專利名稱：一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及晶體硅太陽能電池制造，尤其是一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝。
背景技術：
現代化太陽電池工業化生產朝著高效低成本化方向發展，激光在太陽電池制造有著幾十年的歷史，包括早期的埋柵刻槽(LGBC)，激光刻邊，打孔(EWT和MWT)以及激光摻雜，其中利用激光摻雜技術制造選擇發射極太陽電池可顯著地提高太陽電池的轉換效率，同時降低電池制造成本，成為產業化生產很有潛力的一種技術。澳大利亞新南威爾斯大學開發的利用激光摻雜結合電鍍工藝制造電池是一種成 本低，轉化效率高的方法，非常適合工業化大規模生產，其公開的發明專利號6429037專利名稱“A self aligning method for forming selective emitter and metallizationin solar cell”,發明人為S. R. Wenham, M. A. Green,這種技術一般經過制絨，擴散，去PSG,鍍膜，燒結工藝等標準后，再激光摻雜和電鍍等工藝實現，在激光摻雜前，預先涂一層含摻雜源的膜，通常是含磷源，然后激光加熱晶體硅的同時熔化表面鈍化層，摻雜磷源在極短的時間內擴散到晶體硅表面，形成重擴區，完成摻雜，由于激光未處理的區域仍然保留著鈍化層，可以作為后續電鍍的掩膜層，而激光處理過的區域可實現電鍍，從而完成選擇發射極太陽電池制造.用激光摻雜結合電鍍的技術來制造高效太陽電池在無錫尚德電力已實現小規模試生產。對于上述提到的這種激光摻雜工藝，激光器類型可以是連續激光，也可以是調Q納秒脈沖激光，還可以是準連續皮秒脈沖，波長可以是355nm或者532nm或其它，對于納秒激光，脈沖寬度通常在幾十到幾百納秒范圍，重復頻率一般在100 ΙΟΟΟΚΗζ，對于準連續皮秒，脈沖寬度I 15ps，重復頻率80MHz，掃描速度在I 10m/S，典型速度為3 6m/s，激光摻雜之后，再電鍍鎳銅銀或則鎳銅錫等金屬層，電鍍可以是光誘導電鍍，也可以是化學鍍，還可以是其它的電鍍方法。然而，這種工藝方法有著重要的缺點，那就是硅片經過激光摻雜和電鍍后，電鍍后形成的金屬電極與晶體硅的附著力很低，成為影響電池穩定性與可靠性十分重要因素，限制了其工業化大批量生產，雖然業界也提到粘接力過低可通過提高激光能量增加硅的表面粗糙度避免，如利用較高表面粗糙度以便電鍍形成牢固的金屬電極與硅基接觸.如公開文獻提至丨J的“Influence of laser power on the properties of silicon solarcells” 作者Z. Hameiri 等人發表在 Solar Energy materials & solar cell 95(2011)1085 1094，但是，增加激光能量的方法形成本身就會導致激光損傷，同時會降低電池的轉換效率，影響電池性能。實際上，金屬與娃的附著力過低本身與激光摻雜工藝有很大關系，一方面，如圖2所示激光聚焦后形成的高斯光斑22直徑很小，通常只有10-15um，激光高速掃描過程中，由于聚焦高斯光斑能量分布不均，導致光斑沿中心區域和周邊區域的溫度梯度過大，沿掃描方向光斑重疊區域會出現多次高低溫度梯度交替循環，會影響摻雜均勻性并影響到電鍍后金屬與硅基接觸均勻性，另一方面，激光能量時間分配方面并非最優化，通常調Q激光是以脈沖方式向材料表面輻射能量，由于鈍化層，摻雜源和硅基材料熱物性參數不同，鈍化層熔點比摻雜源高得多，當鈍化層和硅基熔化時，涂在硅基表面的摻雜源大部分已汽化.只有少部分能順利擴散到晶體硅表面，也導致了摻雜的均勻性受到很大影響，不利于后續高質量電鍍工藝。如果能對激光參數(包括峰值功率和能量密度，能量分布等)在時間和空間兩方面進行設計和優化控制，那么就能夠維持激光摻雜后表面后仍能較好維持晶體硅表面的絨面結構，同時實現均勻的摻雜效果，就能改善電鍍后金屬電機與晶體硅的接觸，提高它們之間的附著力。

發明內容
