太阳能电池.doc

太阳能电池.txt37真诚是美酒，年份越久越醇香浓烈；真诚是焰火，在高处绽放才愈显美丽；真诚是鲜花，送之于人，手有余香。 本文由天涯13141205贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 太阳能电池发电应用前景分析 【摘要 本文通过详细阐述非晶硅薄膜电池的结构和优点，论证了 摘要】 摘要 非晶硅薄膜电池具有广阔的应用前景，尤其在遮阳、中空光伏组件中 的应用具有明显的优势，对可再生能源的发展有着积极的推动作用。 【关键词 关键词】太阳能电池;太阳谷 ;非晶硅;光伏应用;遮阳;中空光伏组件 关键词 Abstract :This paper describes in detail the structure of amorphous silicon thin-film batteries and the advantages of amorphous silicon thin-film batteries have demonstrated broad application prospects, especially in the sun, insulating the application of PV components has obvious advantages of renewable energy development has a positive role in promoting. Key words：solar cell; Sun Valley; amorphous silicon; photovoltaic applications; shade; hollow PV 0 引言 随着能源危机与环境污染问题越来越严重， 社会各界对能源消耗 的可持续性发展日益重视 ,尤其引起了各国政府对清洁的、 可再生 能源的关注和青睐, 新型能源成为国际学术界和各国研究、 开发的 重点 ,而太阳能是新能源发展的主要方向之一 。根据美国能源信息 管理局的预测 ,到 2010 年,世界煤炭、水力和核能发电将有 6.4%的电 力供应缺口; 到 2020 年这一缺口将增至 10.7% ;这一供应缺口不得不 用可再生能源去弥补 ,而利用太阳能发电将起着重要的作用。 太阳能光伏发电是太阳能利用的一个主要方面，作为 2010 年世 1 界太阳城大会主会场的“日月坛?微排大厦”就充分地利用了太阳能 发电。目前常用的太阳能电池有单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅薄 膜电池。 在欧美一些国家， 因为政府的一些优惠政策 ， 并且单晶硅、 多晶硅电池具有研发早、转化效率高、生产工艺成熟等优点,得到了 一定数量的推广。 但是单晶硅、多晶硅电池组件的硅料提纯、制取 过程中消耗大量的电能 ，发电成本远高于其他能源形式。 单晶硅、多晶硅电池成本下降有两种途径：提高转化率和降低硅 片厚度。 据电池转化率和硅片厚度变化趋势可以测算得多晶硅系统价 格变化趋势， 最高值分别是 22%和 150 m，这个数值接近晶硅的 成本极限；根据我们的模型测算，按照年日照 1 000 h 测算，2020 年 多晶硅电池系统的发电成本为 2.02 元/（kWh） ；年日照 1300 h 的发 电成本为 1.55 元， 这一数据接近晶硅的成本底线，但仍不足以与煤 炭等常规能源相比，市场前景日益黯淡。单晶硅、多晶硅电池的这些 缺点在客观上为非晶硅薄膜电池的发展提供了契机， 以下将着重介绍 非晶硅薄膜电池的优点和应用。 