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激光技术在光伏电池生产中的应用研究
黄帅;聂勇强;张赟;陈森
【期刊名称】《光源与照明》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】光伏电池作为一种清洁、可持续的能源转换技术,正逐渐崛起为能源领域的重要一环,随着全球对可再生能源需求的不断增长。
文章通过对激光技术在光伏
电池制造中的独特优势进行综合分析,对激光技术在光伏电池生产工艺中的关键应
用进行了深入探讨,详细介绍了激光技术在提高光伏电池转换效率、降低生产成本、提高生产线灵活性等方面的积极作用,并对激光技术在光伏电池切割、背电极蚀刻、局部火花加工等方面的应用进行了详细介绍。
同时,提出了一系列技术改进和发展
方向,为推动光伏产业发展、提升电池制造水平提供了理论支撑和实践指导。
【总页数】3页(P147-149)
【作者】黄帅;聂勇强;张赟;陈森
【作者单位】隆基绿能科技股份有限公司西咸新区分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM914
【相关文献】
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3.VR技术在光伏实践课中的应用——以光伏电池制备
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超快激光在光伏电池中的应用研究近年来，光伏电池技术迅速发展，成为人们追逐的焦点。
然而，由于光伏电池的材料制作过程中存在一定难点，致使其效率低下，或者成本较高。
因此，科学家们一直在致力于研究与改善光伏电池材料的制作方法和效率，从而实现更加高效可靠的光伏电池技术。
而超快激光技术的发展和成熟，为科学家们提供了一个全新的解决方案。
超快激光技术是一种高能的激光技术，其脉冲时间极短，能量较强，适合用于高精度的微观物质加工。
特别是近些年来，超快激光被广泛应用于光伏电池材料制备和改善研究，其应用范围逐渐扩展。
一、超快激光在光伏电池中的应用超快激光可以在光伏电池的材料生产过程中进行精密加工，可以有效地提高光伏电池的转换效率。
1. 光伏电池材料制备超快激光对于光伏电池材料的制备有很大的作用。
在制备过程中，超快激光可以对所需材料进行高精度的加工，使得材料能够更好地吸收光能，从而提高光伏电池的转换效率。
2. 光伏电池生产过程控制利用超快激光来进行光伏电池的生产过程控制，可以精准地控制光伏电池内部材料的分布和构成。
这一过程可以使得光伏电池内部的能量转换更加高效，从而提高电池的转换效率。
二、超快激光对光伏电池的优势1. 提高光伏电池的转换效率超快激光技术能够对光伏电池的材料进行加工，并精确地控制材料内部的分布，从而提高了光伏电池的转换效率。
与传统材料制备方法相比，超快激光技术可以使得光伏电池的电池效率提高3-4%。
2. 缩短生产周期超快激光技术能够快速地进行材料加工，从而缩短整个光伏电池的生产周期。
与传统生产方法相比，利用超快激光的生产方式可以缩短生产周期3-4倍。
3. 提高材料品质超快激光技术在光伏电池材料加工过程中，可以使得材料微观结构更加均匀，从而提高了材料品质。
这一过程使得光伏电池更加稳定、耐用，对长期使用的有效性也更高。
三、超快激光技术在光伏电池中的潜力1. 降低光伏电池制造成本超快激光技术在光伏电池的材料制备和处理过程中，能够快速、精确地加工材料，从而缩短生产周期，提高制造效率，同时降低制造成本，更加环保。
激光能在太阳能光电转换中的应用太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，日益受到人们的青睐和关注。
然而，尽管太阳能的利用前景广阔，但是其效率却一直是一个制约因素。
为了提高太阳能的光电转换效率，研究人员开始探索激光在太阳能光电转换中的应用。
激光作为一种高度聚焦、高能量密度的光源，具有许多独特的优势，可以帮助提高太阳能电池的效率和性能。
