刻蝕設備在太陽能晶硅電池刻蝕工藝中的應用

楊 金 ，郭 進 ，魏 唯 ，萬喜新 ，李 佳

(1.中國電子科技科技集團公司第四十八研究所；湖南長沙 410111；2.湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南長沙 410205；3.國家光伏裝備技術工程研究中心，湖南長沙 410205)

在晶體硅太陽能電池的制備過程中，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能電池片質(zhì)量的好壞。當前，電池片的刻蝕主要采用的工藝有：等離子體刻蝕、化學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、自動化程度高，無需消耗昂貴的特種氣體和化學藥品、綠色環(huán)保等優(yōu)點，成為太陽能電池制造工藝的發(fā)展趨勢[1]。本文著重探討激光邊緣刻蝕機的工作原理與應用試驗效果，及與傳統(tǒng)等離子刻蝕機的對比情況。

1 工藝及設備原理

等離子體和激光邊緣刻蝕在整個晶體硅太陽能電池片的生產(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)的等離子體刻蝕設備主要是采用ICP技術，配備RF電源組成的反應系統(tǒng)及干式真空泵排氣系統(tǒng)等[2]，其設備原理如圖2所示，工作時先將硅片“疊硬幣”式裝入刻蝕夾具，然后放入反應室中，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，以去除暴露在邊緣的材料（pn結(jié)），達到正背面絕緣目的，同時產(chǎn)生氟化硅氣體，然后通過廢氣系統(tǒng)排出。

圖2 等離子刻蝕設備原理圖

激光精密微細加工技術隨著自動化程度的提高和激光器類型的發(fā)展應用越來越成熟，激光技術已越來越廣泛地使用到太陽能電池的埋柵刻槽、打孔、劃片等工藝中。在太陽能硅片電池劃片工藝的應用中使用激光器的選型此前已做了很多試驗工作，Schoonderbeek[3]對單晶硅激光劃線進行了綜合分析，對紅外（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行了測量，表明單晶硅中紫外和綠色短波具有明顯吸收長度；Acciarri[4]繼續(xù)這一邊緣刻蝕研究：短波長的激光（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激光會產(chǎn)生微裂紋。鑒于硅片激光加工技術對于短波激光的偏愛，結(jié)合生產(chǎn)過程中安全要素等綜合情況，設備選用532 nm激光器，其設備及工藝原理如圖3、圖4所示。

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

圖3 激光刻線設備原理圖

圖4 激光邊緣刻線刻蝕工藝原理圖

2 試驗設計與理論分析

激光邊緣刻蝕是一種“防止效率損失”的工藝，也就是說該工藝本身不能夠增強電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，只能最大程度地減少工藝過程帶來的效率損失[5]。（下面對激光劃線和等離子刻蝕對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，我們在同一條生產(chǎn)線中抽取一批電池片，同時分為兩組，這兩組電池片有同樣的除邊緣刻蝕外的其他工藝過程，包括制絨、擴散、去PSG、絲網(wǎng)印刷、PECVD、燒結(jié)等。

通常太陽能電池的制備過程中，需在電池的正面擴散進了磷原子，但同時電池的側(cè)面也擴散進了磷原子，擴散層的厚度約為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，產(chǎn)生氟化硅氣體，刻蝕層的厚度為2～30.5 μm，而使側(cè)面的擴散層去掉。在刻蝕的過程中，由于正表面的邊緣也暴露在等離子氣體中，使正表面邊緣的擴散層也被去除，通常電池邊緣1 mm處的擴散層被去除掉，導致這些位置產(chǎn)生的電子-空穴對不能有效地分離，減少太陽能電池的有效面積，從而降低電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。見圖5。

新型的激光劃片機采用激光在電池片的邊緣劃一道槽的方法來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，相對于等離子刻蝕電池表面，太陽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

假設以激光劃片機使電池片邊緣有效面積外擴0.2 mm計算，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 工藝試驗對比及分析

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，通過激光正面刻線后單晶硅片電池（10片平均值）各測試參數(shù)，我們對比刻蝕前后各項參數(shù)如表2所示。

表1 激光刻線前后全參數(shù)對比表

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，達到真正地絕緣效果，有效地提高電池的轉(zhuǎn)換效率。同時，我們分別采用等離子刻蝕設備進行了另一批（20片）單晶硅電池片工藝試驗，將兩組不同工藝方法下的最終電池片測試參數(shù)對比，試驗數(shù)據(jù)如表2。

如表2所示，激光劃片刻蝕相對等離子刻蝕并聯(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%。由此試驗表明，激光劃線具有優(yōu)于等離子體刻蝕的絕緣效果，同時能提高太陽能電池的光電轉(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，隨著自動化和定位精度的進一步提高，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。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有的太陽能制造優(yōu)勢[1]和顯著的投資回報[6]，環(huán)境污染小，將成為刻蝕工藝的主要設備。這一優(yōu)勢也將推動供應鏈，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研發(fā)和設計的成員王慧勇等，他們的努力和不斷對設備的改進使本課題能夠得以順利進展。

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

[2] 陳特超，謝麗華.太陽能電池線中的新型等離子體刻蝕機的研制[J].電子工業(yè)專用設備，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.