1 非晶硅玻璃薄膜电池简介 非晶硅( a-Si) 太阳电池是在玻璃衬底上沉积透明导电膜 (TCO), 然后依次用等离子体反应沉积 p 型、i 型、n 型三层 a-Si,接着再蒸镀 金属电极铝 (Al),光从玻璃面入射,电池电流从透明导电膜和铝引出,其 结构可表示为 glass/TCO/pin/Al,最后用 EVA、 底面玻璃封装,也可以用 不锈钢片、塑料等作衬底封装。 非晶硅薄膜电池组件的结构如图 1 所示， 自上到下依次为顶面玻 2 璃、SnO2 导电膜、双结非晶硅薄膜电池（非晶硅薄膜电池还可做成 单结或三结非晶硅薄膜电池） 、背电极 EVA、底面玻璃。 非晶硅玻璃薄膜电池发电原理与单晶硅、多晶硅电池相似 ，当 太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子空穴对，在电 池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到 P 侧，电 子漂移到 N 侧，形成光生电动势，外电路接通时， 产生电流。 2 非晶硅玻璃薄膜电池的特点 2-1 非晶硅玻璃薄膜电池有着晶硅电池无法比拟的 优点 2-1-1 材料成本低，硅材料用量少 衬底材料，如玻璃、不锈钢、 塑料等 ，价格低廉。硅的厚度可以 很薄， 只有 0.5 m 左右,这和非晶 硅电池光吸收系数大有很大关系, 单晶硅电池需要充分吸收太阳光, 需要的厚度较厚, 约为 200 m。另 外非晶硅电池不需要像单晶硅那样 切片，材料浪费极少。 2-1-2 制造工艺简单，可连续、大面积、自动化批量生产 非晶硅产业化是利用化学气相沉积法制造的， 硅烷气体流入真空 反应器，利用高频放电等方法分解硅烷，使非晶硅沉积在基板上。硅 烷中混入含有 P 或 B 的 PH3,B2H6 气体,可得到 N 型或 P 型非晶硅。 3 无论是单结 PIN、双结 PIN/PIN、还是三结 PIN/PIN/PIN 电池,也无论是 0.3m2、 0.7m2 还是 5.7m2,其核心部分的 PIN 结都可以在薄膜的生长过 程中同时完成。目前已经实现了可连续、大面积、自动化批量生产。 晶硅电池组件的制造需要经过太阳电池的筛选、 焊接等琐碎的工序， 人力投入较多，制造过程中质量不容易控制，实现自动化批量生产难 度大。 2-1-3 制造过程消耗电力少 能量偿还周期短 非晶硅薄膜电池是用气体分解法制备非晶硅基，板温度仅 200300 摄氏度，且放电电机所需的放电功率密度较低。与单晶硅 在 1412 摄氏度以上反复多次熔解相比，所消耗的电力少得多。晶体 硅太阳电池能量偿还时间为 2-3 年，而非晶硅太阳电池只有 11.5 年。 2-1-4 温度系数低 太阳能光谱分布比较宽， 晶体硅电池只能吸收能量比自己带隙高 的光子，其它光子被吸收转换为热量或将能量传递给材料分子，使材 料发热，这些热效应会使晶体硅电池的发电效率下降，而非晶硅带隙 比晶体硅宽，温度系数影响明显低于晶体硅。 2-1-5 弱光性能强 采用层叠技术增加非晶硅玻璃薄膜电池的光谱响应范围， 使得其 对光的吸收性比晶硅电池强 500 倍，由于非晶硅的价带电子能级低， 在暗光下非晶硅玻璃薄膜电池依然具有良好的光电效率。 2-1-6 发电量高 4 在相同的测试条件下，与相同功率的晶体硅太阳电池相比，非晶 硅薄膜电池的年总发电量比单晶硅、多晶硅电池高 10%-15% 图 2 是非晶硅薄膜电池与单晶硅电池单位瞬时功率对比图， 以每 天上午 10:00 和下午 15:00 各记录一次电压、 电流数据,计算瞬时功率 再除以组件的额定功率得到。 由图 2 可见， 单位功率的非晶硅薄膜电池比单晶硅电池发电量高， 这和非晶硅薄膜电池的温度系数低、弱光性能强等特点是分不开的。 