激光高效加工優(yōu)化太陽電池制造

1、激光高效加工優(yōu)化太陽電池制造2010-10-26 10:27 | 發(fā)布者：guhonghu | 查看數(shù)：78 | 評論數(shù)：2摘要：激光高效加工優(yōu)化太陽電池制造-暨國內(nèi)激光技術(shù)及企業(yè)現(xiàn)狀分析文 /凱瑞【編者按】：從最初對整個光伏產(chǎn)業(yè)涉入激光企業(yè)的搜集了解、到激光在太陽能光伏領(lǐng)域的市場調(diào)查、再到激光技術(shù)在高效太陽電池的應(yīng)用以及后期原文內(nèi)容由凱瑞提供激光高效加工優(yōu)化太陽電池制造-暨國內(nèi)激光技術(shù)及企業(yè)現(xiàn)狀分析文/凱瑞【編者按】：從最初對整個光伏產(chǎn)業(yè)涉入激光企業(yè)的搜集了解、到激光在太陽能光伏領(lǐng)域的市場調(diào)查、再到激光技術(shù)在高效太陽電池的應(yīng)用以及后期的激光 企業(yè)跟蹤走訪，筆者愈深入了解愈發(fā)覺激光技術(shù)在光伏產(chǎn)

2、業(yè)的巨大發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前全球光伏業(yè)，降低生產(chǎn)成本、提高轉(zhuǎn)換效率幾乎是所有太陽電池廠商最 迫切想解決的難題，為此各類先進(jìn)技術(shù)層出不窮、相互爭奪市場份額。在此背景 下，激光技術(shù)以其精準(zhǔn)性、速度、零接觸以及良好的熱效應(yīng)等優(yōu)勢應(yīng)用到光伏產(chǎn) 業(yè)。如今，在光伏領(lǐng)域擁有一套特定且不同工藝參數(shù)的激光設(shè)備及技術(shù)，以其在線加工系統(tǒng)中的關(guān)鍵地位，為優(yōu)化太陽電池制造、降低生產(chǎn)成本、提高轉(zhuǎn)換效率 發(fā)揮著越來越重要的作用。本選題透過激光技術(shù)在高效太陽電池中的應(yīng)用及激光企業(yè)的視角，洞察國內(nèi)大型太陽電池片生產(chǎn)廠商、相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)對自身競爭力及產(chǎn)品高效的重視力度 與研發(fā)舉措，結(jié)合時下光伏業(yè)內(nèi)大片“高效率低成本”的呼聲，筆者深感國

3、內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟與理性回歸，整個光伏產(chǎn)業(yè)悄悄呈現(xiàn)出“企業(yè)技術(shù)核心(CTO與各環(huán)節(jié)企業(yè)核心技術(shù)”對話的趨勢！激光技術(shù)，高效太陽電池催化劑高效晶體硅太陽電池研究，是在晶體硅太陽電池方面開展的一系列新技術(shù)、 新工藝研究。如背接觸激光貫孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、LFG絲網(wǎng)印刷的新型背接觸太陽電池研究、n型太陽電池技術(shù)研究等。研究水平和影響相當(dāng)不錯，開發(fā)的LFC電池轉(zhuǎn)換效率接近19%，目前制備選擇性發(fā)射極太陽電池轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)到19%。值得一提的是，對于高效太陽電池的研發(fā)，如今已不僅僅是太陽電池廠商一方的努 力，還有來自各個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)企業(yè)、 科研院校、R&D實驗室的先進(jìn)工藝加盟，就 像尚德冥王星計劃，實行

4、強強技術(shù)合作，將大大加快高效太陽電池實現(xiàn)量產(chǎn)的速 度。據(jù)了解，激光技術(shù)在高效太陽電池的制造中，顯示出相對低調(diào)卻又極其重要 的助推催化作用。我們先來看下激光技術(shù)在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中一些主要應(yīng)用，如激光刻邊(laser edge isolation)激光摻雜(laser doping diffusion)、激光燒結(jié) LFC (laser fired contatcts)、埋柵極刻槽(LGBC)激光制絨(Texturing)、鈍化介質(zhì)膜燒蝕 (laser ablation)、激光切割(laser cutting)、背結(jié)電池鉆孔(laser drilling)、焊接 (Soldering) RISE-E

