激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用

1引言近十年来光伏市场每年以超过40％的速度发展[1，2]，其中晶体硅太阳电池占到90％以上[3]。

太阳电池的新结构和新工艺不断出现，其中采用激光技术来制备太阳电池或替代现有太阳电池某些工艺环节，来提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染，是目前太阳电池研究和开发的热点。

用到了激光工艺的刻槽埋栅太阳电池已经被西班牙BP Solar 公司实现产业化，德国夫郎霍费尔研究所（Fraunhofer ISE ）用激光烧结背电极的太阳电池效率也超过21%。

本文介绍激光热效应，综述激光热效应在太阳能电池制备中的具体应用，提出其中普遍存在的问题，并展望激光在太阳电池中的工业化应用前景。

2激光热效应激光聚焦后照射在材料表面时，部分被反射，部分被吸收，部分被传递进入晶体，三者的比例取决于激光波长和材料的色散关系及能带结构[4],其中被吸收的那部分能量才对硅基表面起作用。

光能以声子和电子激发到高能态的形式被吸收，并扩散至临近原子区域。

随着吸收的能量越来越多，材料温度不断升高，升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。

温度升高后，材料的光能吸收的比例也提高，这样愈发加剧材料的升温速度。

在光吸收长度距离内，材料吸收能量转化的热能整体扩散距离大致为L =（4D τ）1/2，其中L 为扩散距离，D 为热扩散系数，τ为激光的脉冲宽度。

当L 远大于吸收长度，受辐照表激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用Application of Laser Thermal Effects in Fabrication Process of High Efficiency Solar Cells张陆成王学孟沈辉中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东广州51027!"5Zhang Lucheng Wang Xuemeng Shen HuiState Key Laboratory of Optelectronic Materials and Technologies,Sun Yat-sen University,Guangzhou,Guangdong 510275,China!"摘要综述了激光热效应在高效太阳电池制造中的应用，如激光掺杂和激光烧结工艺；介绍了这两种工艺的具体典型实例：激光掺杂有选择性发射结太阳电池、激光掺杂半导体指栅太阳电池、激光烧结电极太阳电池等。

总结了激光热效应在高效太阳电池工业化生产应用中所存在的问题并预测了其应用前景。

关键词太阳电池；激光掺杂；选择性发射结；激光烧结；半导体指栅；高效AbstractThe application of laser thermal effects,laser doping and laser firing,in high efficiency solar cell fabrication is summarized.Examples of solar cells using thermal effects are introduced,such as laser doped selective emitter solar cells,laser doped semiconductor solar cells,and laser -fired contacts solar cells.Problems in the application of laser thermal effects in the solar cell industrial production are concluded,and their prospective is predicted.Key words solar cell;laser doping;selective emitter;laser-fired contacts;semiconductor finger;high efficiency 中图分类号：TM914.4TK51doi ：10.3788/LOP20094605.0041面温度有限升高；而L小于吸收深度时，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至离化成等离子体。

硅表面受激光辐照后，有两类不同的效应：热效应[5，6]和刻蚀效应。

在激光热效应中，激光能量密度较低，不至于使材料融化，受热区域材料仅起到退火作用；或者激光能量密度如果达到一定强度，材料表面受辐照的区域温度升高甚至达到熔点而融化，在随后的降温过程中，材料会再结晶。

在激光刻蚀效应中，激光能量密度超过一定阈值，材料受激光辐照的区域温度急剧升高，以至于材料离化成等离子体而挥发，在光辐照区形成凹陷区域，这类工艺一般用来改变材料表面形貌，从而得到特殊的器件表面结构。

用作有选择性激光掺杂和激光烧结的激光器波长多为1064nm的Nd:YAG或1342nm的Nd:YVO4固体激光器，将这两种激光分别倍频，可以实现所需要的工艺。

3激光掺杂3.1激光掺杂工艺如果预先在硅片表面涂敷一层掺有某种元素的掺杂源，并且硅片表面被激光加热到熔融状态，那么预敷的掺杂原子快速融入熔体，然后当激光从熔区移开后,熔区的熔体开始冷却并再结晶，掺杂原子与硅形成合金。

这就是激光融熔预沉积杂质源掺杂（Lase-induced melting of predeposited impurity doping LIMPID）[7]。

由于掺杂的源层一般较薄（特别是经过浸涂的液体源），同时要求激光对基体材料的损伤最小，采用较短的激光波长（即将Nd:YAG或Nd:YVO4激光两倍频）可以得到损伤较小的局部掺杂区域。

激光束斑直径愈小愈好，一般达到15~50μm，而功率和扫描速度依据掺杂源膜厚和Q开关的频率决定，但要保证相邻的材料表面熔融斑点有20％~80％重叠区域。

该掺杂工艺的主要优点是:无需掩模即能对硅基体进行局部的有选择性掺杂；由于是局部加热，未受激光辐照的区域不会产生附加的晶格与杂质等缺陷；工艺的环境温度为室温，不需要真空设施；工艺过程没有毒性气体，设备安全，节省空间。

