太阳能晶硅电池选择性发射极激光掺杂关键技术研究可行性

太阳能晶硅电池选择性发射极激光掺杂关键技术研究的可行性报告
一、立项的背景和意义
1、提高转换效率、降低制造成本一直是国内外晶体硅太阳能电池研究与开发的首要目标。

世界常规能源供应短缺危机日益严重，仅以石油为例，至2009年底全球已证实的储量可供开采时间仅为45.7年。

同时，化石能源的大量开发利用已成为造成自然环境污染和人类生存环境恶化的主要原因之一。

在日本核事故之后，美、德、英、俄等国纷纷关闭本国老旧核电站，调整核电发展政策。

寻找新兴能源、发展社会经济已成为世界热点问题。

在各种新能源中，太阳能光伏发电具有无污染、可持续、总量大、分布广、利用形式多样等优点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。

在我国能源中长期发展战略和规划中明确提出，到 2020 年可再生能源在能源构成的比例中要达到 10％左右。

专家预测，在以后的50 年里，可再生能源在整个能源构成中会占到 50％，其中太阳能将会占到 14%以上。

晶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，是所有太阳能电池种类中的最重要成员，一直占据了光伏市场85%以上的份额，预计在今后较长时间内依然占主导地位。

目前，在大规模的产业应用中，常规(标准丝网印刷)单晶硅电池的效率为17～18.4％，多晶硅电池的效率为15.5～17％，这一电池转换效率与理论转换效率相差很远。

此外，由于受欧债危机和美国双反政策的影响，以及产能过剩引发行业的无序竞争，导致太阳能电池片和电池组件的急剧下降，企业利润空间严重压缩。

提高转换效率、降低制造成本一直是国内外晶体硅太阳能电池研究与开发的紧迫任务。

2、激光技术在晶硅太阳能电池技术中的应用前景广阔
在寻找新技术的探索中，激光技术很早就进入科研人员的视线，自上世纪六十年代激光器诞生之后，由于其自身具有单色性好、相干性好，方向性好和亮度高等特点，激光的应用层出不穷，成为新科技革命象征性的工具，极大地推动了科学研究和工业制造技术的发展。

在材料加工领域，激光具有独特的精确快速加
工能力，在半导体、冶金、机械、化工、制药等行业已经大规模应用，越来越受到重视。

特别是激光在半导体制造领域的应用已经相当广泛，技术也比较成熟，包括激光辅助沉积、激光退火、激光光刻、激光辅助掺杂等技术都对太阳电池领域的应用有着很好的借鉴作用。

目前，太阳电池的生产基本工艺依次如下：初始硅片的清洗与制绒；高温扩散形成PN结；等离子刻蚀作边缘隔离并清洗去磷辟玻璃；等离子化学气相沉积(PECVD)制备SiNx减反膜；丝网印刷电极和背场并烘干；最后是烧结。

在上述太阳能晶硅电池的制作工艺中，除了清洗和作减反膜，激光几乎都可以发挥作用，甚至可对同一电池进行多次工艺。

在晶体硅的高效电池工艺巾，由于电池结构较复杂，往往多次用到激光来实现不同的加工工艺，如ISFH的RISE-EWT电池，集激光贯孔、激光刻蚀和激光烧蚀于一体，将激光的作用发挥得淋漓尽致。

总之，激光工艺在晶体硅太阳电池的制造过程中将会被广泛应用，是因为具有如下优点：可以对工艺表面进行选择性的区域处理，工艺过程不需要掩膜的制备和使用；工艺过程中，激光与材料作用后所产生的热扩散效应非常小，未受激光处理的区域没有高温附加的晶格缺陷和杂质缺陷产生；激光处理的区域线宽最小可以达到20um，这对于人阳电池的精细微处理非常重要；工艺过程环保，不需要对环境有害的气体，也没有有害气体放出；便于被整合到现有的太阳电池生产线中，工业上容易实现产业化，设备节省空间等。