5、WT(LFC,structuring,drilling) ID 標(biāo)記(Marking)、電池分割 (Sin gulatio n)等。為更具體地進(jìn)行闡述，我們結(jié)合當(dāng)前幾大高效太陽電池的制造來看幾項主要 激光技術(shù)在其中扮演的角色及所處位置。1、激光燒結(jié)技術(shù)(laser fired contatcts，簡稱 LFC)該項技術(shù)由Fraunhofer ISE開發(fā)，試制階段 LFC工藝能以1 0000個/s的速 度產(chǎn)生100 urn的接點，工業(yè)規(guī)模化的成本效益提高，其對材料、所有厚度晶片 的功能及摻雜水平都沒有太大影響，而且能與大多數(shù)其它高效率的電池設(shè)計兼 容，最終的結(jié)構(gòu)使得電池可以有19%的效率。激光燒

6、結(jié)工藝對太陽電池的影響不容忽視，其優(yōu)化晶體硅電池制造、加速電池高效的一個典型案例就是其在背接觸電池(IBC)制作中的應(yīng)用。背接觸電池 是由Sunpower公司開發(fā)的高效電池，其特點是正面無柵狀電極，正負(fù)極交叉排 列在背面，量產(chǎn)效率可達(dá)19%20%這種背電極的設(shè)計實現(xiàn)了電池正面“零遮 擋”，增加了光的吸收和利用，但制造流程也不簡單：清洗一制絨一擴散(n?)絲印刻蝕光阻一刻蝕P擴散區(qū)一擴散(P?)減反射鍍膜一熱氧化一絲印電極 燒結(jié)一激光燒結(jié)。其中涉及到的工藝難點除了金屬電極下重擴散、擴散( P?)還有激光燒結(jié)， 激光參數(shù)優(yōu)化后，點陣間距、材料種類、光束質(zhì)量、脈沖寬度以及聚焦光斑能量 分布對電池指標(biāo)

7、都有影響。2、激光鉆孔技術(shù)(laser drilling)激光鉆孔技術(shù)當(dāng)前在高效太陽電池制造中的應(yīng)用這里要特別提到其在MWT電池上的應(yīng)用，因為它對其效率的提高的確起到了不可忽視的催化作用。MWT電池是不同于IBC電池的另一種背接觸電池，區(qū)別在于它可以兩面收集 載流子，并將電流由正面?zhèn)鲗?dǎo)至背面。它包括金屬環(huán)繞穿通電池(MWT)和發(fā)射極環(huán)繞穿通電池(EWT),是基于激光表面和背面加工技術(shù)的新型太陽電池技 術(shù)。MWT技術(shù)由荷蘭規(guī)模最大的太陽電池生產(chǎn)商Solland Solar開發(fā)，其機理就是通過激光鉆孔技術(shù)將電池正面收集的能量穿過電池再轉(zhuǎn)移至電池背面，這種方法可以使每塊電池的輸出率提高 2%,再經(jīng)過

8、處理后與太陽電池組件鏈接，所得 輸出效率甚至可提高9%。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個通孔，它需要激光鉆微型通孔，將上表 面與下表面連接起來，為此在此項技術(shù)中激光技術(shù)顯得尤為重要，而激光鉆孔和 化槽隔絕的對準(zhǔn)及重復(fù)性、孔的大小及形狀控制、激光對硅襯底的損傷及孔內(nèi)金 屬的填充等都成為工藝難點。同樣，激光鉆孔技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在 EWT電池的制造工藝中，與MWT不同 的是，EWT每塊硅片上約需要2萬個通孔，其鉆孔速度對于商業(yè)應(yīng)用是個大問 題，至少每秒得鉆幾千個孔，因此這就使得激光鉆孔技術(shù)成為唯一可滿足其商業(yè) 規(guī)模速度的工藝，其作用不言而喻。3、激光切割技術(shù)(laser cutting)通過激光切