图 2 非晶硅薄膜电池与单晶硅电池单位瞬时功率对比图 2-1-7 美观、大方 当电池组件当作屋面和墙面时; 降低了建筑物的整体造价;直接 吸收太阳能发电;避免墙面、屋顶温度过高,降低了空调负荷;电池组件 的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配,化室内外环境,加上精细、整齐 的激光切割线,使建筑物更加美观、大方更有魅力。 2-1-8 热斑效应不明显 当太阳电池阵列面积较大时，难免会有部分组件处于阴影之内， 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小，热斑效应不明显， 所以，使 用起来更加方便，可靠性更好。 5 2-2 当然，非晶硅玻璃薄膜电池也有它无法掩饰的缺点 当然， 2-1-1 由于非晶硅太阳电池出现较晚（比单晶硅电池晚 22 年） ，在工 艺上没有单晶硅电池成熟，在 80 年代初，才实现产业化，曾经由于 封装、引线等问题，曾经出现过电池组件过早失效现象。目前，其工 艺已经提高到一个相当的水平，但是还有很多地方需要改进和提高。 2-2-2 由于非晶硅太阳电池光电转换效率偏低，不太适合用在安装面 积较小、发电功率又要求较大的地方。 3 非晶硅玻璃薄膜电池应用 目前，非晶硅玻璃薄膜电池组件在遮阳、中空光伏组件等方面得 到大量的应用（图 3）,图中漏光为激光刻蚀线。 图 3 非晶硅玻璃薄膜电池组件 非晶硅光电活动遮阳系统非晶硅光电活动遮阳系统是安装在建 筑立面的一种新型户外高端遮阳产品， 是利用非晶硅玻璃薄膜电池组 件作为遮阳板的一种具有发电、遮阳功能的新型节能环保产品，外观 效果如图 4 所示。主要由遮阳板、托架、支杆、电动推杆等几部分组 6 成。遮阳板可以选用单晶硅、多晶硅电池组件或非晶硅玻璃薄膜电池 组件，但是单晶硅、多晶硅电池组件中太阳电池之间存在间隙，透光 率过高，影响遮阳效果。使用不透光非晶硅玻璃薄膜电池组件，透光 率降到 10% 左右，遮阳效果比较好。另外非晶硅玻璃薄膜电池组件 的颜色均匀，线条平直，与建筑整体是协调的。 3-2 非晶硅玻璃薄膜电池中空光伏组件。 非晶硅玻璃薄膜电池中空光伏组件。 非晶硅玻璃薄膜电池中空光伏组件的结构如图 5 所示， 由上至下 分别是顶面玻璃、薄膜电池底面玻璃、EVA、中空层、Low-E 膜以及 中空玻璃。在底面玻璃和镀膜玻璃之间设有铝间隔条，由铝间隔条围 成一中空腔、中空腔上下侧中的其中一侧镀有 Low-E 膜层；在间隔条 一边的外侧到相应玻璃边上装有带二极管的接线盒； 间隔条与底面玻 璃、中空玻璃之间设有第一道密封胶，玻璃与铝间隔条外围设有第二 道密封胶。 7 非晶硅玻璃薄膜电池的弱光性好， 在暗光下依然具有良好的光电 效率。非晶硅玻璃薄膜电池做成幕墙、采光顶（图 6） ，中空玻璃内 侧镀有 Low-E 膜， 具有对可见光高透过及对中远红外光高反射的特性， 可达到为建筑隔热、保温的效果。经中国建筑科学研究院测试，此种 产品的传热系数 U 值（K 值）为 1.6W/(m2K）(公制单位为:瓦每平方 米每开氏温度)U 值越低 ,通过玻璃的传热量也越低,国内很多企业制 作的中空产品都高于 2W/(m2K）,这是其他建筑材料和普通玻璃幕墙 无法比拟的。另外组件的两个引出电极与接线盒采取内电路连接 。 这使得接线盒隐藏在组件内，避免安装到建筑上影响美观 同时安装 也更加方便。 目前， 山东皇明太阳能集团有限公司的以上两种产品已相当成熟， 并具备大规模生产的能力。 8 4 结论 在全球能源供应日趋紧张的情况下， 各种太阳能利用的新技术发 展比较迅速，太阳能应用领域正在逐渐拓宽，设计应用水平也在不断 得到提高。 专家认为， 未来 5 年内薄膜太阳能电池成本将会大幅降低， 届时这种薄膜太阳能电池将广泛用于应用于电子消费品、远程监控 通讯、军事、野外、室内供电等领域。太阳能电池相关研究人员已经 在研究以薄膜取代晶硅制造太阳能电池的技术，并取得巨大进展，在 详细分拆成本和预测未来价格走势的基础上， 我们对薄膜电池行业的 盈利前景进行了预测。 