首先，激光在太阳能光电转换中的应用可以提高光伏电池的光吸收效率。
光伏电池是将太阳能直接转化为电能的装置，其效率取决于其对太阳光的吸收程度。
然而，由于太阳光的光谱分布较宽，光伏电池只能吸收其中的一部分光线，而大部分光线并不能被有效利用。
利用激光作为光源可以实现对光线的精确调控和聚焦，使得光伏电池可以吸收更多的光线，从而提高光伏电池的光电转换效率。
其次，激光可以帮助克服光伏电池表面缺陷对性能的影响。
光伏电池表面的缺陷会导致光线的反射和散射，降低光伏电池的光吸收效率。
利用激光可以实现对光伏电池表面缺陷的定向修复和光学增强，使得光伏电池表面更加光滑和均匀，减少光线的反射和散射，提高光伏电池的光电转换效率。
此外，激光在太阳能光电转换中的应用还可以帮助提高光伏电池的电流输出和稳定性。
激光可以实现对光伏电池内部电子输运的精确控制，减少电子的复合和散射损耗，提高电子的传输效率和载流子寿命，从而增加光伏电池的电流输出和稳定性。
此外，激光还可以实现对光伏电池的局部加工和修复，帮助光伏电池实现局部优化和增强，提高其整体性能和可靠性。
总的来说，激光在太阳能光电转换中的应用具有巨大的潜力和应用前景。
通过充分利用激光的高能量密度、高空间分辨率和高光学控制能力，可以帮助提高太阳能光电转换的效率和性能，推动太阳能技术的发展和应用。
未来，随着激光技术的不断进步和发展，相信激光在太阳能光电转换中的应用将会得到进一步拓展和深化，为解决能源危机和环境污染问题发挥重要作用。
激光在太阳能光伏电池上的应用新型电池片时代来临，TOPCon、HJT、XBC等效率潜力更大的新型电池新技术纷纷涌现。
激光是光伏电池实现降本增效的有效技术，在刻蚀、开槽、掺杂、修复以及金属化等领域均体现出相较于传统技术的明显优势，激光技术在各类电池技术中都有广阔的发展空间。
一、激光技术的应用在光伏元件制造过程中，需要使用激光对硅片进行打薄、切割、塑形等工序。
激光可以将自身所蕴含的大量能量集中到横截面积很小的范围内释放，极大程度上提高了能量的利用效率，使其可以对较为坚硬的物质进行加工。
同时，激光的高能特性使之具有超高的温度，这可以在工作人员的精密控制下对硅片及附着物质进行灼烧，形成电池边缘掺杂或是对光伏元件表面进行镀膜，提高光伏电池的发电能力与太阳能利用能力，使用激光源作为主要光源，降低发电成本，从根本上提升光伏发电的效率。
激光技术在PERC电池端的应用主要包括激光掺杂（SE）、激光消融、激光划片等，激光消融和激光掺杂已经成为标配性技术。
此外，激光在光伏电池端还有部分小众型应用，如激光MWT打孔、LID/R修复等，具体来看：一是激光掺杂设备：SE为选择性发射极，在前道扩散工序产生的磷硅玻璃层的基础上，利用激光的可选择性加热特性，在电极栅线与硅片接触部位进行高浓度磷掺杂，形成n++重掺杂区。
激光掺杂可提高电极接触区域的掺杂浓度，降低接触电阻。
二是激光消融设备：利用激光对钝化膜精密刻蚀，实现微纳级高精度的局部接触。
该工艺为PERC技术增强钝化的核心工艺之一，同时要求激光加工具有精确的能量分布、作用时间控制以及脉冲稳定性。
PERC技术可使单晶电池光电的转换效率从20.3%提升至21.5%。
三是其他设备：①MWT打孔设备：应用金属穿孔卷绕技术进行激光打孔，将电池正面电极搜集的电流通过孔洞中的银浆引导背面，而消除正面电极的主栅线，从而减少正面栅线的遮光。
由于MWT电池较为小众，该设备仅在日托光伏等企业有少量应用。
光电效应在太阳能电池中的应用及效率优化研究引言：太阳能作为一种清洁、可再生能源，被广泛应用于电力、热能等领域。
太阳能电池是将太阳光转化为电能的关键设备，而光电效应是太阳能电池工作的基本原理。
本文将介绍光电效应在太阳能电池中的应用，并探讨如何优化光电效应以提高太阳能电池的转换效率。
一、光电效应在太阳能电池中的应用1. 光电效应的概念和原理光电效应是指当光照射到金属表面时，光子的能量转化为电子的能量，使金属中的自由电子被激发，从而产生电流。
太阳能电池正是利用了光电效应将太阳辐射能转化为电能。