9、割機、激光劃片機對太陽硅片進(jìn)行切割，由于采用激光這種非接 觸式加工方式，解決了材料易碎的問題，為此它成為當(dāng)前激光技術(shù)在太陽能光伏 領(lǐng)域比較常見且已部分實現(xiàn)商業(yè)化運作的一種廣泛應(yīng)用。在上述提到的EWT電池制造中，也需要使用激光切割技術(shù)，由于工業(yè)化大 面積(大于10X10cm2硅片的EWT電池工藝多采用絲網(wǎng)印刷和激光技術(shù)，對硅 片的質(zhì)量也具有相對較高的要求， 為此這對EWT電池的制造工藝也提出了要求， 而實現(xiàn)無損傷激光切割就是其中關(guān)鍵工藝之一。國內(nèi)企業(yè)使用較多的常見機型有比較多種類， 如大族激光自主設(shè)計一款采用 世界先進(jìn)光纖激光器輸出1064 nm激光波長、最大輸出功率 20W的FS02-20光

10、纖激光劃片機，是該司根據(jù)太陽能硅片劃片和切割等領(lǐng)域的特殊客戶要求研制的 高端產(chǎn)品。4、激光摻雜技術(shù)(laser doping)激光摻雜太陽電池在實驗階段已有二十多年的歷史，其潛在優(yōu)勢就是能實現(xiàn)不同的摻雜形態(tài)、限制摻雜以達(dá)到高度局部化結(jié)構(gòu)； 不需用于擴散掩膜設(shè)備、簡 化了工藝流程；也不需整體高溫處理，避免了產(chǎn)生高溫晶格缺陷和雜質(zhì)缺陷； 而 且并不摻雜晶片的兩面，因而不需要進(jìn)行邊緣絕緣；整套工藝設(shè)備相對簡單不產(chǎn) 生有毒物質(zhì)、利于環(huán)保。雖然研發(fā)已有段歷史但該項技術(shù)依然沒有完全脫離實驗階段，只有部分應(yīng)用于工業(yè)及太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)化難點在于加工效率、窄的加工工藝窗口以及 摻雜區(qū)域接觸點的穩(wěn)定性三個方

11、面。但也正是因為其具備上述一些優(yōu)勢人們對它 的研究與應(yīng)用從未停止，眾企業(yè)中武漢帝爾激光在這方面做的很不錯。除此之外 近來業(yè)內(nèi)對于薄膜硅電池中激光誘導(dǎo)摻雜的研究也變得很活躍。5、激光刻邊技術(shù)(laser edge isoation)這是目前已實現(xiàn)大量工業(yè)應(yīng)用的一種激光技術(shù)， 該項技術(shù)主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)絲 網(wǎng)印刷太陽電池(Standard silion solar cel)上，而當(dāng)前它與其他兩類設(shè)備形成競 爭勢態(tài)，構(gòu)成三種產(chǎn)業(yè)化PN結(jié)去邊方法，在此我們不妨做個簡單比較，如表：方法優(yōu)點缺點成本分析等離子蝕刻技術(shù)1、技術(shù)成熟、產(chǎn)里大2、一次設(shè)備投資成本 低1、電池崩邊，缺角不良 率咼2、邊刻、鉆刻工藝 不

12、穩(wěn)定，影響電池效率3、需要消耗較多的化學(xué) 物質(zhì)1、消耗費用較大2、人工費用及運 行成本均不低激光刻邊（邊緣隔 離）1、工藝穩(wěn)定，并聯(lián)電 阻與電池效率均穩(wěn)定2、可實現(xiàn)在線生產(chǎn)3、 非接觸式加工對材料 損傷小，綠色加工、 利于環(huán)保1、一次性投資費用咼2、 自動化設(shè)備程度高1、初期投資成本 較咼2、運行成本 低、設(shè)備維護(hù)費用 低、消耗費用少濕法蝕刻1、可以將去PSG和背 面單面蝕刻作為整體 進(jìn)行2、工藝比較穩(wěn) 疋1、設(shè)備比較昂貴2、需 要安裝有毒物質(zhì)處理系 統(tǒng)在消耗費用、設(shè)備 成本、設(shè)備利用率 及維護(hù)費用方面 的成本相當(dāng)、均不 低（表：三種產(chǎn)業(yè)化PN結(jié)去邊方法比較，數(shù)據(jù)來源：大族激光）激光刻邊能取得

