1.1 激光加工原理
激光又名鐳射(Laser),它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。
加工原理為具有較高能量密度的激光束照射在被加工材料表面，材料表面吸收激光能量，溫度上升，產(chǎn)生熔融、燒蝕、蒸發(fā)，從而達到去除表層的目的。
1.2 激光開(kāi)槽作用
激光開(kāi)槽是利用激光在硅片背面進(jìn)行打孔或開(kāi)槽，將部分AL2O3與SiNx薄膜層打穿露出硅基體，背電場(chǎng)通過(guò)薄膜上的孔或槽與硅基體實(shí)現接觸。
1.3激光加工過(guò)程
1. 通過(guò)熱激發(fā)或光激發(fā)產(chǎn)生導帶電子;
2. 導帶電子通過(guò)雪崩電離和焦耳加熱吸收能量形成等離子體;
3. 等離子體通過(guò)電子聲子耦合將能量傳遞給材料品格;
4. 品格被加熱材料熔化、升華;
5. 物質(zhì)的熱擴散和聲聲沖擊波引起周?chē)镔|(zhì)的變化。
1.4激光規格參數
2. 開(kāi)槽激光系統介紹
2.1 激光工作原理示意圖
2.2 部分實(shí)物示意圖
2.3光路校正檢查
1. 該激光消融設備中，532nm激光從激光器輸出后，先經(jīng)過(guò)兩路全反射鏡反射，再經(jīng)過(guò)擴束鏡、手動(dòng)光闌后輸入激光掃描振鏡、聚焦透鏡，最后輸出經(jīng)過(guò)聚焦后的激光。
2. 激光經(jīng)過(guò)1號反射鏡，讓其傳輸方向改變90°;再經(jīng)過(guò)2號反射鏡，讓其傳輸方向再改變90°。
3. 1號反射鏡與2號反射鏡的角度對激光傳輸方向非常重要，同時(shí)會(huì )影響激光傳輸的效率，在調整兩者的角度時(shí)需要特別注意，看激光是否達到90°反射。(90°反射可以保證激光傳輸過(guò)程中功率損耗降到最小)通過(guò)2號反射鏡后的激光，經(jīng)過(guò)擴束鏡中心輸出，直至掃描振鏡輸入端中心輸入。
4. 設備運行一段時(shí)間后，需要打開(kāi)防護蓋板，確認反射鏡、擴束鏡、光闌固定螺絲是否松動(dòng)。
2.4光路校正步驟
1. 佩戴好激光防護眼鏡、532nm倍頻片(用于觀(guān)察光斑)。
2. 調整激光功率到合適大小，大致10%左右的激光功率。
3. 調整1號反射鏡角度，使得激光達到90°反射到達2號反射鏡。
4. 調整2號反射鏡角度，使得激光達到90°反射到達擴束鏡。
5. 使用倍頻片觀(guān)察擴束鏡輸出端，檢查激光是否經(jīng)過(guò)擴束鏡中心輸出。如果激光偏離中心輸出，返回調整2號反射鏡、1號反射鏡。直至將激光調整到中心輸出。
6. 調整擴束鏡倍數大小，直至將光束調整到工藝要求合適的工作焦距。
7. 調整激光從手動(dòng)光闌中心輸出，調整光闌孔徑大小，直至將激光功率調整到工藝所需要求。
8. 調整激光從掃描振鏡輸入端中心輸入。
2.5光路清潔維護
1. 作用：保證光路上各鏡頭(片)的潔凈度，決定了它們是否能夠發(fā)揮本身的光學(xué)性能：比如透光率、反射率等等。光路系統的維護主要指各個(gè)光學(xué)鏡頭(片)的除塵擦拭，光路系統部分的維護主要涉及以下幾個(gè)部位：
2. 光路封閉機構是否密封;
3. 激光頭輸出窗口是否有灰塵;
4. 反射鏡、擴束鏡是否有灰塵;
5. 掃描振鏡頭X/Y反射鏡片是否有灰塵;
6. 至少每2周一次重點(diǎn)檢查F-θ場(chǎng)鏡輸出面是否有灰塵等污染物，鏡面必須保證干凈無(wú)任何污染物。
2.6光路清潔維護操作
在準備對這些光學(xué)鏡頭、鏡片進(jìn)行擦拭除塵之前，必須保證不能移動(dòng)它們各自所在的位置。具體操作如下：
1. 光路維護人員首先戴好口罩、手套。