我们认为龙头企业的稳定毛利率在 30%-50%之 间；考虑成本下降和售价变化，随着技术进步，我们认为未来几年这 一盈利水平是可以维持稳定在 20%-30%之间， 薄膜电池逐渐成为太阳 能行业的新的爆发点， 我们需要提前布局才能把握住这一历史性机遇。 相信随着人们节能环保意识的增强、思想观念的转变、资源和能源节 省等优势依然能确保非晶硅电池有良好的应用前景， 非晶硅薄膜电池 9 的应用领域将会更加广阔。 太阳能与建筑结合问题是多科学， 多层面参与和合作的综合性事 业， 需要国家政策法规部门、建筑主管部门、太阳能厂商、房地产 开发商、 建筑设计单位的共同努力，太阳能热水器的推广应用离不 开建筑师的参与，建筑师作为建筑的设计者，应根据不同的热水器类 型 ，技术要求，使用目的以及不同地理纬度和气候特点，建筑类型 等，对建筑的造型，平面布局和功能等进行综合考虑 ，另一方面太 阳能热利用设备的设计和生产厂家反过来也应从建筑师那里获得建 筑对其设备要求的反馈信息， 只有这样才能使设备的设计和生产与建 筑的使用达到完美的统一 ，推动太阳能在建筑上的运用。 参考文献： 1邱速希.非晶硅玻璃薄膜电池应用及热稳定性能和抗压性能测 试 .J.玻璃.2009,(4)：35. 2 杨金焕.于化丛 .太阳能光伏发电应用技术M. 北京：电子工 业出版社，2009. 3 郭瑾, 李积和. 国内外多晶硅工业现状 J . 上海有色金属, 2007, 28( 1): 20 - 25 . 5 吴财福，张健轩，陈裕恺.太阳能光伏并网发电机照明系统 D.科学出版社,2009 年 11 月. 10 1本文由xiaoyueyay贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 薄膜太阳能电池激光划线应用试验 o o o o o 发布时间：2010-07-26 15:04:41 文章来源：SPI 推荐给朋友 打印版 收藏&分享 我要评论 (0) 导读: 太阳能电池产品在薄膜钼玻璃背板的出现后进入了一个新方向更经济型 的太阳能发电。激光由于其更清洁和更有效的切割刻线技术站在了这一应用的最前线。 o 关键字 o 激光划线 薄膜太阳能电池 自从硅太阳能电池的出现以来，太阳能较其他方式产生电力的能力和成本一直 是阻碍其广泛应用的主要因素。 传统的太阳能技术已经可以替代燃料来发电， 但是其运行成 本令许多开发商望而生畏。而薄膜太阳能电池的出现或许能改变这一现状。 此技术的主要概念就是，光伏电池材料（在我们的例子中是钼Mo，它与半导体材料结 合后有很高的抵御高温和阻抗的能力）被沉积于一块基板上，通常是玻璃基板。由于其特殊 的性能，我们只需 0.001mm 厚的钼作为太阳能吸收层。因此，钼玻璃基板的大小就决定了 太阳能电池板的大小。 这是一个革命性的变化， 太阳能电池的大小不再依赖于所能得到的太 阳能晶体的大小。 薄膜太阳能电池的集成也相对简单半导体材料 （光电转换主体） 放置于电极层和隔 离层之间。如此可以重复多次以得到一个大的高效率的太阳能电池模块。 太阳能电池产品在薄膜钼玻璃背板的出现后进入了一个新方向更经济型的太阳能发电。 激光由于其更清洁和更有效的切割刻线技术站在了这一应用的最前线。 配置 激光器：SPI 200 W 水冷型光纤激光器 加工头：激光加工 焦距：100mm 辅助气体：氩气 结论 使用 SPI 200W 光纤激光器可以实现薄膜太阳能电池玻璃基板上的钼刻线。 激光加工 通常来说， 我们使用 YAG 激光器来实现这一应用。 因为 YAG 激光器 （一般为小于 400W 的连续激光）能克服工作介质有时会使输出功率、光斑大小和光束质量发生波动的限制。