激光掺杂设备在PERC太阳电池生产中的应用

李少猛 赵爱爽 张黎静 李朝 黄正业

摘 要：首先介绍了在太阳电池生产过程中激光设备的类型，阐述了激光掺杂工艺在PERC太阳电池生产过程中的重要作用，然后介绍了激光掺杂设备的原理和结构，以及其光斑聚焦原理，提出了光斑异常解决方案，并分析了光路维护要求，提出了可保证了激光掺杂设备高效稳定运行的维护方法。随着对激光设备的深度了解及太阳电池技术的进一步升级，对激光设备的要求会更高，通过不断的优化，激光技术将在太阳电池产业化制造领域得到较好的应用和提升，激光设备也将更快地普及到更多领域。

关键词：激光设备；激光掺杂；PERC太阳电池；选择性发射极；激光发射器；光斑；光路

中图分类号：TB43/TK514 文献标志码：A

0  引言

随着光伏行业的不断发展，激光设备属于先进的行业高精密设备，其已成为太阳电池加工工序中的重要组成部分，直接影响精密太阳电池的加工。在太阳电池生产中，激光设备主要应用于电池边缘钝化、排列划线、切割划片、硅片标记、薄膜烧蚀等。而在PERC太阳电池工艺中，主要应用的激光设备为激光消融设备、激光掺杂设备和激光无损伤划片设备等。

本文通过阐述激光掺杂工艺在PERC太阳电池生产中的重要作用、激光掺杂设备的原理和结构、激光掺杂设备的光斑聚焦原理和光斑异常的解决方案，以及光路维护要求，对激光掺杂设备在PERC太阳电池生产中的应用进行了详细介绍。

1  PERC太阳电池生产中的3种主要激光设备

PERC太阳电池生产中的3种主要激光技术为激光消融技术、激光无损伤划片技术和激光掺杂技术，所用激光设备为PERC太阳电池制作过程中的重要设备。

1）激光消融技术是利用激光在硅片的背面进行打孔或开槽（下文简称为“激光刻槽”），将部分AlOx薄膜层与SiNx薄膜层打穿露出硅基体，背电场通过薄膜上的孔或槽与硅基体实现接触，即要求激光设备具有较高能量密度的激光光束照射在被加工的材料表面，材料表面吸收激光能量，温度升高、产生熔融、烧蚀、蒸发，从而达到去除表层的目的。激光消融设备是PERC太阳电池生产流程中不可缺少的关键性设备。

2）激光无损伤划片技术又称为激光热应力切割技术[1]，是利用激光局部照射产生不均匀的热效应，在受热区产生一个不均匀的温度场，使材料表面产生温度梯度，诱发热应力产生。其中激光光斑处温度高，为压应力状态，激光光斑前后位置处于拉应力状态，由于脆性材料抗压强度远大于抗拉强度，就会使材料断裂，裂纹会随着激光的移动轨迹稳定扩展。

3）激光掺杂技术是在原有PERC太阳电池基础上的技术升级，即在金属栅线（电极）与硅片接触部分进行重掺杂，而电极以外位置保持轻掺杂（低浓度掺杂）。在激光刻槽过程中，通过激光局部热效应形成激光重掺杂区n++层，n++层可以有效降低太阳电池背面的接触复合速率，同时降低背面的硅铝接触电阻，从而提升太阳电池的开路电压Voc和填充因子FF，最终提高PERC太阳电池的光电转换效率。

激光设备能够实现的功能很多，但工作原理大致相同，本文主要介绍激光掺杂设备。

2  PERC太阳电池的主要电性能影响因素

PERC太阳电池的主要电性能参数有短路电流Isc、开路电压和填充因子，这3个参数都与PERC太阳电池的材料、几何结构和制备工艺密切相关。所有的高效太阳电池技术都是围绕如何优化并获得更高的短路电流、开路电压和填充因子而开展。

p-n节作为PERC太阳电池的核心部分，在扩散时掺杂浓度的高低显得尤为重要，而发射极掺杂浓度对太阳电池光电转换效率的影响是双重的。采用高浓度的掺杂，可以减小硅片和电极之间的接触电阻，降低太阳电池的串联电阻，但是掺杂浓度高会导致载流子复合变大，少子寿命降低，从而影响太阳电池的开路电压和短路电流；采用低浓度的掺杂，可以降低表面复合浓度，提高少子寿命，但是必然会导致接触电阻增大，从而影响PERC太陽电池的串联电阻。

为更好地解决上述问题，提出了选择性发射极（selective emitter，SE）太阳电池的设计方案，即在金属电极与硅片接触的地方及其附近进行高浓度掺杂和深扩散，而在电极以外的其他地方进行低浓度掺杂、浅扩散。这样既降低了硅片和电极的接触电阻，又降低了表面复合浓度。SE结构使PERC太阳电池具备串联电阻低、填充因子高、表面钝化效果好、短波光谱响应佳等优点，从而提升了PERC太阳电池的短路电流和开路电压。