2. 準備擦拭除塵的工具：包括鏡頭清潔劑(鏡頭清潔劑由酒精和乙醚配兌而成，酒精和乙醚兩者都要100%的，等級選用分析純的，以避免雜質(zhì)對鏡頭的傷害。酒精和乙醚的比例可取1：1，南方沿海地區氣候濕潤，可多加些乙醚，比例可取1：2)、光學(xué)長(cháng)絨無(wú)塵棉簽棒、光學(xué)擦鏡紙、吹風(fēng)球等。
3. 用內六角扳手松開(kāi)并移除各光學(xué)鏡頭處覆蓋的封閉蓋板、套筒。在做移除操作時(shí)，動(dòng)作務(wù)必輕柔，切不可將光學(xué)鏡頭(片)當前的位置調動(dòng)，包括旋鈕螺桿，不能調動(dòng)這些裝置。
4. 將封閉蓋板和套筒拆掉后，從正面對視，觀(guān)察里面的光學(xué)鏡片(頭)是否有污染物或者灰塵。
5. 用吹風(fēng)球大致吹一次鏡頭。操作前要先空吹幾下，而后再吹鏡頭。手握吹風(fēng)球的方法就像握木棍一樣，出風(fēng)嘴朝下，吹氣時(shí)四指向著(zhù)手掌心快速擠壓吹風(fēng)球，這種方法基本可保證吹風(fēng)嘴方向穩定。要小心吹風(fēng)嘴碰鏡頭。
6. 用棉簽棒擦洗相對明顯的贓物或者印記：
將棉簽棒前端接觸擦拭液液體表面，多少以棉棒頭剛好吸滿(mǎn)擦拭液為止。切不可將棉簽棒全部浸入擦拭液。擦拭時(shí)同樣是從鏡頭的中間往邊緣劃圈擦拭，棉簽的一個(gè)擦拭面僅能擦拭一次，使用過(guò)的棉簽禁止再次放入鏡頭清潔劑中。棉簽棒不可重復使用。
7. 用光學(xué)擦鏡紙擦拭：
對于小的鏡頭(片)，可將準備好的擦鏡紙在1/3處對折，換一個(gè)方向再在1/3處對折，最后將兩次對折的那個(gè)角再對折，這樣就得到了一個(gè)45度的尖角。
將尖角粘少許清潔劑，避免滴液，而后從鏡頭的中間往邊緣劃圈擦拭。擦拭一遍過(guò)后，這個(gè)位置就不能再使用了。還是這塊布換一個(gè)位置再折出一個(gè)尖角，如此返復直至擦凈。
當無(wú)處可折疊時(shí)應換一張紙，不得重復使用;對于大的鏡頭(片)，先將擦鏡紙在1/3處對折，而后將食指放入對折布內，再將布沿著(zhù)手指尖卷出一個(gè)尖角即可。
3.激光參數對電性能的影響
3.1 實(shí)驗樣品
實(shí)驗選取的樣品采用成熟的PERC技術(shù)，每組樣品激光處開(kāi)槽處理之前工藝完全相同，且背面SixNy顏色相近(SixNy顏色隨著(zhù)厚度呈周期性變化)，以保證實(shí)驗樣品的一致性和實(shí)驗數據的準確性。
3.2實(shí)驗研究?jì)热?/div>
實(shí)驗研究背鈍化技術(shù)在激光開(kāi)槽過(guò)程中激光設備各項參數等對電池性能的影響，主要研究?jì)热轂椋?/div>
1. 不同激光功率對電池片性能的影響。實(shí)驗根據激光器固定參數設定不同的輸出功率，以研究不同功率條件下電池片的性能。
2. 不同輸出頻率對電池片性能的影響。實(shí)驗通過(guò)調整激光器輸出頻率，探究不同頻率條件下的開(kāi)槽平滑度及電池片性能。
3. 不同開(kāi)槽形貌對電池片性能的影響。實(shí)驗通過(guò)改變激光開(kāi)槽線(xiàn)寬及開(kāi)槽線(xiàn)型，探究不同開(kāi)槽形貌條件下的電池片性能。
3.3實(shí)驗工藝流程
1. 原硅片經(jīng)過(guò)成熟的常規工藝制絨、擴散、刻蝕及氧化后;在硅片背表面生長(cháng)一層厚度約5～8nm的Al2O3;
2. 本實(shí)驗采用原子層淀積(ALD)的方式生長(cháng)Al2O3;在A(yíng)l2O3表面鍍一層約150nm的SixNy保護層后，使用PECVD技術(shù)在硅片正表面鍍一層厚度約為80nm的SixNy減反膜;