3、选择性发射极激光掺杂技术代表了未来高效晶硅太阳能电池技术产业化发展的一个重要方向。

太阳能晶硅电池选择性发射极激光掺杂技术就是在金属栅线（电极）与硅片接触部位利用激光将电池片表面磷源进行重掺杂，结合前道工序在电极之间位置轻掺杂发射结和后道工序的精密丝印工艺形成栅极。

选择性发射极结构可降低扩散层复合，提高光线的短波响应，减少前金属电极与硅的接触电阻，使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高转换效率。

选择性发射极激光掺杂技术不需要杂质扩散的掩膜，栅极之间的区域不产生高温晶格缺陷和杂质缺陷，工艺安全而环保，方便现有生产线的升级。

目前，澳大利亚的新南威尔士大学、德国的斯图加特大学、夫琅和费太阳能系统研究所等研究机构都在抓紧进行选择性发射极激光掺杂技术的关键技术攻关和产业化推广工作。

国内光伏企业中，尚德“冥王星”，晶龙“赛秀”，晶澳“枫叶”，保利协鑫“鑫单晶”，英利
“熊猫”，天威新能源“神鸟”，中电光伏“SE”等电池计划中，大部分是考虑使用激光掺杂技术的。

选择性发射极激光掺杂技术代表了未来高效晶硅太阳能电池技术产业化发展的方向。

4、激光技术在晶硅太阳能电池技术中的应用将大大推进激光在半导体、微电子行业的应用，有利于温州激光产业集群在激光新型应用领域中占据主导地位。

太阳能光伏行业是近几年爆炸式发展的战略新兴产业，激光技术在太阳能光伏行业的应用还是处于起步阶段，在激光器光源、配套的单元器件技术、激光加工工艺等方面需要进一步的研究。

激光加工技术的独特优势将使其成为高效晶硅太阳能电池技术的主要技术手段，市场前景非常巨大。

在起步阶段支持这一技术的发展，有利于温州激光产业集群在激光新型应用领域中占据主导地位，并大大推进激光在半导体、微电子行业的应用。

二、国内外研究现状和发展趋势
制约晶体硅太阳电池光电转换效率进一步提高的主要技术障碍有：（1）均匀反射发射区的掺杂浓度过高时，发射区的复合比较严重，掺杂浓度过低时，正面金属电极的接触电阻比较大；（2）金属栅线的宽度较宽，栅线的高/宽比不理想。

这样电极的遮光面积较大，而且金属电极上的串联电阻也较大；(3)电池表面光反射损失等。

针对这些障碍，近些年来，研究开发了许多新技术、新工艺，主要有：①选择性发射极技术；②表面钝化技术；③双层减反射膜及绒面技术；④背点接触电极技术；⑤新型N型电池等，以及这些技术的组合应用。

选择性发射极技术是晶体硅太阳能光伏电池生产商提高电池效率、降低每瓦成本的重要手段。

选择性发射极技术就是在金属栅线（电极）与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。

这一的结构可降低扩散层复合，由此可提高光线的短波响应，同时减少前金属电极与硅的接触电阻，使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高转换效率。

选择性发射极技术的方法有：（1）激光刻槽埋栅法；（2）重掺杂回刻法；（3）丝网印刷掺杂法；（4）激光转印掺杂法；（5）激光直接掺杂法等等。

相对其他掺杂方法，激光直接掺杂法，工艺流程简单、可控，可实现区域性掺杂，重掺杂，激活率高，对光电转换效率提升的效果十分明显，是未来选择性发射极制造方法的最重要选择。

目前，根据掺杂源的供给方式，激光掺杂形成选
择性发射极的主要技术有：气态源的激光掺杂；液态源的激光掺杂；固态源的激光掺杂；其中固态源的供给方式，直接利用发射极扩散后表面磷硅玻璃PSG，蒸发镀掺杂磷源，溅射镀掺杂磷源，旋涂掺杂磷源以及丝网印刷掺杂磷源等方式。

