PERC雷射開槽電池技術

1. 雷射開槽原理

1.1 雷射加工原理

雷射又名鐳射(Laser),它的全名是「輻射的受激發射光放大」。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。

加工原理為具有較高能量密度的雷射束照射在被加工材料表面，材料表面吸收雷射能量，溫度上升，產生熔融、燒蝕、蒸發，從而達到去除表層的目的。

1.2 雷射開槽作用

 

 

雷射開槽是利用雷射在矽片背面進行打孔或開槽，將部分AL2O3與SiNx薄膜層打穿露出矽基體，背電場通過薄膜上的孔或槽與矽基體實現接觸。

1.3雷射加工過程

1. 通過熱激發或光激發產生導帶電子;

2. 導帶電子通過雪崩電離和焦耳加熱吸收能量形成等離子體;

3. 等離子體通過電子聲子耦合將能量傳遞給材料品格;

4. 品格被加熱材料熔化、升華;

5. 物質的熱擴散和聲聲衝擊波引起周圍物質的變化。

1.4雷射規格參數

 

 

2. 開槽雷射系統介紹

2.1 雷射工作原理示意圖

 

 

2.2 部分實物示意圖

 

 

2.3光路校正檢查

1. 該雷射消融設備中，532nm雷射從雷射器輸出後，先經過兩路全反射鏡反射，再經過擴束鏡、手動光闌後輸入雷射掃描振鏡、聚焦透鏡，最後輸出經過聚焦後的雷射。

2. 雷射經過1號反射鏡，讓其傳輸方向改變90°;再經過2號反射鏡，讓其傳輸方向再改變90°。

3. 1號反射鏡與2號反射鏡的角度對雷射傳輸方向非常重要，同時會影響雷射傳輸的效率，在調整兩者的角度時需要特別注意，看雷射是否達到90°反射。(90°反射可以保證雷射傳輸過程中功率損耗降到最小)通過2號反射鏡後的雷射，經過擴束鏡中心輸出，直至掃描振鏡輸入端中心輸入。

4. 設備運行一段時間後，需要打開防護蓋板，確認反射鏡、擴束鏡、光闌固定螺絲是否鬆動。

2.4光路校正步驟

1. 佩戴好雷射防護眼鏡、532nm倍頻片(用於觀察光斑)。

2. 調整雷射功率到合適大小，大致10%左右的雷射功率。

3. 調整1號反射鏡角度，使得雷射達到90°反射到達2號反射鏡。

4. 調整2號反射鏡角度，使得雷射達到90°反射到達擴束鏡。

5. 使用倍頻片觀察擴束鏡輸出端，檢查雷射是否經過擴束鏡中心輸出。如果雷射偏離中心輸出，返回調整2號反射鏡、1號反射鏡。直至將雷射調整到中心輸出。

6. 調整擴束鏡倍數大小，直至將光束調整到工藝要求合適的工作焦距。

7. 調整雷射從手動光闌中心輸出，調整光闌孔徑大小，直至將雷射功率調整到工藝所需要求。

8. 調整雷射從掃描振鏡輸入端中心輸入。

2.5光路清潔維護

1. 作用：保證光路上各鏡頭(片)的潔淨度，決定了它們是否能夠發揮本身的光學性能：比如透光率、反射率等等。光路系統的維護主要指各個光學鏡頭(片)的除塵擦拭，光路系統部分的維護主要涉及以下幾個部位：

2. 光路封閉機構是否密封;

3. 雷射頭輸出窗口是否有灰塵;

4. 反射鏡、擴束鏡是否有灰塵;

5. 掃描振鏡頭X/Y反射鏡片是否有灰塵;

6. 至少每2周一次重點檢查F-θ場鏡輸出面是否有灰塵等汙染物，鏡面必須保證乾淨無任何汙染物。

2.6光路清潔維護操作

在準備對這些光學鏡頭、鏡片進行擦拭除塵之前，必須保證不能移動它們各自所在的位置。具體操作如下：

1. 光路維護人員首先戴好口罩、手套。

2. 準備擦拭除塵的工具：包括鏡頭清潔劑(鏡頭清潔劑由酒精和乙醚配兌而成，酒精和乙醚兩者都要100%的，等級選用分析純的，以避免雜質對鏡頭的傷害。酒精和乙醚的比例可取1：1，南方沿海地區氣候溼潤，可多加些乙醚，比例可取1：2)、光學長絨無塵棉籤棒、光學擦鏡紙、吹風球等。

3. 用內六角扳手鬆開並移除各光學鏡頭處覆蓋的封閉蓋板、套筒。在做移除操作時，動作務必輕柔，切不可將光學鏡頭(片)當前的位置調動，包括旋鈕螺杆，不能調動這些裝置。