这 样就能避免随时间变化的激光参数影响到其加工，造成产品性能的不稳定。 在许多行业激光加工都是最后考虑的方法， 因为激光器要良好稳定运行需要不断的维护 以保证其 Cpk 值，这就无形中增加了生产商的成本。再加上如今亚洲普遍进行大批量生产， 比美国及欧洲更需要激光技术专家的支持。 光纤激光器的构成 鉴于 YAG 激光器是典型的使用棒泵浦源和反光镜准直的激光器， 光纤激光器通过 10um 的光纤进行传输， 这与长途电信网络的工作方式十分相像。 没有反射镜的光纤激光器称为布 拉格光栅激光器，它是用布拉格光栅替代了传统的激光谐振腔进行工作的。 使用多个单发射二极管作为海底电缆摻铒光纤 (平均无故障运行时间 400,000 小时)的 泵浦源。 所以实际上整个系统都是由单模光纤来传输能量， 这样便能保证整个过程不需要耦 合、没有热透镜效应和光路的校正(因为没有玻璃的光学器件)，而系统的设计维修时间间隔 为 30,000 小时的工作时长。 在实际应用中能证明这点：SPI 激光器的很大一部分的制造商用户都实行 24/7/365 运 作模式。他们测算的普遍的激光器停机时间小于 1%，且包括开机和热机时间。(光纤激光器 能实现快速启动且不需要热机)。 光纤激光器的优势 ·单模光纤，TEM00(M21.1) 高稳定性激光（功率漂移小于+/-0.5%） 激光通过光纤传输经准直的 5mm 的光束 泵浦过程无需光源，无需替换配件，拥有超过 30，000 的工作时间 没有热透镜效应，保证了激光质量和输出功率的稳定性 不含玻璃光学器件，没有耦合过程或光路调整 结论 这项新兴技术标志着太阳能领域的令人惊喜的发展成果。 这能加快太阳能电池的加工时 间和减少对半导体材料的浪费程度。 而光纤激光器又给这一正在成长中的技术一种可行的解 决方案或进行更进一步的测试，种种测试结果都可以证明这一点。 三工光电第五代薄膜太阳能电池刻膜机（G5）问世 作为科技部专项资金的承担项目， 公司最近推出的第五代非晶硅薄膜太阳能电池 第五代非晶硅薄膜太阳能电池 刻膜机已通过国家验收， “G5”无论是技术指标 技术指标还是产能效率 产能效率都达到世界一流水 刻膜机 技术指标 产能效率 平。该设备采用非接触式的工作台，不但解决了玻璃运行中的平稳性，还有效地 解决了摩擦问题； 使用世界一流的高性能激光器， 其性能指标包括脉冲的稳定性、 脉宽、 峰值功率等参数均达到世界先进水平； 另外在控制方面， 采用全自动控制， 包括自动进出料、自动识别、自动跟踪、自动校正和自动定位，这在国际还是首 创。 当检测到电池片缺陷时， 可立即进行重刻和补刻； 更可选择全部检测或抽检。 此外，“G5”属于高标设备配置，国内的客户基本要做的是“减法”而不是“加 法”。当客户不需要某些功能时，可根据要求去除,更可根据实际要求进行定制。 12 月，江苏强生公司斥资 1000 万元订制 “非晶硅薄膜太阳能电池成套生产设 非晶硅薄膜太阳能电池成套生产设 备”。 “这套国内领先、国际先进的设备，由一个一直静默的企业制造出来， 源于十余年的积累与坚守。”三工董事长何成鹏自揭谜底。 近期， 公司紫外激光器研发项目 紫外激光器研发项目正式启动。 紫外激光器的研发标志着三工光电激 紫外激光器研发项目 光设备加工手段多样化 市场应用广泛化程度 加工手段多样化、市场应用广泛化程度 加工手段多样化 市场应用广泛化程度逐步加强。 SDF50B / SDF10D / SSF10B / SSF5D 设备性能 SDF(SSF)系列激光刻膜机采用半导体泵浦激光器(或全固态激光器)， 光点固定不动， 工作 台带动电池板两维运动，或两维分离，光点沿 X 轴运动，电池板沿 Y 轴运动，刻膜专用 X-Y 工作 平台，伺服驱动、滚珠丝杠与导轨传动，或 X 轴直线电机驱动，通过界面友好的专用控制软件， 方便刻膜路径的编辑和修改，利用分光系统，同时完成两路或四路激光同步输出。 