1、中山大学硕士学位论文论文题目 : 激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究 专业 : 光学工程 摘 要 本文以实现高效低成本晶体硅太阳电池制备为目标，对激光技术应用在晶体 硅电池制备中的一些新工艺进行了开发研究。本文第一章首先对晶体硅太阳电池 的发展现状及技术方向做了介绍，随后分析了激光技术在晶体硅电池上的一些应 用研究，指出激光工艺的优势及本工作重点。 第二章至第四章进行了多种激光工艺的开发实验，包括： 1 激光隔离电池漏电区。通过利用 IV 测试、红外测试等手段分析研究晶体硅电池的漏电情况，采用激光刻蚀切断电池表面 P-N 结和电极，使电池表面局部的漏电源失去作用，从而修复因为局部漏电造成
2、的低效率电池。本论文的工作形成了一套完整的工艺方法，通过对激光工艺的优化实现精确无损伤隔离，批量处理实验证实该技术可以将局部漏电低效电池的效率提高 19%，恢复到同批次正常水平，进一步工作将尽快把该技术推向产业化。 2 多晶硅表面激光织构化研究。该工作利用聚焦激光束在多晶硅表面刻蚀形成具有减反射效果的表面织构，通过尝试不同的刻蚀方案，优化激光参数，最终 获得减反射性能较好的表面织构，其反射率在激光刻蚀后约为 67%，经过化学腐蚀清洗后为 1015%，优于目前采用的纯化学方法。初步实验所制备的表面织构在结构尺寸和损伤控制方面还需要进一步改进。 3 激光烧结背面点电极。该工作主要是开发用于制备背面
3、点电极结构的激光烧结工艺，在实验中制作了采用蒸镀和印刷工艺制作金属层的样品，通过优化激光参数，采用多脉冲烧结逐步提高烧结质量和电池效率。相比蒸镀铝，印刷工艺在实验中显示出明显的优点。文中对影响点电极性能的因素进行了分析，对不同 金属层的特性做了比较，初步掌握了激光 烧结的技术特点和要求。 Page I 激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究 最后，本文对实验工作进行了总结，分析技术改进的共性问题和激光技术在 晶体硅太阳电池的应用前景。 关键词：晶体硅太阳电池、激光工艺、漏电区域、织构化、激光烧结 Page II 中山大学硕士学位论文 Abstract In this thesis resea
4、rch of laser technology in the preparation of crystalline silicon solar cells are conducted to improve efficiency and control cost. In Chapter 1 the development situation and technical direction of crystalline silicon solar cells are described, and then the laser technology used in the crystalline s
5、ilicon cells is introduced. In Chapter 24, result of different experiments are fully analyzed and discussed:1. Laser isolation of shunt region. First of all, IV test, infrared image and other methods are used to analyse and locate shunt regions on the front surface of solar cell. In order to disable
6、 the shunt regions, laser etching cut through the p-n junction and electrode fingers around the shunt regions. By this way low efficiency solar cells caused by local shunt regions can recover their function. A systemic technology has been developed, through which the local shunt regions can be isola
7、ted precisely without additional injury. Low efficient solar cell caused by local shunt can gain an efficiency promotion of 19% .Further work will promote this technology into industrial application, which will bring significant improvement in this area. 2. Laser texturization of polycrystalline sil
8、icon. In this work , polycrystalline silicon wafer is etched by focused laser beam to form anti-reflection surface texture. Different etching programs and laser parameters are tried and optimized to achieve a final anti-reflection surface texture with good performance. The surface reflectivity is ab
9、out 67% after laser etching, and 1015% after chemical etching. Page III 激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究 The result is better than that of the current pure chemical etching. There are also further efforts need to be done with the structural dimensions and damage control in this work. 3. Laser-fired rear side po
10、int contact. The technology is primarily developed for the preparation of the rear side point contact structure. In this work, metal layer on the rear side is prepared using thermal evaporation or screen printing. By optimizing laser parameters, the quality of point contact and efficiency of solar c
11、ell are gradually improved. Compared with thermal evaporation , the screen printing method shows significant advantages . By analyzing the properties of point contact and comparing the characters of different metal layers, such technology has shown great application potential. Finally, these experim