13、良好的隔離效果、能取得和標(biāo)準(zhǔn)等離子體蝕刻類似的轉(zhuǎn)換效 率，電池整體指標(biāo)也不會受影響。 激光刻邊的短路電流偏低，是因為激光是沿著 電池正面周圍刻槽電池邊緣部分有面積損失，但可以通過較高的填充因子彌補。 激光刻邊的短路電流偏差較大其實只是由于實驗時 CCD精密定位時出現(xiàn)的隨機 誤差所致。到目前為止，工業(yè)生產(chǎn)中對三種不同蝕刻方法的電池效率比較數(shù)據(jù)仍 然沒有一致的結(jié)論，這也說明了電池制造工藝的多樣性， 也體現(xiàn)出了優(yōu)化激光工 藝參數(shù)的重要性。如今業(yè)界普遍認(rèn)為激光刻邊不是增加效率的一步，而是避免損 失的一步工藝。目前國內(nèi)眾企業(yè)中，深圳大族激光已能提供基于產(chǎn)業(yè)化的晶體硅太陽電池激 光刻邊設(shè)備，高精度的CCD

14、定位系統(tǒng)確保電池有效面積最大化，能以最低的運 行成本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。6薄膜太陽電池激光劃線技術(shù)激光技術(shù)除了廣泛應(yīng)用于晶體硅電池的制造工藝中，同時在非晶硅薄膜電池 領(lǐng)域也有延伸觸角并成為不可或缺的一種技術(shù)支撐， 薄膜太陽電池激光劃刻技術(shù) 就是其中之一0在非晶硅薄膜太陽電池組件生產(chǎn)中，激光設(shè)備在“劃刻”過程中發(fā)揮著兩大 重要作用：第一，它把連續(xù)的膜層細(xì)分為單個電池； 第二，在單個電池之間建立 串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)。這需要兩個不同的系統(tǒng)來完成：第一步用紅外激光，用于第一層 的TCO刻劃；第二步用綠激光來刻劃非晶硅層；第三步用綠激光同時處理非晶 硅層及背電極。這些線條非常緊密且精確地間隔開，以保證最大限度地減

15、少了發(fā) 電層的損失。日前，在歐盟資助的“用于強化太陽能工業(yè)加工的高級激光器”計劃 (ALPINE中，光子晶體光纖激光器已被作為要實現(xiàn)低成本 CdTe和CIS電池而主要 發(fā)展的一種新型激光器。除了以上介紹的幾種激光技術(shù)外，還有其他激光技術(shù)應(yīng)用在太陽電池制造的 不同環(huán)節(jié)，為滿足高生產(chǎn)能力、高轉(zhuǎn)換效率、低成本的需求起著關(guān)鍵性的作用， 而應(yīng)用于高效率電池設(shè)計的各項激光技術(shù)也正是在這種背景下不斷進(jìn)行著技術(shù) 更新與改進(jìn)，并得到了很好的驗證評估。當(dāng)前國內(nèi)激光企業(yè)在光伏行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀激光技術(shù)在應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)之前就已經(jīng)大量應(yīng)用于機械制造、汽車、造船、 微電子等材料加工的各個領(lǐng)域行業(yè)， 其快速、精確、零接觸以及良

16、好的熱效應(yīng)迅 速在各行業(yè)中體現(xiàn)出較好的優(yōu)越性，在良好的市場經(jīng)濟環(huán)境培育下我國激光產(chǎn)業(yè) 及企業(yè)得到了很好的發(fā)展。目前國內(nèi)激光企業(yè)主要集中在湖北、 北京、江蘇、上 海和廣東等經(jīng)濟發(fā)達(dá)省市，已基本形成以上述省市為主體的華中、 環(huán)渤海灣、長 江三角洲、珠江三角洲四大激光產(chǎn)業(yè)群。四大激光產(chǎn)業(yè)群培育出300多家激光企 業(yè)，在這其中每家企業(yè)又各有所長，如專注醫(yī)療機械的楚天激光、 在大功率切割 領(lǐng)域擁有優(yōu)勢的華工激光、在激光打標(biāo)領(lǐng)域占市場優(yōu)勢的深圳大族激光、激光劃 片機占據(jù)優(yōu)勢的珠?；浢约爸袊娮涌萍技瘓F(tuán)公司第四十五研究所等。近年來隨著光伏生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 進(jìn)一步降低太陽能發(fā)電成本、逐漸脫 離政府補貼，

