激光高效加工支撑太阳能技术蓝图

　　快速成长的光伏产业需要设备供应商们提供许多解决方案，包括提高产出、成品率和降低拥有成本。激光的应用在这些方面起着越来越重要的作用。

　　粗看太阳能产业的设备供应与已成熟的微电子和显示产业相似。然而，太阳能产业的快速成长和不断动态变化向所有企图在太阳能产业的供应链中站稳脚跟的设备供应商们呈现出一系列新的挑战。大量电池和面板制造商涌入这个行业，进一步加剧了问题的复杂性，已有的半导体设备供应商对这些新入行的制造商并不熟悉。

尽管许多太阳能终端用户使用激光工具已有一段时间，激光工具的有关工艺对于太阳能产业是特定的，拥有一套非常不同的工艺参数。我们在本文中回顾已有的和新出现的激光应用，并讨论激光加工将怎样以及为何在太阳能技术路线中起到越来越重要的推动作用。我们还特别研究那些目前从事或即将进入设备供应链的供应商们所面临的新挑战。

　　由于多种太阳能电池技术在相互争夺市场份额，人们研究各种方案降低最终模块对消费者的每瓦特成本（$/W），因此取决于所研究的终端使用物的类型不同（晶体硅或薄膜），设备供应商们可能面临着非常不同的需求。但是，我们可以泛泛地将这些产品分成一些普通种类（图1）。一般终端使用物专用的设备由这些类别的子集来驱动，受到特定的电池技术及其成本缩减技术蓝图的综合作用。

　　高效概念

　　提高太阳能电池和面板的效率几乎是全球每位太阳能厂商最急于实现的愿望。大多数已提出的技术蓝图清晰指出，5年后晶体硅（c-Si）太阳能电池的效率将增长3-5%，平均值将达到16-20%。对于薄膜太阳能面板，总体效率较低，但也有望获得相应提高。比如，从单结非晶硅（a-Si）结构向串联结a-Si/mc-Si（微非晶）结构转化，通过提高光谱吸收率可将电池效率约提升4%，面板总体效率将提升至10%1。

　　现在c-Si电池产商追求高效电池概念最积极，这是他们在现有产品线及产能扩张方案中需要反复提高的部分。激光技术将在新型上表面和背面加工阶段起重要作用2。比如，在金属环绕穿通（MWT）器件中，较薄的金属接触“手指”被移到背面。在发射极环绕穿通（EWT）器件中，传递功率的母线也被转移至背面，使得上表面完全没有金属。通过钻微型通孔，将上表面与下表面接触连接起来，就可以实现这一点。利用WMT，每块硅片需要钻约200个通孔。而EWT要求每块硅片上有高达2万个这种通孔。激光钻孔是唯一可能满足商业规模速度的工艺。同时激光器还可用于形成新型结构，如激光烧制接触（LFC），这种结构对于支持某些先进的薄硅片产品是必须的。

　　为完全满足这些不同工艺，设备供应商们应集成平均功率大（高达数十瓦特）的激光器，可选择输出红外光（IR）、可见光或紫外（UV）光，拥有纳秒或皮秒脉冲性质以及优异的光束性质，M2参数约为1.1（M2约等于1.0代表理论上可完全聚焦的激光束）。

　　“绿色”设备

　　当前太阳能生产线的设备供应包括各种各样的竞争方案，部分方案利用有毒化学物质，制造有毒废物。如现在工厂广泛应用丝网印刷和湿法刻蚀，它们利用现有适用于太阳能生产的成套生产线设备。不过太阳能是一种替代能源和“可再生”的能源类型，碳排放量几乎为零，因此只要可能，就有采用绿色生产设备的强烈动力。

　　利用DPSS激光进行边缘隔离不仅更加环保，还提高了成品率和器件效率。特别由于晶体硅在这些较短的波长处可以吸收更多光，电流产生系统现在更加依赖工作在可见光（532 nm）或紫外（355 nm）波段的DPSS激光器4。硅对355 nm光波的吸收量比对红外（1064 nm）光波的吸收量大四到五个数量级，因此利用Q-转换UV DPSS激光器（图3）可以实现高度本地化的上表面刻蚀。除射入深度较浅外，紫外波长还可以在较低的温度下获得较窄的沟槽，对外围温度损伤如微裂纹尽可能少，微裂纹可能会大大影响成品率。这就使沟槽能置于距离器件边缘较近的地方，减少“死”区，从而使电池的效率最大化。

　　拥有成本

　　太阳能电池和面板的制造成本是永恒的话题，因为它对传递至最终的太阳能装置的成本$/W有很大影响。人们通常通过降低原材料成本或通过采用具有最低资本支出和运行成本的生产线设备，来降低成本。

　　DPSS激光器提供了一种理想的解决方案，主要是由于这种激光器的运行成本很低。此外，太阳能产业还可立即从已在半导体生产线中大规模采用的实业验证激光器设计上获益。这些继承应用为正常运行时间、备用部件的可得性和现场服务相应树立了目标水平。比如，有种在紫外波段工作的高功率激光器拥有数十瓦的输出，当以全功率工作时，五年内每周工作七天，每天24小时时，这种激光器的