在隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池工艺中激光打孔对硅材料性能的影响.doc

在隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池工艺中
----激光打孔对硅材料性能的影响
摘要：隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池是一种新型结构的高效硅太阳电池，激光打孔是实现这新型结构的关键技术。但是，在激光打孔过程中基片会受到很大的辐射损伤，其材料的性能会发生明显变化，本文通过激光打孔后对材料测试分析发现基片打孔的周边辐射损伤很大；相对整个硅片，未打孔区的晶格质量得到了很好的改善；基片的电阻率明显降低，材料的体寿命有所增加。这对太阳电池要求的硅材料性能相当有利。
关键词：隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池 激光打孔 材料性能
在激光打孔后，对材料进行电子显微镜测试、拉曼测试、XRD测试、材料方块电阻的测试、材料体寿命的测量分析后发现。激光打孔实际上相当于激光退火过程

1.引言
隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池（Emitter wrap-through solar cell）是传统硅太阳电池的逻辑发展，该电池完全采用背接触方式，通过激光打孔把正面发射区和背面局部发射区连接在一起，实现将前表面发射区引入背面，正负电极全部交叉排列在背面，前表面采用优良的金字塔结构和减反射膜。与传统太阳电池相比，由于正表面不做金属电极，没有任何遮挡，有利于太阳光的吸收，可大大提高光生电流密度；电池的前后表面都采用了热氧钝化技术，对减少光生载流子的表面复合、增加长波响应非常有利，从而可使开路电压得以提高；电池背面采用定域合金制背场的方法，既产生了内建电场，同时减少电极与基体的接触面积，使金属与半导体界面的高复合速率区大大减少，降低了背面的表面复合，因而可更好地提高电池性能。其结构如图1所示：

图1：隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池结构示意图
在工艺上实现隐蔽性发射极穿孔硅太阳电池的结构，借助激光打孔是最好的手段，而这种电池的设计思想、工作原理对激光打孔又提出了新的要求，在考虑打孔实现的同时，还要兼顾电池栅线的设计，最重要的是在打孔过程中硅材料的性能变化很大。这种变化对电池的后部工序以及电池的效率都有一定的影响。
2.实验
本实验采用P型单晶硅（125mm×125mm）做基片，基本物理参数为：
   1、导电类型P（掺杂元素为B硼）
   2、晶向为<100>±3º
   3、电阻率0.5～6Ω·㎝,单片电阻率不均匀性（RRV）< 25 %
   4、体少子寿命> 1.2µs
   5、碳含量 < 5 × 1016 ，氧含量 < 1 × 1018
2.1 激光打孔中激光束与硅材料相互作用原理
激光打孔主要是利用激光对加工材料的热效应而实现的。其机理可用激光束与加工材料的相互作用的三个不同阶段来描述（如图2）

图2:激光打孔中光束与工件相互作用
首先是光的吸收阶段(图2a), 材料吸收激光, 这一过程与激光强度无关, 其吸收体积为VAB ,它可由激光的射入深度与激光束径来算。在这吸收体积中, 光束与材料的藕合能量,可通过不同材料的热导率来推算。该藕合的能量加热工件。因为从吸收体积VAB中,单位时间内散失的热量小于输入的热量, 这样根据不同的材料, 经过特定的加热时间后, 发生熔融或汽化, 当激光束强度I小于临界值IC工时, 工件材料进入第二阶段, 即熔化或部分汽化阶段（图2b),为了提高孔的加工质量, 力求材料尽可能的汽化, 因为材料汽化部分扩张, 可将孔道中熔化部分迅速排出。当进一步提高光束强度, 超过IC时, 材料进一步汽化, 并在孔的通道内离子化, 形成等离子体, 进人第三阶段(图2c)。此时由于等离子体的形成, 将会对光束产生吸收, 或者甚至形成一个吸收光束的屏蔽层, 影响激光打孔的进程。因此, 激光打孔的激光束功率要控制适当, 使等离子体处于最佳状态, 否则大量等离子体除了吸收光束外, 还会导致激光的散射,把能量辐射到孔壁, 也会引起液相流入孔道底部或覆盖堵孔。
2.2 激光打孔设计
本实验采用了两种打孔模式：2mm*0.8mm，3mm*0.5mm,打孔参数如下表1
表1 激光打孔参数设计
打孔模式
mm*mm
激光波长
nm
孔径
μm
孔数
孔密度
1hole/mm2
边距
mm
2.0*0.8
1064/532
150
8640
1.57
1.5
3.0*0.5
1064/532
150
8378
1.46
2.5
其设计图如下：