2. 光电效应的应用(a) 太阳能电池太阳能电池利用光电效应将太阳能转化为电能。
太阳能电池的基本结构包括P-N结和光电转换层。
光电转换层吸收太阳辐射，将光子能量转化为电子能量，然后通过P-N结的作用将电子聚集到电极上，形成电流。
(b) 其他光电设备光电效应也被应用于其他光电设备中，如光电导、光电探测器和光电放大器等。
这些设备利用光电效应将光信号转化为电信号，实现能量的转换和传输。
二、光电效应在太阳能电池中的效率优化研究1. 提高光电转换效率的方法(a) 优化光电转换层太阳能电池的光电转换层主要由半导体材料构成，不同半导体材料对光的吸收能力不同。
研究人员可以通过优化光电转换层的厚度、组分和结构等参数，提高光的吸收效率，从而提高太阳能电池的光电转换效率。
(b) 减小能量损失太阳能电池在能量转换过程中会有一定的能量损失，主要包括光的反射、透射和散射、载流子复合以及电极和电流收集等。
降低这些能量损失，例如通过表面改性、抗反射涂层和光学波导等技术，可以提高太阳能电池的转换效率。
2. 提高光电效应的研究进展(a) 纳米材料的应用近年来，研究人员开始探索纳米材料在太阳能电池中的应用。
纳米材料具有特殊的能级结构和优异的光电特性，可以增强光的吸收和光电转换效率。
通过合理设计纳米材料的结构和形态，可以优化太阳能电池的性能。
(b) 多结构太阳能电池传统的太阳能电池结构主要包括单晶硅、多晶硅和非晶硅等。
激光在新能源领域的应用激光技术在新能源领域的应用引言：随着全球能源危机的日益突显，新能源的开发和利用成为了当今社会的重要议题。
作为一项高科技技术，激光在新能源领域的应用也受到了广泛关注。
本文将就激光在太阳能、风能和生物质能等新能源领域的应用进行探讨。
一、激光在太阳能领域的应用太阳能是一种广泛应用的清洁能源，而激光技术在太阳能领域的应用可以提高太阳能电池的效率和生产过程的质量。
首先，激光可以用于太阳能电池的制造过程中，通过精确的光刻技术，将光敏材料刻蚀成所需的形状，提高电池的光吸收效率。
其次，激光还可以用于太阳能电池的清洗和检测过程，通过高能量的激光束，清除电池表面的杂质和污染物，提高电池的光吸收和转换效率。
此外，激光还可以用于太阳能光伏发电站的维护和监测，通过激光雷达等技术，实时监测光伏组件的损伤和故障情况，提高光伏发电站的运行效率。
二、激光在风能领域的应用风能是一种可再生的清洁能源，而激光技术在风能领域的应用可以提高风力发电机组的效率和运行稳定性。
首先，激光可以用于风力发电机叶片的制造过程中，通过精确的切割和加工技术，提高叶片的aerodynamic（气动）性能，减小风阻，提高转换效率。
其次，激光还可以用于风力发电机组的监测和维护，通过激光测距仪等技术，实时监测叶片的形变和结构状况，及时发现并修复潜在问题，提高风力发电机组的可靠性和寿命。
三、激光在生物质能领域的应用生物质能是一种可再生的清洁能源，而激光技术在生物质能领域的应用可以提高生物质能源的利用效率和生产过程的环保性。
首先，激光可以用于生物质能源的加工和转化过程中，通过激光切割和加热技术，提高生物质能源的密度和燃烧效率。
其次，激光还可以用于生物质能源的生产过程中，通过激光测量和控制技术，实时监测生物质的含水率和燃烧特性，优化生产工艺，降低排放物的含量和环境污染。
结论：激光技术作为一项高科技技术，在新能源领域的应用前景广阔。
通过激光的精确控制和高能量特性，可以提高太阳能电池、风力发电机组和生物质能源的利用效率，减少能源的浪费和环境污染。
半导体激光器在太阳能电池领域的应用现今，激光器已经普遍应用于太阳能电池生产领域，如脉冲Nd:YAG激光器或Nd:YVO4激光器用于太阳能电池的边缘隔离。
在太阳能电池生产中，通过对硅片进行激光钻孔、激光切割、激光划线来实现背部电连接，这些方法同样被认为是可行的激光处理方法。
若要实现此法，则需使用具有较高峰值功率和良好光束质量的脉冲激光器。
虽然高功率半导体激光器不能达到这些参量，但当使用具有毫米级焦点的紧凑型连续光源时，高功率半导体激光器仍具有其优势。
下面将着重描述激光器在太阳能电池生产领域的应用，介绍它是如何实现焊接、再结晶或烘干功能的。