目前晶体硅太阳电池转换效率的世界纪录保持者是新南威尔士大学马丁格林实验组1999年研制的发射极钝化及背面局部扩散(Passivated Emitter,Rear Locally diffused，PERL)小尺寸规格的晶体硅太阳电池，该电池的转换效率达到24.7％，2009年经过光谱修正后，该电池的效率被重新确定为25％，此后新南威尔士大学并提出了激光刻槽埋栅技术并在西班牙BP SOLAR公司实现了产业化[4,17]，并进行提出了单面激光掺杂和双面激光掺杂的技术方法，双面激光掺杂太阳能电池将在背面采用高掺杂点接触电极和高效钝化层设计，通过提高开路电压，P型Cz单晶硅和P型多晶硅双面激光掺杂的效率将有望达到21%和19%，2010年，新南威尔士大学报导的单面激光掺杂选择性发射极的电池效率达到18.7%。

2008年，德国夫琅禾费太阳能系统研究所的D. Kray等研究组报导了采用湿法化学激光掺杂法，制备的选择性发射极电池效率超过20%。

2008年德国斯图加特大学T. Röder研究组报道了直接在磷硅玻璃上进行激光掺杂，获得了0.4%绝对转换效率的提高，2009 年，报道了激光掺杂全面积发射极晶体硅太阳电池的世界记录，效率达到18.9%。

2011年，德国Hamelin太阳能研究所（ISFH）的Sebastian Gatz研究组，报导了通过优化的表面钝化电解质膜，丝网印大面积的单晶硅电池的转换效率达到19.4%。

西班牙BP Solar公司的M.C.Morilla研究组研究了方阻与激光功率的关系以及掺杂后的表面形貌，法国B. Paviet-Salomon 研究组分析和实验研究了激光功率、方阻以及饱和电流密度之间的关系。

此外，美国的相干公司、德国的ROFIN、TRUMP公司都与光伏企业进行了一些初步的激光掺杂实验。

北京电工所的王文静研究组理论计算和实验研究了晶硅太阳能电池用532nm倍频Nd：YAG激光掺杂的方阻，分析了激光能量与方阻的关系，中山大学的沈辉、梁宗存研究组等进行了激光掺杂工艺以及激光烧结背电极的研究。

中科院宁波材料技术与工程研究所万青研究组提出了一种交叉自对准工艺，采用激光掺杂技术和普通丝网印刷设备研制了高效率的晶体硅太阳能电池，最佳电池光电转化效率由激光掺杂前的~14.4％提高到激光掺杂后的~17.7%。

此外，上海交通大学、西安交通大学、云南师范大学，天津大学等众多研究机构都进行了太阳
电池选择性发射极及相关工艺的研究。

华工激光、大族激光等激光企业也协助一些太阳能光伏企业进行了一些初步的实验研究。

三、研究开发内容和技术关键
1、主要技术内容
本项目立足于现有的丝网印刷晶硅太阳能电池生产与研发技术，通过与武汉华中科技大学激光加工国家工程研究中心合作，进行选择性发射极激光掺杂关键技术攻关, 重点攻克激光掺杂设备的光束整形技术、高效脉冲调制技术、工装夹具与自动化控制、多工位高速生产技术，激光掺杂对硅片的损害机理与控制、选择性掺杂浓度设计、栅线分布优化设计、激光掺杂优化工艺、精密丝印工艺等多个关键技术，开发出具有自主知识产权的选择性发射极激光掺杂技术与工艺，提高晶硅太阳能电池的生产效率，解决制约我国高效晶硅太阳能电池生产关键技术与工艺的国产化问题，对于推荐温州激光技术在太阳能光伏领域的应用具有重要的意义。

图1为选择性发射极激光掺杂技术工艺流程。

图1 选择性发射极激光掺杂技术工艺流程
研究内容分为理论工艺研究、关键技术开发和综合试生产三个层次，前期的部分工艺实验可以利用激光加工国家工程研究中心现有的激光器平台上进行。