發明目的本發明的目的是為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種摻雜后 既能維持硅表面的絨面形貌，同時形成均勻的摻雜濃度分布，可以有效地提高電鍍后金屬電極與晶體硅的附著力的工藝。技術方案為了實現以上目的，本發明提供的一種用于提高金屬電極與晶體硅的附著力的激光摻雜工藝，硅片制絨，硼擴散，生長掩膜，磷擴散，激光摻雜，電鍍，所述的激光摻雜采用聚焦線性光斑光學系統及結合整形的脈沖波完成，所述的聚焦線性光斑能量分布均勻，其短軸長軸之比為1:2-1:50，短軸尺寸為10-30um，長軸尺寸為20_1500um。所述的整形脈沖波是可調制的，在2個或2個以上時間區間段具備不同的脈沖能量與峰值功率。所述的2個時間區段為第一時間區段、第二時間區段，所述的第一時間區段時間為O. Ι-lOOns，所述的第二時間區段的時間為l-2000ns。有益效果本發明提供的一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝，通過在激光摻雜工藝中采用能量分布均勻的線性聚焦光斑，結合對脈沖波形的控制，實現激光摻雜后既能維持硅表面的絨面形貌又能形成均勻的摻雜濃度分布，可以有效地提高電鍍后金屬電極與晶體硅的附著力，該方法可以提高電池的性能與穩定性，提高電池轉換效率，滿足工業化大規模生產。


圖I是一種激光摻雜用到的聚焦線性光斑光學系統示意 圖2是高斯光斑示意 圖3是用于激光摻雜用到的優化的聚焦后線性光斑示意 圖4是激光摻雜用到的常規聚焦光斑形成的高斯能量分布示意 圖5是一種激光摻雜用到的線性聚焦光斑具有均勻能量分布的示意 圖6是激光摻雜用到的常規脈沖波形示意 圖7是激光摻雜整形后的脈沖波形示意 圖8是激光摻雜整形后的其它相關的脈沖波形示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明。實施例I :
如圖I所示，一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝，包括以下步驟
(1)硅片制絨選用，以P型單晶硅片為基體材料并制絨；
(2)硼擴散硅片清洗后將硅片面對面放入擴散爐中進行硼擴散；
(3)生長掩膜硅片的正面采用SiNx和SiOx疊層減反射鈍化膜，硅片的背面印刷鋁漿料并作燒結處理；
(4)旋涂憐酸；
(5)激光摻雜采用聚焦線性光斑光學系統結合整形脈沖波完成對硅片的加工，所述的聚焦線性光學系統，包括激光器I，光學整形系統2，反射鏡3，聚焦透鏡4，工作臺7，所述的激光器I與所述的光學整形系統2相連接，所述的反射鏡3設于所述的光學整形系統2與所述的聚焦透鏡4之前，所述的工作臺7設于聚焦透鏡4的下方，聚焦后的線性光斑5短軸長之比為1:20，短軸尺寸為10um，長軸尺寸為200um，沿長軸方向與掃描方向平行，分布為均勻的能量，重復頻率8KHz ;激光平均功率I. 6W ;光斑與光斑之間的重疊率約10%，工作臺7移動速度為1440mm/s，激光器I型號Pyrophotonics 532-10X，采用圖7所示的波形，激光脈沖能量約200uJ，脈沖數I個，時間tl區域脈沖寬度為5ns，t2區域脈沖寬度為100ns，平均能量密度約8J/cm2，在時間tl區域，由于脈寬短，足夠高的峰值功率實現對硅片表面SiNx膜的燒蝕，減少熔化時間，在時間tl區域，較長的脈寬具有較低的峰值功率可以讓硅有一定的時間熔化，可以讓摻雜源有足夠的時間擴散到硅表面，以此，可以確保激光處理后既能保證有均勻的摻雜濃度又能維持晶體硅表面的絨面結構，可提高電鍍后金屬電極與硅的附著力；
(6)電鍍在電池正面電鍍鎳、銅、銀。實施例2:
如圖I所示的激光摻雜用到的聚焦線性光斑光學系統，所述的聚焦線性光學系統，包括激光器1，光學整形系統2，反射鏡3，聚焦透鏡4，工作臺7，所述的激光器I與所述的光學整形系統2相連接，所述的反射鏡3設于所述的光學整形系統2與所述的聚焦透鏡4之前，所述的工作臺7設于聚焦透鏡4的下方，所述的激光器I通過光學整形系統2發射整形后的聚焦線性光斑5，所述的聚焦線性光斑5經反射鏡3投射到聚焦透鏡4上，所述的聚焦透鏡4聚焦線性光斑5對放在工作臺7上的硅片6進行加工，硅片6隨著工作臺7的運動，聚焦線性光斑5作用在娃片6表面,聚焦線性光斑其短軸長軸之比為1:30,短軸尺寸為20um,長軸尺寸為600um，激光波長為515nm，光斑的長軸方向相互連接起來，重疊率6%，光斑聚焦后到達樣品表面,開始加工。從圖2，圖4所示，常規的聚焦光斑為圓形光斑，并且為聚焦的高斯能量分布，完成一次掃描加工需要多次的光斑與光斑重疊，例如，聚焦IOum的圓形光斑，給定10%的重疊率，在125_長的范圍內需要約13900個脈沖光斑重疊連接起來，又由于光斑是高斯能量分布，光斑中心區域和邊緣區域溫度梯度相差大，完成摻雜需要多次高低溫度多次交替熱循環，對摻雜均勻性不利，也加大了對材料的損傷；