应用领域 薄膜太阳电池 TCO 膜、a-Si 膜（c-Si 膜）、Al 膜（ZnO 膜)的刻膜或划线。 主要技术参数 规格型号 激光波长 激光功率 激光重复频率 刻膜线宽 刻膜速度 刻膜精度 工作台幅面 冷却方式 SDF50B 1064nm 50W SDF10D 532nm 10W SSF10B 1064nm 10W SSF5D 532nm 5W 200Hz50kHz 80m 200mm/s 10m 1kHz100kHz 50m 600mm/s 10m 1250640mm 或 11001400mm 循环水冷 1250640mm 或 11001400mm 风冷 激光加工实现高效率晶硅太阳能电池 作者：Finlay Colville，翻译：廉锐；Coherent Inc. 在太阳能产业中， 宣称能够降低每瓦成本的技术总是能够吸引分析师的眼球， 这一点也不奇 怪。 几乎每一个与太阳能产业有关的路线图都由这一“神奇的”条件评价； 从终端用户安装率， 到电网比价，再到整个供应链中下一代设备的选择。从而，任何能够降低成本或提高太阳能 面板效率的新电池概念或工艺都能大获成功。 本文讲述了通过在下一代先进晶硅太阳能电池 生产线中采用激光设备，是怎样同时降低成本和提高效率的。 激光已经被广泛的应用于薄膜太阳能电池生产线中，而较少用于晶硅电池的制造。2008 年 用于太阳能产业的激光市场大约是 6500 万美元1， 其中约 70用于薄膜太阳能电池划线， 这一不平衡主要是由激光工艺在目前薄膜和晶硅电池供应链中的优先度差异导致的。 激光在晶硅电池生产中的应用 在薄膜电池工厂里， 激光划线是将面板加工成相互隔离并互连的电池的标准工艺。 而在晶硅 太阳能电池生产中，传统工艺是采用丝网印刷、腐蚀、沉积和扩散设备，激光器则经常被认 为是奢侈品而非必须品。目前大部分晶硅电池采用厚度约 200um 的 p 型硅片，正面和背 面分别用丝网印刷制备银电极和铝背场。 虽然这种标准晶硅电池的规模生产成本最低， 但电 池效率和制造良率仍然有待提高，需要在未来 35 年内能够用更薄的硅片（以降低硅原料 成本）制备更高效率电池的新技术。许多新型电池概念都采用激光工艺，广为世界领先的太 阳能研发实验室所推崇。 为何采用激光加工？ 为何采用激光加工？ 为了更好的理解激光在晶硅电池生产中提供的附加价值， 我们先来看一下目前电池制造过程 中的瓶颈，以及采用激光加工的下一代电池设计的优势。 要提高标准晶硅电池的效率，一般从采用下一代设备改进正面和背面电极制备的工艺开始。 将硅片厚度降低到95%的 良品率，非接触的加工设备具有天生的优势。由于上述两个因素，基于传统和新型激光工艺 的电极制备设备在晶硅电池发展过程中首先受到了关注。 另一个采用激光的关键工艺与晶硅电池的钝化层，即硅片表面的 SiNx 或 SiOx 层有关。虽 然钝化层不是晶硅电池的新特性，当硅片更薄时，由于表面相对体积的比例更高，钝化层的 存在更加重要。 通过降低少数载流子在表面上的复合损失， 同时提高背面对太阳光谱中长波 红外波段的内部反射率，钝化层被用于最大化电池转换效率。 当同时把上述先进电极制备和双面钝化特性应用于薄硅片新型电池概念， 以改进现有生产线 时， 激光设备成为整个设备产业链的关键技术。 以下章节详述了几种已经用于试生产或深入 研究的先进电池概念，以及激光在电池生产中的作用。 激光刻槽埋栅 激光刻槽埋栅（LGBC）是首个在晶硅电池生产中采用激光提高转换效率的工艺，1984 年 由澳大利亚新南威尔士大学提出2，并授权 BP Solar 应用于其 Saturn 生产线3。LGBC 结合了多种提高效率的技术：局域掺杂选择性发射极制备、高电导率化学镀电极、减少栅线 遮挡、以及增加电极高宽比。