太阳能晶硅电池激光刻槽设备光机系统设计

朱 磊，张运海

(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学室，江苏 苏州 215163)

(2.江苏省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163)

目前市场上的太阳能电池按照材料不同分为3类:晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和光电化学太阳能电池[1－2]。近年来，晶硅太阳能电池在提高效率和降低成本方面取得了较大的进展，进一步提高了它在光伏中的优势地位[3]。电池制备过程中，需要在晶硅电池片的表面刻出独立的窄槽，每个窄槽对应一个独立的电池单元，然后将各电池单元串联成一个太阳能电池组件。相比较丝网印刷和化学刻蚀等技术来说，刻槽后埋栅的电池具有接触电阻小、电流收集效率高、光电转化效率高的优点[4]。激光刻槽为非接触式加工，因此无应力产生，精度高，可精确刻画出微米级的凹槽。激光刻槽设备是整个太阳能晶硅电池制备工艺中的重要设备。激光精密刻槽设备包括光、机、电、软件及控制系统，本文着重从光机系统设计方面进行阐述。

1 光路设计

光路设计如图1所示，采用双激光器的方式，单个激光器出射的激光经过一级扩束系统扩束后，进入分光系统，采用5∶5分光棱镜，分成两路激光，两路激光再由两级扩束机构扩束，进入由振镜和F－theta镜组成的扫描聚焦系统。每个扫描聚焦系统对应一个扫描工位(图1中的1，2，3，4)，在每个工位上完成对晶硅太阳能电池的刻槽，要求刻线宽度30～50μm，刻线深度满足工艺要求。激光器选用波长532nm的短脉冲激光器，性能参数如下:单路激光功率为13W，光斑直径为0.9mm，发散角为5mrad，脉冲不稳定性﹤50μrad。

图1 光学布局示意图

2 扫描聚焦系统设计

扫描系统由振镜及F－theta镜组成。振镜核心为XY扫描镜。将激光束入射到两反射镜上，控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X，Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，再通过F-theta镜将扫描光束聚焦在太阳能晶硅电池的平面进行刻槽。

2.1 振镜及F－theta镜光学参数

标准晶硅太阳能电池的尺寸分为6英寸、6.5英寸、8英寸等。本系统的设计目标是可以刻画各种标准尺寸的晶硅太阳能片。以8英寸晶硅电池片的尺寸204mm为需求尺寸，由此尺寸可选出F-theta镜最小有效扫描直径，确定扫描振镜的型号。振镜采用Jenoptik公司的Raylase SS20，通光口径20mm，与F－theta镜配合使用。而激光出射光斑直径为0.9mm，因此需要对激光扩束，为此设计了两级扩束系统。

2.2 振镜、F－theta镜布局方式

系统工作时振镜处于高速转动状态，F-theta镜镜面法线向下垂直安放，F-theta镜通过中间转接件与振镜组件相连，振镜及F-theta镜座的强度及刚度影响整个组件的光学性能，侧壁受振镜和F-theta镜重力影响，要求使用的材料强度高、刚度大。如图2所示，整个光机系统共有4组振镜及F-theta镜组件，成半圆形同心分布，对应了光刻加工的4个不同工位，相隔夹角为60°，4组振镜及F-theta镜组件摆放紧凑，空间布局合理。振镜及F-theta镜组件通过连接件与下面的大理石台面连接固定，用以消除或减弱各种震动带来的影响。

图2 同心60°等角分布的4组振镜及F－theta镜组件

2.3 两级扩束系统

激光一级扩束器的设计采用倒置的望远镜系统，其高斯光束通过望远镜系统的分布如图3所示。此时系统的扩束比

式中:w0为入射光束束腰光斑半径;w'0为出射光束束腰光斑半径。

图3 通过望远系统的高斯光束分布图

本系统中，振镜要求入射光束直径为20mm，激光实际出射直径为0.9mm。通过分析出射光束和入射光束大小，将一级扩束比定为3倍。具体采用伽利略望远镜设计形式[5]，如图4所示，即正负透镜组合的方式。由于系统对像质要求不苛刻，所以采用一正一负的单透镜组合，如果采用普通玻璃，会使折射率产生温漂，因此采用热膨胀系数低的熔石英。

图4 一级扩束光学结构示意图

二级扩束为Jenoptik公司针对532nm生产的Beam_Expander_2x－10x。二级扩束采用的倍率为7.4倍左右。实际工作情况下，扩束机构在达到特定倍率后固定，避免因为震动而出现前后移动导致光束光斑大小发生变化，或者引起后焦点漂移。在刻槽工艺流程中，需要对经过F－theta镜的焦点不断微调，用来控制刻槽的深度和宽度，所有的调校需要在二级扩束系统上完成。为了能高精度、安全地完成这些精调焦工作，设计了扩束自动调焦机构。

扩束镜的镜筒移动及读数方式与带读数鼓轮的丝杆机构相同，根据经验数据，直径为50mm的鼓轮，手能感觉到的最小转角(扩束镜移动镜筒外径为50mm)为0.5°～1.0°。机构可以达到的最小位移为