（1）理论工艺研究
A 、激光掺杂对硅片的损伤机理：从理论和实验两个方面研究不同波长、激光功率、脉冲波形、脉冲频率、聚焦方式、扫描速度等不同参数对激光扫描硅片区域及邻近区域的损伤影响，并通过SEM 扫描电镜、半导体方阻测量等方式分析清洗制绒 POCl 3扩散 激光掺杂（PSG ） 镀SiNx 膜
去PSG ，刻边
SP 前后电极 烧结
损伤，为获得优化的激光掺杂工艺积累理论和工艺数据；
B、选择性掺杂浓度设计与分析：根据现有的扩散掺杂设备和工艺和选择性激光掺杂技术获得高效太阳能电池的要求，对金属电极与发射区接触处以及电极之间的发射区，设计出合适的重掺杂浓度和浅掺杂浓度，并通过后续的方阻测量和电池性能进行反馈设计，为扩散掺杂和激光掺杂浓度设计提供理论指导；
C、激光工艺参数对掺杂浓度、均匀性的理论模型，重点研究激光功率密度、脉冲作用时间对激光熔池温度场分布、流场分布、掺杂浓度、均匀性、表面粗糙度等影响，建立浓度分布与工艺参数影响的模型：
（2）、激光掺杂系统与激光掺杂工艺关键技术开发
A、激光掺杂系统的光束整形技术、高效脉冲调制技术等关键技术：基于半导体泵浦532nm绿激光的技术基础上，有效控制激光掺杂区域的深度、宽度以及掺杂浓度分布，通过外光路光学进行激光光束整形技术研究，获得10~80um宽度可调的近似举行的聚焦光斑，通过选择合适调Q方式和设计相应的驱动，获得有效进行激光掺杂的脉冲调制技术；
B、激光掺杂工艺优化：在理论分析的基础上，通过合理的激光掺杂实验设计，研究磷硅涂层以及激光工艺参数对掺杂区域的深度、宽度以及掺杂浓度与浓度分布等影响，开发出获得高效太阳能电池特点的合适的激光掺杂工艺技术与参数；
C、高效晶硅太阳能电池的栅线分布优化设计：以减小光伏电池的串联电阻为目标，通过优化栅线的数目、宽度和高宽比等内容达到正电极的优化设计效果，能更有效协调降低光伏电池串联电阻与减小遮光面积的矛盾，预期在原有线栅的基础上增加15%的线栅，降低30%的现宽；
（3）综合试生产技术研究
A、多工位、高效率激光掺杂设备的集成与调试：结合激光掺杂工艺要求和国外先进的单元技术和器件技术，开发出多工位、高效率激光掺杂设备，满足30WM电池生产线的要求；
B、先前清洗制绒、扩散工艺的优化与匹配:特别是发射区浅掺杂浓度设计，要求在高方块电阻(70-100ohm/sq)前提下，使方块电阻标准差在5%以内,通过调节影响扩散方阻因素的温度、时间、小氮流量、氧气流量的参数，获得最佳的发
射区浅掺杂工艺参数；
C、精密丝网印刷设备的改进与工艺匹配：在丝网印刷设备上通过添加了高分辨率的CCD，能够对激光掺杂区域或预先设定的标志进行辨识，同时提高了该设备的对位精度，使对位精度达到15um，从而使栅线可以准确印制在激光掺杂区域。

D、电池综合性能测试与激光掺杂工艺参数固化：通过方阻测量、AV曲线、开路电压、短路电流、填充因子等参数的测量，以及通过光电转换效率的测试，对激光掺杂工艺以及配套的工艺进行优化设计并固化。

2．关键技术
（1）激光瞬态热源模型和杂质扩散模型的建立
激光掺杂过程是高能量密度激光短时间作用在导热性能差的硅材料上导致材料熔化杂质扩散的过程，是一个复杂的物理过程，激光掺杂熔池同时存在传热、对流和传质等现象，它们直接影响熔池表面形貌、掺杂元素的浓度分布、熔池结构、界面情况，以及损伤情况，熔池存在表面张力和重力波，直接影响表面形貌，产生表面波纹。