图 1 是 LGBC 工艺的示意图和上表面激光刻槽之后，镀电极 之前的 SEM 图像。 图 1. 激光刻槽埋栅（LGBC）是第一个激光用于高效晶硅电池生产线的实例。左图为工艺 原理，右图为 BP-Solar 拍摄的 SEM 图像。 与传统丝网印刷和烧结工艺生产的晶硅电池相比，LGBC 技术可以获得更高的效率。那么， 为什么 LGBC 没有在业界广泛使用呢？（事实上，这一问题也适用于一些采用激光在硅片 上钻通孔的背接触电池技术4。）其原因主要有以下几个：工艺的可重复性、增加的资本支 出和运行成本、每小时电池产量、非标准的生产线设备、以及效率提高与所需额外成本的比 率。 与激光边缘绝缘中的正面划线相似，对 LGBC 这样的重要应用，关于最适合的激光类型的 讨论却非常少。事实上，激光能否成功应用于晶硅电池生产线取决于以下关键因素：激光波 长、硅片损伤（激光辐照导致硅晶格缺陷，从而增加了光致电子空穴对的表面复合率）、热 残渣、微裂纹、满足行业标准每小时电池产量的在线工具，和包括激光工具在内的整套设备 工艺认证。选择正确的激光类型是任何表面划线工艺的关键部分，详见下述。 晶硅表面划线的激光器选择 LGBC 或边缘绝缘工艺中激光划线的要求非常类似 （激光划线还可以用于交叉电极背接触电 池方案中电极的绝缘和腐蚀屏障的构造）：在正面形成微米量级宽度和深度的槽线，最小化 表面和槽里的损伤， 尽可能减少微裂纹。 边缘绝缘要求在电池边缘和栅线之间刻一道连续的 线；在 LGBC 中则形成一系列等间距的平行线用于后续掺杂和金属化。 通过优化以下激光参数可以提高划线质量：脉冲宽度在几十纳秒以下以保证材料去除干净； 平均功率在 10W 以上以获得最快的加工速度；输出光束质量高（以激光术语来说，M2 值 1.3）以聚焦到微米尺度；激光波长采用较短的 532nm（绿光）或 355nm（紫外）以利 用晶硅在这些波长的吸收比 1064nm 红外激光高几个数量级的特性。 2 展示了采用紫外 图 激光进行表面划线的优势，图 3 则是由德国 LZH 和 ISFH 所做的在太阳能电池激光加工领 域最深入研究成果5之一，这一结果有力的支持在 LGBC 或边缘绝缘等表面划线应用中采 用短波长激光。 图 2. 采用红外（左图）和紫外激光（右图）进行激光边缘绝缘或 LGBC 划线的对比，采用 紫外激光在硅片表面上的沉积物更少。 图 3. 与长波长的 1064nm（红外）激光相比，采用短波长的 355nm（紫外）或 532nm （绿光）激光器划线在电池中的少子寿命比率更高（激光损伤更小）。图片来源于 A. Schoonderbeek et al., 4th WLT Conf., Munich 2007. 选择最佳的光束质量和激光波长之后，激光的平均输出功率决定了加工每片硅片所需的时 间。不同的工艺对激光功率的要求有很大区别。例如，在一片 6 英寸硅片上，边缘绝缘所 需的激光加工长度大约是 0.6 米，采用平均功率 10W 左右的短波长激光就可以了。而对于 LGBC，激光加工的长度要长的多（大约 1020 米），因此需要功率高的多的激光器或者 多路光束同时加工。为了不影响划线质量，在考察了现有的高水平 M2250nm 的激光吸收很少。为了满足对钝 化层之下的硅材料几乎没有损伤的严格工艺要求，可以选择两种类型的激光器。 第一类（也是更理想的）激光器类型是超短脉冲激光器，输出脉冲宽度在皮秒（1 皮秒 =10-12 秒）量级6或更短（飞秒）。这类激光在晶硅中的扩散深度很浅，所产生的热影 响区和表面热损伤最小，从而可以获得比采用纳秒激光器更干净的选择性电介质去除效果 （已通过实验验证，例如通过测量激光加工前后磷发射极的掺杂分布6）。超短的脉冲宽度 还可以导致多光子吸收， 例如波长500nm 激光通过双光子吸收就可以到达材料所需的 250nm 吸收波长。