目前SE技术的主要实现方法有氧化物掩膜法、丝网印刷硅墨水法、离子注入法和激光掺杂法等，其中使用激光掺杂法的工艺流程较为简单，综合的生产成本（包含设备和物料等方面）较低，为目前主流的SE制备方法。激光掺杂SE+PERC太阳电池的制备工艺流程如图1所示。

SE+PERC太阳电池与常规PERC太阳电池的结构对比示意图如图2所示，这两类太阳电池的重要电性能参数对比如表1所示。表中：Eta为光电转换效率。

通过图2和表1的对比可以看出：使用SE技术能有效提高PERC太阳电池的开路电压和短路电流；低方阻、重掺杂区域降低了电极和硅片的接触电阻，从而改善了PERC太阳电池的填充因子。

3  激光掺杂设备的原理及结构

激光掺杂设备的工作原理为：由激光发射器发射激光，经两个反光镜反射至扩束镜，对焦后光闸打开，激光经过光阑滤光，再经过两个可转动反光镜组成的振镜，控制激光按照设定好的图像移动，最后经过场镜，打刻到台面的PERC太阳电池上，完成激光掺杂全过程[2]。激光掺杂设备的工作流程图如图3所示。

激光掺杂设备的主要部件和作用如下：

1）上下料接驳台：主要用于承接PERC太阳电池的自动上料和下料，实现设备的自动对接功能。

2）触摸屏：显示操作界面，用于设备运行显示和操作。

3）激光发射器：通过激光模组传输信号，形成并发射激光。

4）反光镜：把激光发射器发射出的激光反射到最佳位置。

5）光闸：激光打刻间隙时，光闸关闭，避免激光打到PERC太阳电池或台面上造成影响。

6）扩束镜：通过扩束镜将初始激光的光束范围变大，以满足平行激光光束的要求。

7）整形镜：对激光光束进行整形，改变光束形状，将入射光束整形为特定空间形状的平行光束。

8）光阑：阻挡外围光圈，只让中间强光通过，改善光斑质量。

9）振镜：控制高精度马达，使振镜按照程序设定运行，以保证激光按照设定图形打刻到PERC太阳电池上。

10）场镜：又名聚焦镜，使分散的激光光束聚为焦点。

11）冷水机：激光运行过程中会产生高温，通过冷却水的循环给激光发射器和振镜等精密高温元件降温。

4  激光掺杂设备的光斑聚焦原理和光斑异常的解决方案

光斑在整个激光工艺中有很重要的作用，光斑的大小和均匀性对整个激光掺杂效果有直接影响，光斑大小的主要影响点为焦深。激光发射器的功率和频率会影响光斑的深度：功率过大，光斑太深，会造成浆料填充不好，进而造成接触电阻增大，引起PERC太阳电池的电致发光（EL）图像点状发黑；功率过低，光斑太浅，会造成镀膜膜层无法打透，进而引起PERC太阳电池的EL图像点状发黑。当出现EL图像点状发黑时，可以通过调节激光功率和频率来解决。

而光斑的均匀性主要由光路的聚焦点位和调整精度来控制，场镜的选型如式（1）所示。

式中：F为焦距；f为场镜至设备台面聚焦点的位置；D为平行激光光束的宽度，表示可以通过微调场镜和设备台面上硅片放置的高度差，以及平行激光光束的宽度来改变焦距。

场镜的聚焦原理如图4所示。通过整形镜后的平行激光光束，经过场镜（凸透镜）后进行聚焦，根据式（1）得到场镜的焦距；因一般光斑大小要求调节在95～105 ?m之间，因此需要通过微调整将激光光束的聚焦点调整至台面上的PERC太阳电池偏上或偏下的位置，以保证最终的光斑尺寸[3]。

4.1  光斑异常的解决方法

光斑异常是激光掺杂设备的常见故障之一[4]。常见的光斑异常为光斑大小异常，经过反复验证总结，光斑大小调节在95～105 ?m之间时掺杂效果最好。

当出现光斑整体偏小或整体偏大时，直接调节扩束镜即可。光斑整体偏小时，先顺时针小幅度转动扩束镜，打刻观察光斑，如果顺时针转动后光斑稍微变大，则继续顺时针转动扩束镜，直到光斑调节到合适大小；如果顺时针转动后光斑变小，则反向转动扩束镜，打刻观察，直到光斑调节到合适大小。当光斑整体偏大时，和光斑偏小时的调节方法一样。

而当出现光斑局部偏小或局部偏大时，则需要改变激光焦点的位置。激光掺杂设备光斑调节的激光焦点状态如图5所示，激光焦点在PREC太阳电池竖直向上的合适位置和竖直向下的合

适位置时，都可以保证打刻在PREC太阳电池上的光斑大小在95 ?m左右。因此先大幅度调节扩束镜，使激光焦点在如图5所示的2种位置状态，再微调扩束镜，使光斑整体大小合适。

4.2  振镜卡到限位的调节方法

振镜卡到限位会使激光光束无法反射到设备台面上，造成PREC太阳电池不能被激光打刻。此时的调节方法为：关掉激光发射器，设备断电，然后拆下场镜；轻轻拨动场镜上方的振镜镜片，使其脱离极限位置，重新打开激光发射器，复位即可正常运行。