图3：2.0*0.8打孔模式设计图

图3：3.0*0.5打孔模式设计图
2.3 激光打孔的实现
激光打孔的实现是在深圳大族激光股份有限公司的帮助下完成的，深圳市大族激光科技股份有限公司采用的群孔加工模式是：加工系统在整个打孔过程中，工件始终不动，激光输出头作二维灵活运动，反复照射的加工方法。两种机型：（1）光纤激光打标机（YLP-20）, 激光输出波长是1064nm, 激光雕刻深度：0.4 mm；（2）半导体侧面泵浦绿激光打标机（DP-G15）, 激光输出波长是532nm，激光雕刻深度：0.01-0.3mm。
光纤激光打标机和半导体侧面泵浦绿激光打标机打孔时输出参数及打孔模式的选择见下表2：
表2 激光打孔输出参数及打孔模式的选择
机型
DP-G15
YLP-20
电流 （A）
23.3
25
打标总数（次）
15.0
8.0
打标速度（mm/s）
空调速度（mm/s）
50.0
30000.0
200.0
30000.0
激光开延时（s）
激光关延时（s）
-250.0
400.0
-250.0
400.0
跳转延时（s）
拐弯延时（s）
800.0
5.000
800.0
5.000
Q Switch频率（KHZ）
10.000
10.000
Q 释放时间（s）
2.000
2.000
打标时间（min/1片）
172
103
打孔模式mm*mm
2.0*0.8（1片）1#
3.0*0.5（1片）2#
2.0*0.8（1片）3#
3.0*0.5（1片）4#
3.结果与讨论
为方便测试和对比讨论，分别对样进行编号如下表3：

表3：样品编号示意图
样品编号
打孔模式
激光类型
备注
0#
---------
------
P型硅基片
1#
2.0*0.8（1片）
DP-G15
----------
2#
3.0*0.5（1片）
DP-G15
----------
3#
2.0*0.8（1片）
YLP-20
-----------
4#
3.0*0.5（1片）
YLP-20
-----------
5#
---------
------
打孔清洗后新样品
3.1电子显微镜测试
我们取两个样（1#和3#）进行实验检测和讨论。利用电子显微镜分别对1#和3#样品前后表面进行形貌观察，见图6：
图4：1#和3#样品前后表面电子显微镜形貌图
比较图4，不难发现打孔以后前表面和后表面有很大的孔径锥度，前表面的辐射损伤远远大于后表面的辐射损伤；另外，比较两种激光类型打孔对材料的辐射损伤程度，采用DP-G15(512)激光要比YLP-20（1064）好的多，但是打相同的孔数采用DP-G15(512)所用的时间差不多是YLP-20（1064）打孔所用的时间的1.5倍。
3.2 拉曼测试
采用共佳Raman光谱仪，（分辨率为1cm-1,激光器为半导体激光器，输出功率为20W）分别对原硅片和打孔以后的硅片进行测试，测试拉曼图（见图7）。

图5a 原硅片和未打孔区域的激光拉曼光谱

图5b 打孔周围和未打孔区域的激光拉曼光谱
从上图中可以看得出，（1）打孔以后，峰位发生了红移（移向低波数），说明晶体硅的Si-Si键键长伸长了，材料发生了热膨胀的物理效应，这是在激光打孔过程中，产生大量热量导致热膨胀系数失配而引起的。（2）打孔以后，无论是打孔的地方还是没有打孔的区域半高宽（FWHM）变小了，一方面说明材料的元激发（电子和空穴或者电子-空穴对形成的激子）的寿命发生了变化 ；另外一方面也可以说明材料的晶体结构发生了变化。（3）在打孔区域硅520cm-1特征峰更明显，但是在波数509.823cm-1出现了个小峰，表征有非晶硅物质生成，说明在打孔区域有非晶化的过程。实际上，从图4也可以看得出来，在孔的周边激光辐射损伤很严重，所以在以后的工序中，必须想办法把这些损伤去除掉。
3.3 XRD测试
采用Y-4Q型自动X射线粉末衍射仪分别对1#、2#、3#、4#样品测试，得到以下实验数据及衍射图，见表4和图6，进一步研究打孔以后晶体结构的变化。
说明： Intensity = Counts, 2T(0)=0.0(°), Wavelength to Compute d-Spacing = 1.54056A(Cu/K-alpha1)
图6a:基片和样品2#、3#前表面XRD衍射图谱
图6b:基片和样品2#、3#、5#背表面XRD衍射图谱
比较几种样品Si(400),相关物理参数如下表4
表4：样品XRD分析表

