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1960年雷射的發明可能是人類歷史上最重要的裡程碑之一,雖然發明者Ted Mainman並沒有因此得到一枚諾貝爾獎章。雷射對人類社會的各個領域都產生了重大影響,光伏也並不例外。在太陽能電池的製備過程中,雷射被用來開槽(埋柵電池)、隔離(邊緣隔離、電極隔離)、切片、織構、消融(PERC),數不勝數。這裡兔子為大家簡要的介紹一下雷射在摻雜上的應用。
光伏器件作為半導體器件,發電依賴於內建電場,而內建電場是通過在材料裡面添加不同極性的摻雜來實現的。所以摻雜工藝無論是對於太陽能光伏器件的提效還是降本都具有極其重要的意義。雷射摻雜的本質特性在於,雷射所掃之處將固體融化,所以整個擴散工藝是在矽的液相完成的,相比矽的固相擴散(高溫擴散),擴散係數要高出幾個數量級。這就為結區設計極大的拓寬了可能性。
(ANU的523 nm雷射平臺)
雷射摻雜的方法,主要有磷矽玻璃(PSG)層擴散,旋塗摻雜(SOD)擴散、氣體浸沒式雷射摻雜、雷射化學摻雜等等。雷射摻雜快速、成本低、可控性好。
雷射摻雜的難點在於缺陷的引入。由於雷射摻雜的過程是一個把晶矽融化為液體再重結晶的過程,所以晶體結構不可避免的受到一定的破壞,而破壞的程度和晶向有關。另一方面,由於摻雜的過程是把摻雜標的物注入矽材料中,摻雜標的物載體和介電層的雜質純度也會產生影響。解決方案的方案可以使用氧化矽中間層。當然最後是雷射波長、能量、脈衝、時間的設定,連續波雷射器(CW laser)可以很大程度上解決這個問題。
(不同雷射參數造成不同的缺陷密度。Energy Procedia, Fell, 2013)
結深方面,主要的影響因素是脈衝之間的矽固化結晶過程。如果需要比較深入的摻雜,長時間的脈衝是必要的。CW雷射在這方面具有相當優勢,結深可高於10微米。
形貌方面,線摻雜、點摻雜和其他複雜形貌的摻雜都是可以靈活實現的。
摻雜源方面,除了一般的SOD,雜質也可以從其他的介電層引入,比如Al2O3,這為電池設計拓寬了思路。早期UNSW和IMEC工作,通過Al2O3雷射摻雜的PERC和PERL電池也達到了20%的效率。
電池種類方面,雷射摻雜選擇型發射極電池(LDSE)是典型代表。雷射開槽+摻雜,再接上電極電鍍,可以完美實現自對準,免去了一系列對準的難題。
雷射摻雜應用於IBC電池,也是降本的重要思路。但是由於IBC電池對雷射摻雜參數相當敏感,缺陷問題難以解決,IBC雷射摻雜具有相當挑戰。24%的效率是理想的估計。
雷射摻雜引用於n-PERT電池,已經達到了iVoc高於700 mV。目前的研究表明,氫鈍化對解決雷射摻雜引起的缺陷問題相當有效。
視頻連結:
1. UNSW SPREE 201409-11 Klaus Weber - 理解雷射摻雜
2. UNSW SPREE 201408-21 Andreas Fell - 太陽能電池雷射局域摻雜電池技術
3. UNSW SPREE 201405-22 Brett Hallam - 先進雷射摻雜太陽能電池技術
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