经过过去几年的发展，工业级皮秒激光器已经能够满足这一工艺的要求 （大部分太阳能实验室过去是采用波长在 355nm 和 1064nm 之间的纳秒脉宽激光器进行 电介质去除研究）。图 4 展示了采用 355nm 的高能量皮秒激光器进行的电介质去除。 图 4. 在下一代电池的正面或背面钝化层的加工。 另外一种选择是采用输出波长250nm 的短脉宽、 高能量激光器。 SiNx 和 SiOx 对这样短 的波长有更强的吸收。事实上，多年前就曾检验过采用 248nm 纳秒准分子激光器在 SiNx 上进行微米尺度结构的剥蚀，用于形成多晶硅电池正面刻蚀的屏障以提高陷光性能。 这两张图片展示了 355nm 的 Talisker 皮秒激光如何在电池表面选择性去除正面直线（上 图）或背面点结构（下图）。 准分子激光器是有着悠久工业应用历史的激光工具，也是深紫外加工必备的独特激光类型。 与 M2 值很低、可以在整个硅片上扫描以形成线或孔结构的半导体泵浦固体（DPSS）激光 器不同，准分子激光器一般需要与掩膜或线光束产生器配合使用，以获得所需的图形。除了 波长250nm 的特点以外，准分子激光器还可以提供几百瓦的高平均功率，以保证硅片高 速加工的产量。 准分子与皮秒激光器对电介质剥蚀应用的相对优劣仍在研究之中， 预计在未 来 6 个月之内会有初步结论。 结论 激光应用与下一代高效晶硅电池概念的成功取决于激光类型的正确选择， 近年来研究的进展 表明， 工业级短脉冲和短波长激光器是进行晶硅电池正面和背面电介质钝化层去除等工艺的 最佳选择。 注：Talisker 是 Coherent Inc.公司注册商标。 参考文献 1. F. Colville, “Lasers in the solar industry: market size, growth rates, & trends,” Lasers & Photonics Marketplace Seminar, San Jose, 2009. 2. M. Green et al., “Improvements in silicon solar cell efficiency,” Proc. of 18th IEEE PVSC, p. 39, Las Vegas, 1985. 3. N. Mason et al., “The Technology and Performance of the Latest Generation Buried Contact Solar Cell Manufactured in BP Solars Tres Cantos Facility,” Proc. of 19th European PVSEC, Paris, 2004. 4. P. Hacke et al., “Current status of technologies for industrial emitter wrap-through solar cells,” Proc. of 21st European PVSEC, p. 761, Dresden, 2006. 5. P. Engelhart et al., “Laser processing for back-contacted silicon solar cells,” ICALEO Paper M703, Scottsdale, 2006. 6. V. Rana et al., “Investigation into selective removal of silicon nitride using laser for crystalline silicon solar cells,” Proc. of 23rd European PVSEC, Valencia, 2008.1