4. 將封閉蓋板和套筒拆掉後，從正面對視，觀察裡面的光學鏡片(頭)是否有汙染物或者灰塵。

5. 用吹風球大致吹一次鏡頭。操作前要先空吹幾下，而後再吹鏡頭。手握吹風球的方法就像握木棍一樣，出風嘴朝下，吹氣時四指向著手掌心快速擠壓吹風球，這種方法基本可保證吹風嘴方向穩定。要小心吹風嘴碰鏡頭。

6. 用棉籤棒擦洗相對明顯的贓物或者印記：

將棉籤棒前端接觸擦拭液液體表面，多少以棉棒頭剛好吸滿擦拭液為止。切不可將棉籤棒全部浸入擦拭液。擦拭時同樣是從鏡頭的中間往邊緣劃圈擦拭，棉籤的一個擦拭面僅能擦拭一次，使用過的棉籤禁止再次放入鏡頭清潔劑中。棉籤棒不可重複使用。

7. 用光學擦鏡紙擦拭：

對於小的鏡頭(片)，可將準備好的擦鏡紙在1/3處對摺，換一個方向再在1/3處對摺，最後將兩次對摺的那個角再對摺，這樣就得到了一個45度的尖角。

將尖角粘少許清潔劑，避免滴液，而後從鏡頭的中間往邊緣劃圈擦拭。擦拭一遍過後，這個位置就不能再使用了。還是這塊布換一個位置再折出一個尖角，如此返復直至擦淨。

當無處可摺疊時應換一張紙，不得重複使用;對於大的鏡頭(片)，先將擦鏡紙在1/3處對摺，而後將食指放入對摺布內，再將布沿著手指尖卷出一個尖角即可。

3.雷射參數對電性能的影響

3.1 實驗樣品

實驗選取的樣品採用成熟的PERC技術，每組樣品雷射處開槽處理之前工藝完全相同，且背面SixNy顏色相近(SixNy顏色隨著厚度呈周期性變化)，以保證實驗樣品的一致性和實驗數據的準確性。

3.2實驗研究內容

實驗研究背鈍化技術在雷射開槽過程中雷射設備各項參數等對電池性能的影響，主要研究內容為：

1. 不同雷射功率對電池片性能的影響。實驗根據雷射器固定參數設定不同的輸出功率，以研究不同功率條件下電池片的性能。

2. 不同輸出頻率對電池片性能的影響。實驗通過調整雷射器輸出頻率，探究不同頻率條件下的開槽平滑度及電池片性能。

3. 不同開槽形貌對電池片性能的影響。實驗通過改變雷射開槽線寬及開槽線型，探究不同開槽形貌條件下的電池片性能。

3.3實驗工藝流程

1. 原矽片經過成熟的常規工藝制絨、擴散、刻蝕及氧化後;在矽片背表面生長一層厚度約5～8nm的Al2O3;

2. 本實驗採用原子層澱積(ALD)的方式生長Al2O3;在Al2O3表面鍍一層約150nm的SixNy保護層後，使用PECVD技術在矽片正表面鍍一層厚度約為80nm的SixNy減反膜;

3. 最後採用雷射技術在矽片背面開槽，打通鋁背場與矽片基本的連接通道，使鋁背場在印刷燒結後能與矽片產生有效歐姆接觸;

4. 矽片開槽後採用相同工藝經過印刷燒結，在相同機臺對電池片性能進行測試對比分析，以保證實驗數據準確性。

3.4結果分析

1. 不同功率的對比

實驗採用相同批次片源進行多組對比，在保證前段工藝與雷射設備其他參數完全一致的條件下，調節雷射器輸出功率，比較不同功率條件下成品電池片的電性能差異。

 

 

從實驗數據可看出，在雷射設備功率調節範圍內，在實驗功率遞增的條件下，電池效率波動不明顯且無線性變化的趨勢，這說明雷射設備功率在調節範圍內對電池片性能影響並不大。

2.不同頻率的對比

實驗選取相同批次片源進行多組對比，在控制其他變量的條件下，研究不同雷射頻率對電池性能的影響。在實驗原有工藝基礎上調節雷射設備的輸出頻率，設置雷射頻率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz頻率條件下電池片的性能差異，用3D顯微鏡比較了高頻與低頻工藝條件下開槽後電池結構的微觀形貌，在相同機臺對其電性能進行測試對比，驗證雷射頻率對電池性能的影響。

 

 

從3D顯微鏡測試結果來看，低頻工藝條件下雷射開槽深度較淺，疑似有SixNy殘留物，且開槽臨界面呈鋸齒狀結構;高頻工藝條件下雷射開槽深度相對較深，且開槽臨界面十分平整。這可能是因為在一定頻率範圍內，當雷射脈衝作用於電池表面時，頻率越高雷射能量釋放越大，因此開槽效果也相對較好。從電性能數據來看，2.0MHz工藝條件下的電池片性能要優於1.0MHz工藝。