激光掺杂在太阳电池中的应用例子有选择性发射结太阳电池，半导体指栅太阳电池等。

3.2激光掺杂有选择性发射结太阳能电池要使硅与金属形成良好的欧姆接触，需对与金属接触的过渡区域进行重掺杂（原子密度大于1×1019cm-3）[8]，但对于电池前表面的发射极区域，掺杂太重会引起表面少子俄歇复合速度大，电池的短波光谱响应差。

因此，对于有前电极的太阳电池，前表面杂质浓度理想分布应该是：吸收入射光的区域为轻度掺杂，与电极接触的区域为重掺杂。

这样既可以使电池有较高的光谱响应（在波长300~400nm处的内量子效率甚至可以接近于100%[9]），使电池有较高的短路电流I sc和开路电压V oc；同时发射区与金属电极有良好的欧姆接触，从而提高电池的填充因子F。

这就是有选择性掺杂发射结太阳能电池，该思路已经在刻槽埋栅电池中得到体现。

激光刻槽埋栅（Laser grooved buried contact, LGBC）电池由澳大利亚新南威尔士大学最先研制，被西班牙BP Solar公司实现了产业化生产。

这类电池的主要工艺特点是：对于吸收入射光的发射结区域采用轻度扩散；将表面要制备电极的区域，依次采用激光刻蚀成沟槽，碱腐蚀液去除激光造成的损伤，沟槽处做高温掺杂原子的重扩散，再在沟槽处通过化学电镀法镀上镍和铜作为电极。

相对于传统的丝网印刷太阳电池而言，LGBC太阳电池电极制作工艺的费用较高，也较费时，电极工艺时间可以占据大约50%的电池制作时间[10]。

此外，LGBC电池的电极制作还需要好几个高温步骤，这样会增加电池片的高温缺陷，少子寿命也相应增加。

成本低廉且工艺简单的激光掺杂有望代替现有的刻槽埋栅电极制备工艺。

在实验室阶段，所有结构的LGBC电池的激光刻槽和二次掺杂工艺可以全部被激光掺杂工艺代替，基本过程是在LGBC太阳电池其他工艺不变的条件下，将“电池片表面激光刻槽→化学去损伤→沟槽处二次重扩散”的制程用“电池片表面预沉积杂质源→脉冲激光局域融化而后再结晶”制程替代。

激光掺杂优点是：不需要杂质扩散的掩模；不需要对硅片整体高温处理，无需二次掺杂的区域，不产生高温晶格缺陷和杂质缺陷，这对于多晶硅电池尤为重要；激光掺杂处的介质膜也一并去除，未掺杂处的介质膜被保留并可作为后继的无电镀工艺的掩模[11]；工艺安全而环保，无有毒气体放出；工艺设备节省空间。

激光掺杂结合无电镀工艺，除了用于制作电池在发射结区（无论是在电池前表面还是背表面）的电极外，还可用于制作基区的电极，制得的电极接触电阻可以低于0.001Ω·cm2，填充因子F可以超过80%[11]。

因而激光掺杂已成功地实现了多种有选择性发射结太阳电池结构：与传统工业化丝网印刷太阳电池结构相似的激光掺杂有选择性发射结太阳电池，如图1所示[11]；具有指交型全背电极结构的激光掺杂太阳电池；双面太阳电池，如图2所示[12]。

图3[13]是与这种电池结构相似的LGBC指交型全背电极太阳电池，激光掺杂全背电极电池结构与LGBC电池结构不同的是：前者电极附近发射区和基区的重掺杂是通过激光掺杂工艺实现的，而后者电极附近发射区和基区的重掺是依次通过激光刻槽、化学去损伤和二次高温扩散实现的。

激光掺杂有选择性太阳电池性能的共同特点是：有光电活性的发射结区域薄层电阻高达100Ω/□，而电极处重掺杂达到40Ω/□，短波光谱响应明显提高；激光掺杂区域的线宽仅有15μm左右，电镀后的电极线宽也只有35μm左右，而传统丝网印刷电池表面指栅宽度达到130~150μm左右，而全背电极则无遮挡，因而激光掺杂有选择性发射结电池的阴影效应小，电池的短路电流I sc大；电极金属与发射极接触面积小，暗电流小，电池开路电压V oc较大；加上较理想填充因子，因而电池具有较高的光电转换效率。

具有图1结构，在直拉p型硅单晶上制得的电池η值一般达到18%；对于在n型硅片上制得的双面电池和指交型全背电极电池，大批量生产条件下的效率也接近20%[13]。

3.3激光掺杂半导体指栅太阳电池激光掺杂半导体指栅LDSF太阳电池[14]除了具有选择性掺杂发射结太阳能电池的特性外，还有透明电极的特点。

半导体指栅电池没有用无电镀工艺在重掺杂线条上沉积金属栅线，激光重掺的半导体区域就可以作为收集光生电流的栅线，因此叫作半导体指栅。

为了满足低电阻要求，激光掺杂的线条区域掺杂浓度比激光掺杂有选择性发射结太阳能电池更高，达到5Ω/□。

LDSF太阳电池是由激光刻槽半导体指栅（laser grooved semiconductor finger,LGSF）太阳电池发展而来[15,16]，图4是LGSF太阳电池结构示意图。