所有这些应用都有其共同点——在几平方毫米的区域范围内可达到目标热值。
半导体激光器——激光焊接在光伏组件的生产中，单个太阳能电池通过焊接连接带互相电连接。
焊接时，焊料必须与其同时达到一定程度的良好导电性能。
因其不确定的热输入和应用期间产生的机械应力，业界很少采用Kolben焊，而是更偏向使用感应钎焊、热空气焊或微型火焰钎焊等焊接方法。
因太阳能电池越来越薄(<200μm)，在其生产过程中，物美价廉的硅太阳能电池对其晶圆处理的要求也就越来越高，应尽可能地减小在处理过程中晶圆的报废率和热应力。
采用高功率半导体激光器进行焊接有诸多优点，而这些优点对于太阳能电池的电连接是必不可少的。
这是一种无接触方法，是通过对空间和时间上输入热量的定义以及确保太阳能电池本身的热应力最小来实现的。
为提高过程的稳定性，半导体激光器可以在一个闭环控制回路里（闭环）通过高温计的作用，尽可能地控制和减小焊缝的热量输入(见图1)。
在自动化生产过程中，可实现大批量重复生产，同时也提高了效益，实现了较高的光电效率。
图1：扫描头的工作方式多数情况下，上述提及的高温计被集成到激光加工头中，其探测范围静态地通过激光焦距调节。
Galvo扫描仪和高温计的结合体现了轴上实时温控的灵活优势，并在材料加工方面激光功率和曝光时间参数相同的前提下，ISFH得出无铅丝(Sn96.5Ag3.5)和含铅丝（Sn60Pb40）的可比结论。
1引言近十年来光伏市场每年以超过40％的速度发展[1，2]，其中晶体硅太阳电池占到90％以上[3]。
太阳电池的新结构和新工艺不断出现，其中采用激光技术来制备太阳电池或替代现有太阳电池某些工艺环节，来提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染，是目前太阳电池研究和开发的热点。
用到了激光工艺的刻槽埋栅太阳电池已经被西班牙BP Solar 公司实现产业化，德国夫郎霍费尔研究所（Fraunhofer ISE ）用激光烧结背电极的太阳电池效率也超过21%。
本文介绍激光热效应，综述激光热效应在太阳能电池制备中的具体应用，提出其中普遍存在的问题，并展望激光在太阳电池中的工业化应用前景。
2激光热效应激光聚焦后照射在材料表面时，部分被反射，部分被吸收，部分被传递进入晶体，三者的比例取决于激光波长和材料的色散关系及能带结构[4],其中被吸收的那部分能量才对硅基表面起作用。
光能以声子和电子激发到高能态的形式被吸收，并扩散至临近原子区域。
随着吸收的能量越来越多，材料温度不断升高，升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。
温度升高后，材料的光能吸收的比例也提高，这样愈发加剧材料的升温速度。
在光吸收长度距离内，材料吸收能量转化的热能整体扩散距离大致为L =（4D τ）1/2，其中L 为扩散距离，D 为热扩散系数，τ为激光的脉冲宽度。
当L 远大于吸收长度，受辐照表激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用Application of Laser Thermal Effects in Fabrication Process of High Efficiency Solar Cells张陆成王学孟沈辉中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东广州51027!"5Zhang Lucheng Wang Xuemeng Shen HuiState Key Laboratory of Optelectronic Materials and Technologies,Sun Yat-sen University,Guangzhou,Guangdong 510275,China!"摘要综述了激光热效应在高效太阳电池制造中的应用，如激光掺杂和激光烧结工艺；介绍了这两种工艺的具体典型实例：激光掺杂有选择性发射结太阳电池、激光掺杂半导体指栅太阳电池、激光烧结电极太阳电池等。