建立能较为准确反映结构特征（熔池大小、杂质浓度分布、表面形貌、界面特性）、光电特性（少子寿命、表面复合速率、暗饱和电流、方阻）的激光掺杂的瞬态热源模型和杂质扩散模型，是非常不容易的。

本项目采用有限差分方法通过Matlab编程来实现，由于太阳电池材料的导热性能较差，所以激光作用的热影响区域较小，理论模型的边界条件可以只选取较小的区域来处理。

（2）环形聚焦光斑的设计与实现
基模激光中心的功率密度比周围高，会造成熔池温度中心与两侧的不均匀，这种不均匀性在导热性差材料的高速扫描过程中更加严重，矩形光斑在在熔池均匀性有优势，但是矩形光斑整形系统复杂，而且不适用于高速扫描振镜系统，本项目开发一种环形聚焦光斑，将原有的光束变为环形光束，降低熔池温度中心与两侧的不均匀，因此需要对环形光斑聚焦进行优化设计。

（3）掺杂浓度和掺杂深度的精密控制
掺杂源的供给方式和掺杂涂层厚度，对激光掺杂浓度和掺杂深度有重要影响，涂层过厚，会影响激光的吸收，过薄会影响影响总的掺杂浓度。

目前单道激光扫描容易导致激光掺杂的不均匀，多道扫描方法不是简单的在掺杂区域来回扫描，而是结合激光热源模型和杂质扩散模型，设计合理的杂质源厚度、扫描间隔
时间、扫描速度和激光功率分配，在降低激光掺杂浓度不均匀性以及激光掺杂损伤的基础上，使激光掺杂深度、浓度分布在可控的范围。

（4）表面形貌等对后续电极工艺的影响
经过制绒后的金字塔结构有利于增加金属电极与电池表面的结合强度，激光掺杂后，表面变得更加平整，降低了金属电极与电池表面的结合强度，适当增加熔池的波纹结构，有利于降低接触电阻和提高结合强度，可以利用激光掺杂模型进行探索可行性，同时对电极浆料进行配套设计与工艺优化。

四、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景）
1、预期的技术指标及技术产权状况
（1）单晶硅电池片转换效率达到18.7%，多晶硅电池片达到17.2%，电池转换效率达到产业化电池转换效率的国际先进水平。

（2）在选择性掺杂浓度设计、栅线分布优化设计、激光掺杂优化工艺等领域开发出企业的独特技术，申报专利1~2项，形成具有自主知识产权的选择性发射极激光掺杂技术与工艺。

2、经济指标
项目研发投产后，由于电池效率提高带来产能升的直接新增产值1000万元，由于高效电池的推广应用间接带动增加销售收入3000万元。

高效电池的开发与推广，使电池生产成本降低，生产过程更加环保节能，电池效率高，大大减少传统能源的消耗，从而产生巨大的经济效益和社会效益。

五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
本项目的研究内容由激光掺杂优化系统与工艺研究、高效晶硅太阳电池的开发等组成，这些研究内容不是孤立的，是需要交叉进行的，理论模型可以对工艺进行指导，工艺研究反过来可以对理论模型进行优化和完善。