3. 最后采用激光技術(shù)在硅片背面開(kāi)槽，打通鋁背場(chǎng)與硅片基本的連接通道，使鋁背場(chǎng)在印刷燒結后能與硅片產(chǎn)生有效歐姆接觸;
4. 硅片開(kāi)槽后采用相同工藝經(jīng)過(guò)印刷燒結，在相同機臺對電池片性能進(jìn)行測試對比分析，以保證實(shí)驗數據準確性。
3.4結果分析
1. 不同功率的對比
實(shí)驗采用相同批次片源進(jìn)行多組對比，在保證前段工藝與激光設備其他參數完全一致的條件下，調節激光器輸出功率，比較不同功率條件下成品電池片的電性能差異。
從實(shí)驗數據可看出，在激光設備功率調節范圍內，在實(shí)驗功率遞增的條件下，電池效率波動(dòng)不明顯且無(wú)線(xiàn)性變化的趨勢，這說(shuō)明激光設備功率在調節范圍內對電池片性能影響并不大。
2.不同頻率的對比
實(shí)驗選取相同批次片源進(jìn)行多組對比，在控制其他變量的條件下，研究不同激光頻率對電池性能的影響。在實(shí)驗原有工藝基礎上調節激光設備的輸出頻率，設置激光頻率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz頻率條件下電池片的性能差異，用3D顯微鏡比較了高頻與低頻工藝條件下開(kāi)槽后電池結構的微觀(guān)形貌，在相同機臺對其電性能進(jìn)行測試對比，驗證激光頻率對電池性能的影響。
從3D顯微鏡測試結果來(lái)看，低頻工藝條件下激光開(kāi)槽深度較淺，疑似有SixNy殘留物，且開(kāi)槽臨界面呈鋸齒狀結構;高頻工藝條件下激光開(kāi)槽深度相對較深，且開(kāi)槽臨界面十分平整。這可能是因為在一定頻率范圍內，當激光脈沖作用于電池表面時(shí)，頻率越高激光能量釋放越大，因此開(kāi)槽效果也相對較好。從電性能數據來(lái)看，2.0MHz工藝條件下的電池片性能要優(yōu)于1.0MHz工藝。
電池片效率隨著(zhù)激光輸出頻率逐漸增加呈先升后降的趨勢。當激光頻率低于2.5MHz 時(shí)，電池片性能隨著(zhù)頻率升高而呈遞增趨勢;當激光頻率高于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著(zhù)頻率升高而呈遞減趨勢。
對比實(shí)驗數據不難看出，當頻率超過(guò)2.5MHz時(shí)，電池片填充因子FF也呈下降趨勢，進(jìn)一步影響了電池片效率。這可能是由于在激光開(kāi)槽的過(guò)程中，激光能量被SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜吸收的同時(shí)，少部分溢出的能量也會(huì )被硅襯底吸收;
事實(shí)上，激光能量大部分還是被SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜吸收，以減少對原硅片的損傷。而隨著(zhù)激光頻率增加，激光脈沖能量隨之增大，開(kāi)槽效果也相對越好;當激光頻率超過(guò)2.5MHz時(shí)，激光能量在刻穿SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜的基礎上對硅片表面產(chǎn)生了損傷，從而影響了電池片性能。
3. 不同形貌對比
實(shí)驗選取相同批次片源進(jìn)行多組對比，在保證其他工藝條件完全一致的情況下，研究不同開(kāi)槽形貌(線(xiàn)寬、線(xiàn)型)對電池性能的影響。兩組實(shí)驗分別選取相同片源，其中實(shí)驗通過(guò)3D顯微鏡測試對比了不同開(kāi)槽線(xiàn)寬時(shí)電池性能的差異;而后選取A組實(shí)驗樣品采用連續線(xiàn)開(kāi)槽工藝，B組實(shí)驗樣品采用間斷線(xiàn)(開(kāi)槽0.8mm，不開(kāi)槽0.2mm)開(kāi)槽工藝，比較不同開(kāi)槽線(xiàn)型條件下電池片性能，實(shí)驗數據下圖