光路[5]为激光掺杂设备的主要元件，通过精细调节光路来获得所需的光斑效果。激光掺杂设备光路的工作示意图如图6所示[6]。

激光光束从激光发射器发射后，通过1对反光镜、光闸、扩束镜、整形镜、光阑、振镜等光学元件后，由场镜聚焦，然后射入PERC太阳电池表面，振镜的异常会造成激光光束入射角變化，进而会影响光斑的焦点位置，造成光斑偏移。

5  光路维护要求

激光掺杂设备属于精密设备，维护保养对激光设备的稳定运行起着决定性的作用。激光掺杂设备的维护保养主要分为3个方面：机台内部清理、光学配件拆卸清理和光路内部清理。下文主要对光路的维护要求进行介绍。

5.1  光学配件的拆卸清理

主要涉及激光发射器、振镜、整形镜、扩束镜、光阑、反光镜、场镜等元件的清理。首先拆卸光路外壳盖，将扩束镜、整形镜、光阑的位置使用记号笔画下后拆卸下来，然后拆卸第1个反光镜位置的外壳，使用酒精布擦拭光路内部及各光学元件。

5.2  激光发射器窗口镜的擦拭清理

打开激光发射器控制软件，将功率逐步降低后关闭出光，使用手电筒查看激光发射器窗口镜是否存在污垢及灰尘，使用吹气球清理灰尘，若存在污垢则使用棉签蘸取酒精擦拭。

5.3  反光镜的擦拭清理

使用吹气球吹走反光镜表面灰尘，佩戴手套，使用擦镜纸轻轻按在镜片表面，沿一个方向轻轻擦拭镜面，直至镜片表面无污渍及灰尘。

5.4  扩束镜的擦拭清理

使用吹气球吹走扩束镜表面灰尘，若存在污渍或灰尘，需佩戴手套使用擦镜纸轻轻擦拭镜片表面，扩束镜发射角镜片的污渍可使用镊子夹取擦镜纸擦拭，需要注意力度，不可让除擦镜纸外的其他物体接触镜片，防止污染或镜面被破坏。

5.5  场镜的擦拭清理

拆卸场镜下方护罩，使用场镜护盖盖好场镜，顺时针沿场镜螺纹转动取下场镜，然后将取下来的场镜移至洁净区域；擦拭时用手指拿着擦镜纸放置在场镜中心，慢慢旋转场镜，直至擦完整个场镜表面。需要注意的是，使用擦镜纸时需佩戴手套，因为人体表面的油脂和污垢会立即吸附在擦镜纸表面。

6  結论

在高效太阳电池生产过程中，激光掺杂工艺对太阳电池生产起着重要作用。本文详细介绍了激光掺杂设备在PERC太阳电池生产中的应用情况，在阐述了激光掺杂设备的原理和结构，以及其光斑聚焦原理的基础上，有针对性地解决了激光掺杂设备使用过程中遇到的光斑异常问题，并分析了光路维护要求，提出了可保证激光掺杂设备高效稳定运行的维护方法。通过不断的优化，激光技术将在太阳电池产业化制造领域得到较好的应用和提升，激光设备也将更快地普及到更多领域。

[参考文献]

[1] 汤亮，张董洁，龚发云，等. 全自动太阳能残片激光划片机系统设计[J]. 机床与液压，2019（2）：9-12.

[2] 张陆成，王学孟，沈辉. 激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用[J]. 激光与光电子学进展，2009，46（5）：41-46.

[3] 刘源，李正佳，吴奇彬. 用于切割硅薄膜太阳能电池的激光器研究[J]. 激光与光电子学进展，2005，42（5）：43-47.

[4] 伍波，刘永智. 高功率光纤激光器相干合成研究[J]. 激光与光电子学进展，2006，43（8）：56.

[5] 陈清明，周风晴，李晓平，等. 高功率激光圆偏振镜的研究[J]. 激光技术，1992，16（4）：193-196.

[6] 谢永杰. 激光场相速度分布与激光加速电子的研究[D]. 上海：复旦大学，2004.

APPLICATION OF LASER DOPING EQUIPMENT IN THE PRODUCTION OF PERC SOLAR CELLS

Li Shaomeng，Zhao Aishuang，Zhang Lijing，Li Chao，Huang Zhengye

（Jingao Solar Energy Co.，Ltd.，Xingtai 055550，China）

Abstract：This paper first introduces the types of laser equipment in the production process of solar cells，expounds the important role of laser doping technology in the production process of PERC solar cells，then introduces the principle and structure of laser doping equipment，as well as its laser spot focusing principle，puts forward the solution to the abnormal laser spot，analyzes the requirements of optical path maintenance，and puts forward the maintenance methods that can ensure the efficient and stable operation of laser doping equipment. With the in-depth understanding of laser equipment and the further upgrading of solar cell technology，the requirements for laser equipment will be higher. Through continuous optimization，the laser technology will be better applied and improved in the field of solar cell industrialized manufacturing，and laser equipment will also be more widely used in more fields.

Keywords：laser equipment；laser doping；PERC solar cells；SE；laser transmitter；laser spot；light path