图2、图3分别给出激光掺杂优化工艺研究、高效晶硅太阳电池的开发的技术路线图。

图2 激光掺磷优化工艺研究技术路线
项目有本公司牵头，华中科技大学负责激光掺杂系统与工艺研究，申请政府
经费100万元，自筹200万元。

六、计划进度安排
起始年月进度目标要求（每栏限80字）
2012年6月至2012年10月项目技术路线的确定，任务分工，进行激光掺杂对硅片的损伤机理、激光掺杂浓度设计等的理论工艺研究；
2012年11月至2013年4月激光掺杂系统关键技术、激光掺杂工艺优化、高效晶硅太阳能电池的栅线分布优化设计等的关键技术攻关；
2013年5月至2013年9月激光掺杂系统集成、先前清洗制绒、扩散工艺的优化与匹配、精密丝网印刷设备的改进与工艺匹配、电池综合性能测试与激光掺杂工艺参数固化等研究开发，并进行试生产；
2013年10月至2013年12月项目技术、工艺与系统的全面总结与优化，项目验收
七、现有工作基础和条件
1、现有工作基础
本公司是一家集太阳能电池片、太阳能光伏组件等光伏产品的研发、生产、销售于一体的高新技术企业，公司注册资本5000万元，总投资10亿元，已经建立了国内领先、国际一流的 300 MW太阳能电池、组件生产线，拥有员工600多名，其中大专以上学历员工258名，高级工程师12名，工程师36名，技术实力雄厚，聘请了在光伏领域从事研究工作多年，并有突出贡献的专家、教授为指导，与多家科研院所建立了长期的合作关系。

公司还引进了一批能进行高效晶硅太阳能电池研发的研究、分析和检测设备，已经建立了一支包括半导体材料、激光、化学、电子、机械、控制等多个专业领域的研发与产业队伍，并与华中科技大学、浙江大学等科研院所有长期的科研合作，具备进行高效晶硅太阳能技术的条件。

公司承担了高阻密栅工艺、刻槽埋栅等多个科研项目，在磷扩散设计与工艺、栅线设计与优化、精密丝网印刷技术等方面积累了研究基础，通过自主研发，公司的单晶硅电池片转换效率已经由开始的17.5%上升到现在的18.4%，单晶硅电池
片转换效率已经由开始的16.3%上升到现在的16.9%，并在公司生产线上得到了推广应用，光电效率处于国际同类设备的先进水平。

华中科技大学激光加工国家工程研究中心是中国工业激光实力最为雄厚的单位之一，是国家“六五”至“十一五”期间国家重点科技攻关计划中“激光技术”项目的牵头单位，主要承担激光技术关键器件和激光技术在加工制造业的应用研究，以及推进激光科研成果的商品化、产业化，成为中国工业激光产业的最主要技术源头。

激光加工国家工程研究中心进行了晶硅电池激光划片、薄膜电池激光划线、非晶硅激光退火等多项工艺的研究，已经拥有进行激光掺杂工艺的532绿激光、高重复脉冲调制技术、高速振镜扫描等技术与设备，以及丰富经验的光路整形设计、自动化工装夹具设计、激光加工工艺的理论建模与优化设计等技术，具备开发选择性发射极激光掺杂技术研究的各项条件。

先前进行激光掺杂选择性发射极工艺试验，激光掺杂单晶电池片平均转换效率为18.62%（100片），对比实验的常规电池平均转换效率18.41%（100片），提升了0.21%的转换效率。

激光掺杂多晶电池片平均转换效率为17.11%（100片），对比实验的常规电池平均转换效率16.87%（100片），提升了0.24%的转换效率。

2、现有条件
（1）本公司已经建立了一支包括半导体材料、激光、化学、电子、机械、控制等多个专业领域的研发与产业队伍，其中大专以上员工258名、高级工程师12名、工程师36名。

（2）本公司组建了太阳能电池新工艺研究中心，拥有一批能进行高效晶硅太阳能电池研发的研究、分析和检测设备, 如方块电阻测试仪、万能工具显微镜等。

（3）项目合作单位华中科技大学激光加工国家工程研究中心是中国工业激光实力最为雄厚的单位之一，进行了晶硅电池激光划片、薄膜电池激光划线、非晶硅激光退火等多项激光系统与工艺的研究，已经拥有进行激光掺杂工艺的532绿激光、高重复脉冲调制技术、高速振镜扫描等技术与设备，以及丰富经验的光路整形设计、自动化工装夹具设计、激光加工工艺的理论建模与优化设计等技术，具备开发选择性发射极激光掺杂研究的激光技术基础。