12、ents are summarized, the common problems of technical improvements and the prospect of laser technology in crystalline silicon solar cells are analyzed. Key Words: Crystalline Silicon Solar Cell 、 Laser Technology、 Shunt Isolation 、Texturization、 Laser-fired Page IV 中山大学硕士学位论文 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 光伏产业
13、的发展 . 1 1.2 晶体硅太阳电池 . 3 1.2.1 基本结构与原理 . 3 1.2.2 工业化生产晶体硅电池工艺 . 5 1.2.3 提高晶体硅电池效率的技术原理 . 6 1.3 激光技术在太阳电池中的应用 . 8 1.3.1 激光刻槽隔离 . 9 1.3.2 激光表面织构化 . 11 1.3.3 激光制作背面点电极 . 13 1.3.4 小结 . 17 1.4 本论文的工作 . 18 第二章 漏电电池激光隔离修复 . 20 2.1 晶体硅电池漏电特性及成因 . 20 2.2 漏电电池的检测及定位 . 22 2.3 激光隔离的优化 . 26 2.4 批量实验结果 . 29 2.4.1
14、A 组单晶硅电池实验结果分析 . 30 2.4.2 B 组多晶硅电池实验结果分析 . 32 2.5 中试线设计及产业化 . 35 2.6 本章小结 . 36 第三章 多晶硅表面激光织构化 . 37 3.1 激光表面织构化原理 . 37 3.2 实验设备与方案 . 38 3.3 表面织构化效果分析 . 40 3.3.1 凹槽阵列结构 . 40 3.3.2 “凹槽 +凹坑 ”阵列结构 . 42 3.3.3 存在的问题及改进方向 . 47 3.4 本章小结 . 48 第四章 激光烧结背点电极 . 49 4.1 开发激光烧结技术的意义 . 49 4.2 激光烧结实验条件 . 50 4.2.1 样品制备
15、 . 50 4.2.2 激光设备 . 51 Page V 激光工艺在晶体硅太阳电池制备中的应用研究 4.2.3 背面金属层 52 4.3 实验结果及讨论 . 52 4.3.1 A 组镀铝样品 52 4.3.2 B 组印刷浆料样品 57 4.4 本章小结 . 59 第五章 结论 .60 参考文献 .62 附录 .67 攻读硕士学位期间发表论文及申请专利清单 .67 致 谢 . 68 Page VI 中山大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 光伏产业的发展 根据世界光伏产业权威杂志 PHOTON的统计数据 1， 2009 年全球太阳电 池的产量达到 12.3GW，虽然从 08 年底遭遇全球金融危
16、机，但全年产量仍比 2008 年强劲增长了 56%，延续了近几年来的快速增长趋势，中国大陆的电池产量 200 年位居世界第一，达到 4.68GW，约占全球产量 38%。 图 1-1 太阳电池产量增长图 19992008 ,数据来自文献 1 光伏市场的快速成长主要有两个原因： 一是传统经济模式大量消耗化石能源，排放温室气体导致的全球暖化、气 候剧变等问题已经严重影响人类的生存环境，新能源作为解决问题的重要途径， 日益成为各国关注的焦点。 根据联合国政府间气候变化委员会（ IPCC） 2007 年的气候变化综合报告 2，在过去的 100 年，全球观测的平均气温上升了约 0.7%， 在 199520
17、06 年这 12 个年份里，有 11 年位列自 1850 年以来最热的 12 个年份之中。全球暖化的主要 Page 1 第一章 绪论 原因来自二氧化碳为主的温室气体排放，在 19702004 年间，二氧化碳的排放增 加了约 80%，大气中二氧化碳的含量超过了过去 650,000 年自然波动的范围。如 果这种趋势继续发展，那么到 2100 年全球温度将上升 450C，而科学家预测气 温升高 20C 将会导致大规模的动植物灭绝，严重影响人类生存环境，而升高 60C 则直接导致人类的大规模灭绝。 图 1-2 本世纪温室气体排放及全球增温的预测曲线图 2 因此为了抑制气候剧变，发展环保可持续的替代能源
18、成为一个必要的手段， 光伏技术直接将光照转化为高品质的电力能源，使用寿命长达 30 年以上，全寿 命的碳排放量仅为 2535g/KWh(以南欧地区为例 )，不到天燃气发电的十分之一 3。使用中不产生排放气体和噪音，光伏组件既可建立大规模集中电站，也可以 作为建筑构件实现与人类生活环境完美结合，目前德国弗莱堡已经建成世界上第 一座太阳能应用示范城市，为人类未来展示了一条光明的道路。太阳能光伏产业 正成为各国竞相发展的重点，预计到 2050 年，光伏发电将成为全球能源的主要 来源之一，从而为全球减少温室气体排放提供有力的支持，并且解决化石能源枯 竭后人类长期的能源供应问题。 二是随着光伏技术的进步
19、，其产品成本逐步下降，性能不断提高，从技术 和经济上具备了大规模普及的可能。 Page 2 中山大学硕士学位论文 目前光伏市场上太阳电池包括晶体硅电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉薄膜电 池、铜铟镓硒薄膜电池等，其中主流产品仍然是晶体硅电池，在 2009 年 12.3GW 的总产量中，多晶硅电池占 46.9%，单晶硅电池占 34.1%1。晶体硅电池具有转 换效率高、性能稳定、生产工艺成熟，成本合理等特点，预计在今后十年内依然 占主导地位。 随着太阳电池市场和产业的不断成长，电池生产设备和工艺不断改进优化， 目前普通工艺的单晶硅电池转换效率已从 16%提高到 1718%，多晶硅电池的效率 从 14%提
20、高到 16%，而且各种新型高效电池技术纷纷出现，如选择性发射极、激光制绒、电镀或者多次印刷的电极栅线等，推动大规模生产电池效率向 1920% 的目标迈进。 同时市场的需求刺激产业链生产规模扩大和成本下降，随着多晶硅料每公斤 价格从 2008 年最高峰 500 美元下降到目前 100 美元以下，目前晶体硅电池的成 本从前几年每瓦 23 美元降至约每瓦 1.5 美元，整体系统的成本比 2003 年下降 了约 50%，离世界公认的光伏平价电力所需每瓦 1 美元的成本目标越来越近，一 旦光伏发电达到与现有电力平价，在经济上具有核心竞争力，那光伏发电的普及 速度将有更大幅度的提高。欧盟是目前世界太阳电池
21、最成熟的市场，其太阳能光伏技术研究咨询委员会（ PV-TRAC） 2009 年发布了名为 PV Status Report 2009的报告 4，报告中提出了既现实又宏伟的发展目标：使欧盟的太阳能光伏发电系统装机量在 2020 年达到 350GW（至 2008 年已安装约 9.5GW），承担欧盟 12%的电力需求。对比 2009 年全球 12.3GW 的产量，可 见光伏产业仍是处于起步阶段， 发展空间极大。 1.2 晶体硅太阳电池 1.2.1 基本结构与原理 图 1-3 是典型的晶体硅太阳电池结构及工作原理示意图，电池以 P 型晶体硅为衬底，从上到下依次为前电极，正面减反射膜， N 型扩散层， P 型衬底和背面电极。电池利用光生伏特效应工作，硅材料是半导体，本身具有一定的禁带宽度 Page 3