总结了激光热效应在高效太阳电池工业化生产应用中所存在的问题并预测了其应用前景。
关键词太阳电池；激光掺杂；选择性发射结；激光烧结；半导体指栅；高效AbstractThe application of laser thermal effects,laser doping and laser firing,in high efficiency solar cell fabrication is summarized.Examples of solar cells using thermal effects are introduced,such as laser doped selective emitter solar cells,laser doped semiconductor solar cells,and laser -fired contacts solar cells.Problems in the application of laser thermal effects in the solar cell industrial production are concluded,and their prospective is predicted.Key words solar cell;laser doping;selective emitter;laser-fired contacts;semiconductor finger;high efficiency 中图分类号：TM914.4TK51doi ：10.3788/LOP20094605.0041面温度有限升高；而L小于吸收深度时，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至离化成等离子体。
硅表面受激光辐照后，有两类不同的效应：热效应[5，6]和刻蚀效应。
在激光热效应中，激光能量密度较低，不至于使材料融化，受热区域材料仅起到退火作用；或者激光能量密度如果达到一定强度，材料表面受辐照的区域温度升高甚至达到熔点而融化，在随后的降温过程中，材料会再结晶。
在激光刻蚀效应中，激光能量密度超过一定阈值，材料受激光辐照的区域温度急剧升高，以至于材料离化成等离子体而挥发，在光辐照区形成凹陷区域，这类工艺一般用来改变材料表面形貌，从而得到特殊的器件表面结构。
用作有选择性激光掺杂和激光烧结的激光器波长多为1064nm的Nd:YAG或1342nm的Nd:YVO4固体激光器，将这两种激光分别倍频，可以实现所需要的工艺。
3激光掺杂3.1激光掺杂工艺如果预先在硅片表面涂敷一层掺有某种元素的掺杂源，并且硅片表面被激光加热到熔融状态，那么预敷的掺杂原子快速融入熔体，然后当激光从熔区移开后,熔区的熔体开始冷却并再结晶，掺杂原子与硅形成合金。
这就是激光融熔预沉积杂质源掺杂（Lase-induced melting of predeposited impurity doping LIMPID）[7]。
由于掺杂的源层一般较薄（特别是经过浸涂的液体源），同时要求激光对基体材料的损伤最小，采用较短的激光波长（即将Nd:YAG或Nd:YVO4激光两倍频）可以得到损伤较小的局部掺杂区域。
激光束斑直径愈小愈好，一般达到15~50μm，而功率和扫描速度依据掺杂源膜厚和Q开关的频率决定，但要保证相邻的材料表面熔融斑点有20％~80％重叠区域。
该掺杂工艺的主要优点是:无需掩模即能对硅基体进行局部的有选择性掺杂；由于是局部加热，未受激光辐照的区域不会产生附加的晶格与杂质等缺陷；工艺的环境温度为室温，不需要真空设施；工艺过程没有毒性气体，设备安全，节省空间。
激光掺杂在太阳电池中的应用例子有选择性发射结太阳电池，半导体指栅太阳电池等。
3.2激光掺杂有选择性发射结太阳能电池要使硅与金属形成良好的欧姆接触，需对与金属接触的过渡区域进行重掺杂（原子密度大于1×1019cm-3）[8]，但对于电池前表面的发射极区域，掺杂太重会引起表面少子俄歇复合速度大，电池的短波光谱响应差。
因此，对于有前电极的太阳电池，前表面杂质浓度理想分布应该是：吸收入射光的区域为轻度掺杂，与电极接触的区域为重掺杂。