17、使其達(dá)到“平價上網(wǎng)”成為了光伏產(chǎn)業(yè)眾企業(yè)共同的目標(biāo)。和其他產(chǎn)業(yè)一樣，激光的精確性與速度再次成為光伏產(chǎn)業(yè)的催化劑，光伏生產(chǎn)領(lǐng)域開始大量使用激光技術(shù)。國內(nèi)知名激光企業(yè)也陸續(xù)從傳統(tǒng)領(lǐng)域涉入新能源產(chǎn)業(yè)，展開不同程度地投入與發(fā)展，如今，激光企業(yè)和光伏企業(yè)越走越近， 開始共同研發(fā)新 技術(shù)，期冀獲得更有效的光伏模塊、更高效的太陽電池。逐漸涌現(xiàn)出一批專注于 光伏產(chǎn)業(yè)的激光企業(yè)如武漢帝爾、 武漢三工光電、珠?；浢取Ｔ诖?，我們這里 介紹幾家在光伏領(lǐng)域頗為不錯的激光企業(yè)。1、國內(nèi)太陽能光伏領(lǐng)域主要激光企業(yè)概況武漢帝爾-為高效太陽電池而生的企業(yè)武漢帝爾激光科技有限公司，擁有一支專業(yè)技術(shù)類人才組成的精干團(tuán)隊， 一 直

18、專注于太陽能光伏的應(yīng)用領(lǐng)域，為國內(nèi)外客戶提供一整套太陽能晶體硅和非晶 硅激光加工解決方案及相關(guān)配套設(shè)施。值得一提的是，該司自公司成立以來始終 堅持“用激光技術(shù)助推高效太陽電池”的定位， 并與國內(nèi)知名的太陽電池片生產(chǎn) 廠商及科研院校合作開發(fā)研究高效太陽電池，目前已取得不錯成效。旗下產(chǎn)品主要有：激光刻槽機、激光選擇性摻雜設(shè)備、半導(dǎo)體激光劃片機、光纖激光劃片機、硅片激光打孔機、激光刻膜機、激光清邊機等。深圳大族激光-加大投入進(jìn)軍新能源光伏產(chǎn)業(yè)大族激光公司是一家知名的激光加工設(shè)備生產(chǎn)廠商、上市公司，其激光信息標(biāo)記系列產(chǎn)品產(chǎn)銷量居世界第一位，目前，大族激光在銷售額和技術(shù)水平方面， 已躋身世界第四。在傳統(tǒng)

19、領(lǐng)域取得一定地位的大族激光如今也已涉入光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng) 域，旗下相關(guān)產(chǎn)品有太陽能行業(yè)激光刻劃機系列、激光焊接機系列、激光切割機 系列等，在非晶硅太陽電池領(lǐng)域，該司已開發(fā)出S1407非晶硅激光邊緣刻蝕機及 第5代非晶硅刻劃機系列等。據(jù)悉，在下一步該司將加大對激光技術(shù)與設(shè)備在太 陽能光伏產(chǎn)業(yè)的投入。武漢三工光電-欲打造為激光在光伏行業(yè)應(yīng)用中的旗艦武漢三工光電設(shè)備制造有限公司致力于激光加工設(shè)備和太陽能成套設(shè)備的 研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)，并為客戶提供完整的激光應(yīng)用解決方案，目前擁有包括激光打標(biāo)、金屬切割、太陽能成套設(shè)備、激光雕刻切割、激光器生產(chǎn)研發(fā)在內(nèi) 的八個事業(yè)部，200余員工。武漢三工光電董事長何成鵬曾說：“三工二激光+太陽能”，寓意武漢三工光電就是專注于太陽能行業(yè)的激光應(yīng)用。武漢三工光電原是一家普通激光設(shè)備公 司，一次偶然機會進(jìn)入了光伏產(chǎn)業(yè)， 隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，三工光電也得到 高速發(fā)展，早在2008年其年銷售額達(dá)到6700萬元，其中光伏產(chǎn)業(yè)銷售額約占到 總收入的60%。楚天激光-中國激光看武漢，武漢激光看楚天楚天激光成立于1985年，全國第一家民營激光公司，是國內(nèi)激光企業(yè)中規(guī)模大、產(chǎn)品種類多、市場網(wǎng)絡(luò)健全的專業(yè)激光產(chǎn)品制造商，下轄工業(yè)激光、醫(yī)療激光、激光加工三大產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。對于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，楚天激光積蓄了一段時間