xsil )(来自Xsil )激光波长激光波长 355nm 355nm 单脉冲能量单脉冲能量100uJ100uJ半导体晶圆半导体晶圆
14、TVSTVS激光钻孔分析激光钻孔分析1:1:高速激光钻孔应用于高速激光钻孔应用于 TVS TVS 封装封装 2:2:激光波长激光波长:355/532nm:355/532nm 3:3:高速精密运动控制技术高速精密运动控制技术 4:4:产能产能: :最高达最高达3000pcs/s3000pcs/s分区扫描加工分区扫描加工(来自Xsil )激光钻孔现状与发展趋势激光钻孔现状与发展趋势长脉宽能取得较高加工效率长脉宽能取得较高加工效率, ,但有热但有热 损伤损伤, ,需后处理需后处理 短脉宽可取得较高的加工质量短脉宽可取得较高的加工质量, ,但加但加 工效率低工效率低 激光钻孔需兼顾加工效率和加工质量激
15、光钻孔需兼顾加工效率和加工质量无损伤激光钻孔无损伤激光钻孔工艺开发简化电池工艺开发简化电池 制造工艺流程制造工艺流程发展趋势发展趋势短波长、高功率、短脉宽激光技术发短波长、高功率、短脉宽激光技术发 展展适应无损伤钻孔需求适应无损伤钻孔需求深入认识深入认识激光激光- -硅相互作用硅相互作用机理机理，开发开发 新型工艺新型工艺, ,适应高效钻孔要求适应高效钻孔要求激光钻孔电池断面激光钻孔电池断面电池表面形貌电池表面形貌( (左左) )和后处理和后处理( (右右) )现现 状状来自来自ISEISE来自来自ISEISE1 Nils Peter Harder Laser processed high-e
16、fficiency silicon RISE-EWT solar cells and characterisation 2009 01 Solid state physics 2 ROFIN Presentation 2008 09 3 High throughput laser percussion Interconnect Microvia Process Xsil Company EMC 3D 2007 4 High peak power solid state laser for micromachining of hard materials SPIE 2003 5 Devices and drilling and removing ma