 

 

電池片效率隨著雷射輸出頻率逐漸增加呈先升後降的趨勢。當雷射頻率低於2.5MHz 時，電池片性能隨著頻率升高而呈遞增趨勢;當雷射頻率高於2.5MHz時，電池片性能隨著頻率升高而呈遞減趨勢。

對比實驗數據不難看出，當頻率超過2.5MHz時，電池片填充因子FF也呈下降趨勢，進一步影響了電池片效率。這可能是由於在雷射開槽的過程中，雷射能量被SixNy/Al2O3鈍化介質膜吸收的同時，少部分溢出的能量也會被矽襯底吸收;

事實上，雷射能量大部分還是被SixNy/Al2O3鈍化介質膜吸收，以減少對原矽片的損傷。而隨著雷射頻率增加，雷射脈衝能量隨之增大，開槽效果也相對越好;當雷射頻率超過2.5MHz時，雷射能量在刻穿SixNy/Al2O3鈍化介質膜的基礎上對矽片表面產生了損傷，從而影響了電池片性能。

3. 不同形貌對比

實驗選取相同批次片源進行多組對比，在保證其他工藝條件完全一致的情況下，研究不同開槽形貌(線寬、線型)對電池性能的影響。兩組實驗分別選取相同片源，其中實驗通過3D顯微鏡測試對比了不同開槽線寬時電池性能的差異;而後選取A組實驗樣品採用連續線開槽工藝，B組實驗樣品採用間斷線(開槽0.8mm，不開槽0.2mm)開槽工藝，比較不同開槽線型條件下電池片性能，實驗數據下圖

 

 

從線寬可知，在控制其他變量的條件下，當開槽線寬逐漸增加時，電池片性能也隨之提高，這可能是因為相對大的開槽面積提高了電池片表面載流子的運輸性能，從而使電池片性能得到提升。

從線型可知，間斷線開槽工藝生產的電池片效率要比連續線開槽工藝高0.10%。而在其他實驗中發現，在燒結爐溫和鋁漿相同時，連續線開槽工藝所生產的電池片在經過印刷燒結後背場更易產生鋁珠和鋁刺，而間斷線開槽工藝所生產的電池片則幾乎沒有，這也從側面證實了間斷線開槽工藝的優越性。

3.5實驗結論

本實驗採用控制變量法研究了PERC電池雷射開槽時的雷射頻率、開槽形貌、設備功率對電池片性能的影響。實驗表明：

1. 雷射器輸出功率在14～17W範圍內，設備功率對電池片性能並無直接影響。

2. 雷射頻率在1.0～3.5MHz範圍內，當輸出頻率低於2.5MHz時，電池片性能隨著雷射器輸出頻率升高而呈遞增趨勢;當雷射器輸出頻率高於2.5MHz時，設備輸出頻率升高則會影響FF，從而使電池片性能降低，這可能與雷射開槽深度有關。

3. 當開槽線型相同時，開槽線寬在33～38μm範圍內時電池片性能隨著開槽線寬增加而提升，這可能是由於相對較大的開槽面積增進了鋁背場與矽片的有效歐姆接觸，從而提升了電池性能;而就開槽線型而言，間斷型開槽工藝要優於連續型開槽工藝。

4. 雷射工藝過程注意事項

4.1 生產注意事項

1. 工藝衛生：臺面、吸盤、皮帶每班生產前進行擦拭;

2. 生產前需確認雷射工藝、雷射狀態，雷射功率：目標值±0.3W;

3. 生產過程中每50片確認一次雷射圖形無異常;

4. 異常矽片、手接觸片全部返工處理;

5. 雷射光斑控制範圍：34±4μm;

6. 雷射後未印刷矽片在制品時間不得超過2小時。

4.2 雷射調試注意事項

1. 生產前確認雷射狀態及雷射功率是否開啟;

2. 生產前確認生產矽片種類，根據情況更改雷射圖形;

3. 連續生產前試生產幾片，查看外觀、雷射圖形等，確認後交付生產;整幅面光斑均勻性不好。

4.3 設備檢查以及維護

1. 每天生產任務完成後需對設備進行清潔，主要有臺面、白色勻光板、吸盤、裝載盒、傳送皮帶、主機內部大理石表面、抽塵口區域，使用無塵布蘸酒精清潔即可。

2. 設備運行10天後，使用吸塵器對設備內部進行徹底清理，以免矽片碎片或粉塵長期堆積造成機構堵塞、電氣短路等。

 

3. 相機光源設備每運行一周，定時檢查相機光源是否有汙染。