薄膜太陽能電池的雷射加工應用分析

2021-01-18 OFweek維科網

        超短脈衝雷射器被用於許多材料的高精度結構生產加工，這是因為超短雷射技術既非熱燒蝕、也非「冷」燒蝕的加工特點。然而，與工業用的傳統雷射光源相比，這些超短脈衝雷射器系統需要更大的投入和運轉資本。在材料加工市場中，皮秒雷射光源得到更廣泛的關注，這是因為傳統雷射光源已經無法滿足燒蝕質量的要求。

        當今的皮秒雷射系統性能良好，已經能夠在生產製造條件下正常運轉。它們在工業上得以成功應用的另一個重要的因素是其滿足加工製造周期的要求。當前的皮秒雷射光源重複頻率在500kHz，該重複頻率能夠滿足工業上加工速度的需求。滿足製造業要求的超快雷射光源之一是 picoREGEN工業雷射器，該雷射器由High Q Laser Production公司提供，輸出功率達30 W，脈寬為10 ps，重複頻率為500 kHz。

       

        該雷射器的一項有趣的應用領域是薄膜加工，在該應用中，有選擇性的燒蝕過程結合了高精度和高速度的特點，使得超快雷射器具備了無可比擬的優勢。另外，特別值得注意的是，目前薄膜太陽能電池的加工都還是基於納秒雷射燒蝕和機械刻線。這些加工過程在理論上都是可行的，但是在大規模生產過程中，仍然需要提高重複頻率和生產成本。
       
        歷史上，太陽能電池的生產採用了矽片的生產技術。該技術運用了低成本的浮法玻璃作為基底材料，而不是用昂貴的矽片。低成本基底結合了薄膜塗層作為作用層，大大降低了生產成本。薄膜太陽能組件可以利用嵌入式的手段，更為經濟、有效地進行生產，極大地減少了所需的材料，從而能夠與傳統能源進行有效的競爭。

        薄膜必須具有「行」結構以實現電隔離，在加工該結構時還必須保證基底和其他層不被破壞。目前，「行」結構的加工以及所實現的整流是通過納秒雷射燒蝕或者機械刻線兩種方法來實現的。利用超快雷射器對鉬（Mo）、二硒化銅銦（CIS）、氧化鋅（ZnO）和其他透明氧化物進行加工，研究表明：超短雷射脈衝減小了熱效應，重複性更好，但是在工業應用方面的加工速度仍有待提高。

       

        最近二硒化銅銦（CIS）薄膜太陽能電池引起了多方面的關注，這是因為與其他薄膜太陽能電池相比，它們具有高效能的特點。二硒化銅銦薄膜太陽能電池具有三個功能層（如圖1）。

        首先，厚度為500 nm的鉬層被噴射到幾個毫米厚的玻璃基底上，然後利用納秒雷射燒蝕進行所謂的P1工序。隨後，厚度為1 m到3 m的CIS層被沉積到鉬層結構上，這就形成了對光的吸收層，並且形成了p型半導體。在P2工序中，技術人員利用機械刻線的方式對CIS層進行加工，實現電隔離。隨後，厚度為1 m到2 m的透明導電ZnO薄層被沉積到CIS層的表面，從而形成了太陽能電池的n型部分。為了提高電池的性能，可以在CIS和ZnO中間加入一個緩衝層（CdS，100 nm）。鉬層通常被稱為「後向觸點」，ZnO層通常被稱為「正向觸點」。在最後P3工序中，技術人員利用機械刻線的方式對鉬層上的ZnO和CIS層同時進行加工。
        
        刻蝕工藝P1

        流水作業中通常採用納秒雷射進行P1加工（如圖2）。該技術可能使材料的邊緣過高，導致局部到上層的分流或者短路，邊緣的高度幾乎與鉬層的厚度相當。並且，在刻槽邊緣的5到10 nm範圍中存在微裂痕和局部材料的剝落，這更縮短了太陽能電池的壽命。此外，在雷射脈衝重合的地方，基底玻璃有可能被融化。這些情況的存在阻礙了正常的生產加工過程。在雷射重合所導致的玻璃融化區域，勢壘層可能被破壞。所有這些破壞都可以追溯到納秒燒蝕過程所產生的熱效應問題。

       

        圖3顯示了利用皮秒雷射在鉬層上得到的分流效果。從此圖可以看到圖像具有一些波紋狀的外形，並且邊緣的上、下兩端在高度上有些許不對稱。所幸的是，這裡所形成的邊緣並沒有納秒雷射燒蝕形成的邊緣那麼明顯。
        
        刻蝕工藝P2

        P2的加工過程是利用機械手段CIS層上刻線，CIS層在相對堅硬的鉬層之上。該技術的缺陷在於線寬有可能在60到120 m之間波動。圖4給出了皮秒雷射燒蝕得到的P2結構。利用皮秒雷射，技術人員可以有針對性且高質量地將CIS層除去，刻槽寬度僅為22 m。利用picoREGEN工業雷射器，加工速度可以達到3-4 m/s。該圖表明，利用皮秒雷射技術，技術人員能夠進行選擇性移除，而且不會帶來熱效應所導致的微裂縫或者材料剝落等問題。

        

         刻蝕工藝P3

        目前，對位於鉬層上的ZnO/CIS雙層的加工類似於P2結構的加工過程。刻線的寬度大於70 m，並且伴有不規則的材料剝落，而ZnO和CIS層的碎屑和殘留材料也散落在刻線中。刻線速度僅為幾個cm/s。

        通過利用皮秒雷射器，技術人員可以有選擇性的加工鉬層以上的ZnO/CIS雙層，並且不會帶來任何的破壞。圖5所示為雷射加工 ZnO/CIS雙層的效果圖。凹槽側面的階梯狀輪廓明顯體現了選擇性的加工過程的優勢。 此外，線寬僅為18 m，這說明了加工過程十分可靠，而且減少了材料損耗。



        這些結果表明了1064 nm的皮秒雷射可以作為一項通用的技術被應用於CIS薄膜太陽能電池加工中的所有過程（P1-P3）。最新型的皮秒雷射器具有很高的重複頻率，能夠保證工業級別的加工速度（幾個m/s）。此外，加工所得的刻線具有高質量和高穩定性的特點，這進一步表明了該技術能夠減少加工損耗，延長太陽能電池模塊的壽命。
        
        作者：Sandra Zoppel博士以及Heinz Huber博士都來自位於奧地利 Hohenems的High Q Laser Production公司

 

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