從線(xiàn)寬可知，在控制其他變量的條件下，當開(kāi)槽線(xiàn)寬逐漸增加時(shí)，電池片性能也隨之提高，這可能是因為相對大的開(kāi)槽面積提高了電池片表面載流子的運輸性能，從而使電池片性能得到提升。
從線(xiàn)型可知，間斷線(xiàn)開(kāi)槽工藝生產(chǎn)的電池片效率要比連續線(xiàn)開(kāi)槽工藝高0.10%。而在其他實(shí)驗中發(fā)現，在燒結爐溫和鋁漿相同時(shí)，連續線(xiàn)開(kāi)槽工藝所生產(chǎn)的電池片在經(jīng)過(guò)印刷燒結后背場(chǎng)更易產(chǎn)生鋁珠和鋁刺，而間斷線(xiàn)開(kāi)槽工藝所生產(chǎn)的電池片則幾乎沒(méi)有，這也從側面證實(shí)了間斷線(xiàn)開(kāi)槽工藝的優(yōu)越性。
3.5實(shí)驗結論
本實(shí)驗采用控制變量法研究了PERC電池激光開(kāi)槽時(shí)的激光頻率、開(kāi)槽形貌、設備功率對電池片性能的影響。實(shí)驗表明：
1. 激光器輸出功率在14～17W范圍內，設備功率對電池片性能并無(wú)直接影響。
2. 激光頻率在1.0～3.5MHz范圍內，當輸出頻率低于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著(zhù)激光器輸出頻率升高而呈遞增趨勢;當激光器輸出頻率高于2.5MHz時(shí)，設備輸出頻率升高則會(huì )影響FF，從而使電池片性能降低，這可能與激光開(kāi)槽深度有關(guān)。
3. 當開(kāi)槽線(xiàn)型相同時(shí)，開(kāi)槽線(xiàn)寬在33～38μm范圍內時(shí)電池片性能隨著(zhù)開(kāi)槽線(xiàn)寬增加而提升，這可能是由于相對較大的開(kāi)槽面積增進(jìn)了鋁背場(chǎng)與硅片的有效歐姆接觸，從而提升了電池性能;而就開(kāi)槽線(xiàn)型而言，間斷型開(kāi)槽工藝要優(yōu)于連續型開(kāi)槽工藝。
4. 激光工藝過(guò)程注意事項
4.1 生產(chǎn)注意事項
1. 工藝衛生：臺面、吸盤(pán)、皮帶每班生產(chǎn)前進(jìn)行擦拭;
2. 生產(chǎn)前需確認激光工藝、激光狀態(tài)，激光功率：目標值±0.3W;
3. 生產(chǎn)過(guò)程中每50片確認一次激光圖形無(wú)異常;
4. 異常硅片、手接觸片全部返工處理;
5. 激光光斑控制范圍：34±4μm;
6. 激光后未印刷硅片在制品時(shí)間不得超過(guò)2小時(shí)。
4.2 激光調試注意事項
1. 生產(chǎn)前確認激光狀態(tài)及激光功率是否開(kāi)啟;
2. 生產(chǎn)前確認生產(chǎn)硅片種類(lèi)，根據情況更改激光圖形;
3. 連續生產(chǎn)前試生產(chǎn)幾片，查看外觀(guān)、激光圖形等，確認后交付生產(chǎn);整幅面光斑均勻性不好。
4.3 設備檢查以及維護
1. 每天生產(chǎn)任務(wù)完成后需對設備進(jìn)行清潔，主要有臺面、白色勻光板、吸盤(pán)、裝載盒、傳送皮帶、主機內部大理石表面、抽塵口區域，使用無(wú)塵布蘸酒精清潔即可。
2. 設備運行10天后，使用吸塵器對設備內部進(jìn)行徹底清理，以免硅片碎片或粉塵長(cháng)期堆積造成機構堵塞、電氣短路等。
3. 相機光源設備每運行一周，定時(shí)檢查相機光源是否有污染。