0#
3#前表面
3#后表面
2#前表面
2#后表面
5#前表面
5#后表面
2-Thea
69.278
69.164
69.153
69.226
69.205
69.119
69.122
Delta
-0.148
-0.034
-0.023
-0.096
-0.075
0.011
0.008
d(nm)
0.1355
0.1357
0.1357
0.1356
0.1356
0.1359
0.1357
FWHM
0.122
0.119
0.120
0.123
0.297
0.116
0.117
XS(A)
78.26
80.18
79.50
77.622
32.134
82.23
81.53
Strain
0.0339
0.0061
0.0139
0.0246
0.1842
0.0268
0.014
注：标准峰位（Phase ID Si, h k l (400)）在2-Theta=69.130
从分析图图8b可以看得出，打孔后硅片的前表面有微晶硅生成，结晶度都达到99.5%以上，且晶面取向为（211）。这是在激光打孔过程中浅表层发生融化，随后融化层在基体晶粒上外延生长形成的相对完整的微晶粒，这种晶粒的生成，能够有效的消除材料内部的少数载流子的复合中心。除了样品2#外，其他样品比较P型硅基片，晶粒尺寸（XS）都变大，这说明打孔后材料内部的质点排列比较规则，降低了P型硅基片晶体中的位错等缺陷，改善了晶格质量。晶粒内部的微观应变（Strain）都变小，这相当于激光退火的物理过程。比较电子显微镜测试和拉曼测试分析，不难发现，打孔以后虽然在孔的周边辐射损伤很大，但是材料的晶格质量总的趋势是变好了。这一点我们可以这样理解：材料上损伤区域的面积差不多就是打孔的区域的面积（），,这比较材料总的面积（15625mm2）要小得多，而没有打孔的区域在激光的辐射作用下，晶格质量变好了。
经过上面的分析，材料的方块电阻率应该减少，体寿命应该增大，下面通过两个实验来验证这一点。
3.4 材料方块电阻的测试
采用四探针测试仪，分别对四个样品测试，结果如表5。
表5：方块电阻的测试结果
样品编号
（）
0#
172
1#
47
2#
44
3#
45
样品的厚度都是一致的，所以打孔后材料的电阻率也是呈下降趋势。
3.5 材料体寿命的测量
测试设备：SEMILAB OBIC-SCANER U-PCD，测试条件：室温，测试结果如图9，表6。

图7：样品的体寿命测试示意图
表6 样品的体寿命测试结果
样品编号
Average(ns)
Median(ns)
Maximum(ns)
Minimum(ns)
0#前表面
2866.6
2803.8
37223
1371.5
3#前表面
2900.5
2750.5
73822
81.044
3#后表面
2974.7
2845.2
67072
111.28
2#前表面
2793
2684.1
70150
121.04
5#前表面
3160.2
2981.8
71531
78.42
5#后表面
3092.8
2909
62884
84.384
从图7，表6，可以看出打孔以后，除了样品2#外，其它样品的体寿命都有所增大，特别地，样品5#的寿命最大，这与上面的实验是相吻合的。
4.结论
通过激光打孔，实现了EWT硅太阳电池的关键工艺，并使硅材料本身的性质趋向于好的方向发展，对下一步太阳电池的制作提供了较好条件。在制备硅太阳电池材料的过程中，机械加工往往使材料表层微结构产生缺陷；掺杂时杂质离子能量高，进入基片后会使基片形成错位、层错及各种类型的缺陷，注入层遭到了破坏，加之，注入的杂质未进入晶格位置，导电性能较差。在激光的作用下，破坏的表面层再结晶，部分消除了材料表面的缺陷，改善了晶格结构；恢复了注入杂质的电活性，增加了P型杂质的固溶度，改善了晶格的质量，同时使杂质离子进入了晶格的位置，使得硅的电阻率下降，少子寿命提高。

参考文献：
[1] P. Hacke, J. M. Gee, M. Hilali, etal., “Current status of technologies for industrial emitter-wrap-through solar cells,”in Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, pp. 761–764, Dresden, Germany, September 2006.
[2] Weixu Long, Jielei Tu, Zhigang Wang, Haiyu Cui, Julian Deng,“APPLITION OF LASER TECHNOLOGY IN HIGH EFFICIENCY SILICON SOLAR CELL MANUFACTURING”, The 4th International Green Energy Conference October 19-23, 2008, Beijing, China.
[3] 程光煦编著，拉曼 布里渊散射——原理及应用，科学出版社（2004）.