这样既可以使电池有较高的光谱响应（在波长300~400nm处的内量子效率甚至可以接近于100%[9]），使电池有较高的短路电流I sc和开路电压V oc；同时发射区与金属电极有良好的欧姆接触，从而提高电池的填充因子F。
这就是有选择性掺杂发射结太阳能电池，该思路已经在刻槽埋栅电池中得到体现。
激光刻槽埋栅（Laser grooved buried contact, LGBC）电池由澳大利亚新南威尔士大学最先研制，被西班牙BP Solar公司实现了产业化生产。
这类电池的主要工艺特点是：对于吸收入射光的发射结区域采用轻度扩散；将表面要制备电极的区域，依次采用激光刻蚀成沟槽，碱腐蚀液去除激光造成的损伤，沟槽处做高温掺杂原子的重扩散，再在沟槽处通过化学电镀法镀上镍和铜作为电极。
相对于传统的丝网印刷太阳电池而言，LGBC太阳电池电极制作工艺的费用较高，也较费时，电极工艺时间可以占据大约50%的电池制作时间[10]。
此外，LGBC电池的电极制作还需要好几个高温步骤，这样会增加电池片的高温缺陷，少子寿命也相应增加。
成本低廉且工艺简单的激光掺杂有望代替现有的刻槽埋栅电极制备工艺。
在实验室阶段，所有结构的LGBC电池的激光刻槽和二次掺杂工艺可以全部被激光掺杂工艺代替，基本过程是在LGBC太阳电池其他工艺不变的条件下，将“电池片表面激光刻槽→化学去损伤→沟槽处二次重扩散”的制程用“电池片表面预沉积杂质源→脉冲激光局域融化而后再结晶”制程替代。
激光掺杂优点是：不需要杂质扩散的掩模；不需要对硅片整体高温处理，无需二次掺杂的区域，不产生高温晶格缺陷和杂质缺陷，这对于多晶硅电池尤为重要；激光掺杂处的介质膜也一并去除，未掺杂处的介质膜被保留并可作为后继的无电镀工艺的掩模[11]；工艺安全而环保，无有毒气体放出；工艺设备节省空间。
激光掺杂结合无电镀工艺，除了用于制作电池在发射结区（无论是在电池前表面还是背表面）的电极外，还可用于制作基区的电极，制得的电极接触电阻可以低于0.001Ω·cm2，填充因子F可以超过80%[11]。
因而激光掺杂已成功地实现了多种有选择性发射结太阳电池结构：与传统工业化丝网印刷太阳电池结构相似的激光掺杂有选择性发射结太阳电池，如图1所示[11]；具有指交型全背电极结构的激光掺杂太阳电池；双面太阳电池，如图2所示[12]。
图3[13]是与这种电池结构相似的LGBC指交型全背电极太阳电池，激光掺杂全背电极电池结构与LGBC电池结构不同的是：前者电极附近发射区和基区的重掺杂是通过激光掺杂工艺实现的，而后者电极附近发射区和基区的重掺是依次通过激光刻槽、化学去损伤和二次高温扩散实现的。
激光掺杂有选择性太阳电池性能的共同特点是：有光电活性的发射结区域薄层电阻高达100Ω/□，而电极处重掺杂达到40Ω/□，短波光谱响应明显提高；激光掺杂区域的线宽仅有15μm左右，电镀后的电极线宽也只有35μm左右，而传统丝网印刷电池表面指栅宽度达到130~150μm左右，而全背电极则无遮挡，因而激光掺杂有选择性发射结电池的阴影效应小，电池的短路电流I sc大；电极金属与发射极接触面积小，暗电流小，电池开路电压V oc较大；加上较理想填充因子，因而电池具有较高的光电转换效率。
具有图1结构，在直拉p型硅单晶上制得的电池η值一般达到18%；对于在n型硅片上制得的双面电池和指交型全背电极电池，大批量生产条件下的效率也接近20%[13]。
3.3激光掺杂半导体指栅太阳电池激光掺杂半导体指栅LDSF太阳电池[14]除了具有选择性掺杂发射结太阳能电池的特性外，还有透明电极的特点。
半导体指栅电池没有用无电镀工艺在重掺杂线条上沉积金属栅线，激光重掺的半导体区域就可以作为收集光生电流的栅线，因此叫作半导体指栅。
为了满足低电阻要求，激光掺杂的线条区域掺杂浓度比激光掺杂有选择性发射结太阳能电池更高，达到5Ω/□。
LDSF太阳电池是由激光刻槽半导体指栅（laser grooved semiconductor finger,LGSF）太阳电池发展而来[15,16]，图4是LGSF太阳电池结构示意图。