式中:n为螺纹头数，通常在精密读数机构中n=1;P 为螺距，mm;φmin=0.5°～1.0°，为手能感觉到的鼓轮最小转角。

如上所述，扩束镜机构中:n=1，P=0.5mm，φmin=0.5°。按式(1)可求得:

这样可得知对于扩束镜镜筒(螺距 P=0.5mm)机构最小位移值为0.0007mm，通过实验测定焦点的变化，可知此时的扩束镜能够实现系统要求的调焦精度。

为了保证在手动调节精度的基础上实现自动化调焦，需选用合适的传动方式和电机型号。扩束镜镜筒转动时，调节力矩应大于最小拧紧力矩Tmin。镜筒移动时，受到的阻力有3种:螺旋副之间的摩擦力矩T1，镜筒上键槽与防转螺钉的摩擦力F1、镜筒与扩束镜固定轴套间的滚动摩擦力F2(经验值约为10N)。根据能量守恒定理，有:

式中:s为传动螺纹的螺距，实际值为0.5mm;f为键槽与防转阻尼的摩擦系数，约为0.1;d1为扩束镜移动镜筒外径，取值50mm;d2为传动螺纹中径，取值50mm;φ为传动螺纹的螺纹升角，φ=arctan(s/πd2)=0.18°;φv为传动螺纹副的当量摩擦角，约为 9°。

由式 (2)、(3)、(4)可得 Tmin=1.6N·m，并以此为依据选择步进电机型号。综合考虑尺寸和性价比，系统选用43尺寸、200分步进电机。

200分步进电机一步转角为360/200=1.8°，达不到最小细分0.5°的要求，做同步带轮设计，传动比 i1/i2=1.8/0.5=3.6。图5所示为二级扩束自动调焦机构。

图5 可变扩束自动调焦机构

采用上述可变扩束自动调焦机构，将可变扩束镜与传动机构相结合，通过电机转动同步带轮，带动扩束镜后转动套筒内部镜片的相对精密位移，实现了对激光光束的调节控制。通过判断在晶硅电池片上的刻槽宽度及深度，可计算需要修改的光斑直径大小或焦点，并能够在不同工艺要求下精确改变扩束倍率。

3 支撑结构及工位旋转台

考虑到热稳定性以及热变形的影响，光学基准不采用金属基板，优先使用大理石平板，整个光机结构坐落在大理石平台上，如图6所示。采用大理石还具有一定的减震吸震效果，且形状稳定，不像金属材料存在因应力释放而变形的问题;大理石平台安装在支架上，之间加入柔性阻尼隔件，用以减少震动对工作台面的影响。

图6 支撑及工位台结构图

系统设计的六分位工件台，采用伺服旋转电机控制。旋转台通过伺服旋转电机倒置在大理石台面下，它的6个工位按60°角均分，与大理石台面上的4等分均布的扫描振镜组件一一对应。图7为工位旋转台机构示意图，工作时，4个工位的晶硅电池片处于工作位置，预留2个工位用来上下料，通过软件控制激光光刻的顺序。

图7 六工位旋转台机构

4 实验结果

采用激光对多晶硅片进行划切，不仅划切速度快，还可以得到更窄的刻槽宽度，提高了硅片利用率。实验对多晶硅片进行了划切，工艺参数要求为:主栅2条，线宽 1.6mm，深 30μm;副栅 40条，线宽25～30μm，深30μm。

晶硅划线的刻槽类型不同，要求的工艺参数也有所区别，需要采用不同的划切方法来满足工艺需求。F-theta镜的性能参数确定了本系统聚焦光斑直径大小在φ 12μm左右，主栅线宽远超过了聚焦光斑的直径，工艺上采取了多次并行划切的方法使主栅宽度达到要求。激光功率分光后约6.5W，划切速度在300mm/s附近时，能达到划切要求;副栅的深度要求较小，要达到比较浅的刻槽深度主要通过采用加快划切速度或减小激光功率实现，考虑到激光功率抑制的响应较慢，实验采用加快划切速度的方法。实际应用中当划切速度增加到600mm/s时，刻槽深度为30μm。图8所示为激光在多晶硅电池片上的刻槽效果。

图8 多晶硅加工效果图

5 结束语

该系统装置布局紧凑，光机设计合理，激光能量利用率高。扩束自动调焦机构的设计使用，提高了刻槽工艺的精度和操作的安全性，在156mm×156mm的多晶硅片上进行刻线试验，副栅刻线宽度精度1μm，刻线深度精度3μm，满足生产实际要求，可推广应用于太阳能光刻领域。

[1] 罗春明，何伟，周柯，等.晶硅太阳能电池薄膜材料现状及发展趋势[J].绝缘材料，2012，45(3):29－33.

[2] 罗大伟.太阳能级硅治金制备研究[D].大连:大连理工大学，2011:7－18.

[3] 周涛，陆晓东，张明，等.晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J].激光与光电子学进展，2013(3):15－25.

[4] 杨金，郭进，魏唯，等.刻蚀设备在太阳能晶硅电池刻蚀工艺中的应用[J].电子工业专用设备，2013(8):26－29.

[5] 叶井飞，高志山，叶海水，等.大变倍比近红外无焦激光扩束系统[J].光学精密工程，2013，22(5):1129－1136.