如圖3，圖5所示為改進的聚焦線狀光斑，由于在沿長軸方向與掃描方向一致，且聚焦的光斑沿長軸方向為均勻的能量分布，完成一次掃描加工需要較少次數的光斑與光斑重疊，降低了光斑重疊區高低溫度梯度循環的次數，有利于形成均勻的摻雜，例如，聚焦形成的10um*200um的線形光斑，給定10%的重疊率，在125mm長的范圍內只需約695個脈沖光斑重疊連接起來，大大降低了高低溫度梯度交替循環的次數，有利于形成均勻摻雜，也降低了對材料的損傷。另外一方面，為了提高電鍍后金屬電極與硅基的附著力，利用現有的線性光斑條件下實現整形的脈沖波形加工可以維持激光摻雜后原有表面絨面結構，脈沖波形在2個或以上時間區間段具備不同的脈沖能量與峰值功率，脈沖波形能方便調制滿足脈沖波形在第一時間區段8內即在較短脈沖時間區間內足夠高的峰值能量去除鈍化層材料，脈沖時間約2 IOOns ;又在第二時間區段9即較長脈沖時間內具備較低峰值能量維持硅熔化，脈沖時間約10 2000ns，摻雜源有足夠的時間完成擴散；更進一步還可以是在第三個時間區間段或合適的脈沖時間段并滿足進一步擴散和退火作用，脈沖波形在內不同時間段內方便調制。如圖6所示的常規的激光摻雜使用一個脈沖加工，脈沖波形和脈沖時間無法調制，如圖 7,圖8所示的改進的激光摻雜則使用整形的脈沖波形，脈沖時間和能量均可以調節，圖7所示的用于激光摻雜的整形后的脈沖波形示意圖中在第一時間區段8，較短的脈沖時間和較高的峰值功率有利于去除表面的鈍化膜而不至于導致太多的熔化，在第二時間區段9較長脈沖時間和較低的峰值功率有利于延長硅的熔化時間以及摻雜源有足夠的時間擴散到硅里面，完成激光摻雜工藝，圖8也提出了針對多層鈍化層材料而設定的不同脈沖波形示意圖，可以滿足多種電池材料結構的設計應用要求。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的是讓熟悉該技術領域的技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此來限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作出的等同變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝，硅片制絨，硼擴散，生長掩膜，磷擴散，激光摻雜，電鍍，其特征在于所述的激光摻雜采用聚焦線性光斑光學系統及結合整形脈沖波完成，所述的聚焦線性光斑能量均勻分布，其短軸長軸之比為1:2-1:50，短軸尺寸為10-30um，長軸尺寸為20-1500um。
2.根據權利要求I所述的一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝，其特征在于所述的整形脈沖波是可調制的，在2個或2個以上時間區間段具備不同的脈沖能量與峰值功率。
3.根據權利要求2所述的一種用于提高金屬電極與晶體硅附著力的激光摻雜工藝，其特征在于所述的2個時間區段為第一時間區段(8)、第二時間區段(9)，所述的第一時間區段(8)時間為2-100ns，所述的第二時間區段(9)的時間為10_2000ns。
全文摘要
本發明公開了用于一種用于提高金屬電極與晶體硅的附著力的激光摻雜工藝，包括硅片制絨、硼擴散、生長掩膜、磷擴散、激光摻雜、電鍍；通過在激光摻雜工藝中采用具有均勻能量分布的線性聚焦光斑，結合對脈沖波形的控制，實現激光摻雜后既能維持硅表面的絨面形貌又能形成均勻的摻雜濃度分布，可以有效地提高電鍍后金屬電極與晶體硅的附著力，該方法可以提高電池的性能與穩定性，提高電池轉換效率，滿足工業化大規模生產。
文檔編號H01L31/0224GK102916077SQ20121037344
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者吳亞軍, 馮立學, 梁會寧, 胡元慶, 李華恩 申請人:奧特斯維能源(太倉)有限公司