激光應用助力光伏行業(yè)降本增效
激光應用助力光伏行業(yè)降本增效
光伏產(chǎn)業(yè)中如何去實(shí)現降本增效是行業(yè)面臨的主要問(wèn)題，而激光通過(guò)刻蝕、開(kāi)槽、摻雜、修復以及金屬化等工藝，在該領(lǐng)域逐步顯現優(yōu)勢。新型電池片時(shí)代來(lái)臨，TOPCon、HJT、XBC等效率潛力更大的新型電池新技術(shù)紛紛涌現。激光是光伏電池實(shí)現降本增效的有效技術(shù)，在刻蝕、開(kāi)槽、摻雜、修復以及金屬化等領(lǐng)域均體現出相較于傳統技術(shù)的明顯優(yōu)勢，激光技術(shù)在各類(lèi)電池技術(shù)中都有廣闊的發(fā)展空間。
激光工藝在PERC技術(shù)的應用：
激光技術(shù)在PERC電池端的應用主要包括激光摻雜（SE）、激光消融、激光劃片等，激光消融和激光摻雜已經(jīng)成為標配性技術(shù)。此外，激光在光伏電池端還有部分小眾型應用，如激光打孔、修復等，具體來(lái)看：
1. 激光摻雜設備：SE（Selective emitter）為選擇性發(fā)射極，在前道擴散工序產(chǎn)生的磷硅玻璃層的基礎上，利用激光的可選擇性加熱特性，在電極柵線(xiàn)與硅片接觸部位進(jìn)行高濃度磷摻雜，形成n++重摻雜區。激光摻雜可提高電極接觸區域的摻雜濃度，降低接觸電阻。
2. 激光消融設備：利用激光對鈍化膜精密刻蝕，實(shí)現微納級高精度的局部接觸。該工藝為PERC技術(shù)增強鈍化的核心工藝之一，同時(shí)要求激光加工具有精確的能量分布、作用時(shí)間控制以及脈沖穩定性。PERC技術(shù)可使單晶電池光電的轉換效率從20.3%提升至21.5%。
3. 打孔設備：應用金屬穿孔卷繞技術(shù)進(jìn)行激光打孔，將電池正面電極搜集的電流通過(guò)孔洞中的銀漿引導背面，而消除正面電極的主柵線(xiàn)，從而減少正面柵線(xiàn)的遮光。由于MWT電池較為小眾，該設備僅在日托光伏等企業(yè)有少量應用。
4. 修復設備：采用超高功率激光照射電池片，減少載流子復合損失，從而降低光致衰減現象。通常而言，降低光致衰減的主流方法為熱處理、鹵素燈照射等，均可與燒結工序結合完成，因此目前激光修復在P型電池應用較少。
5. 激光劃片設備：用于組件端半片/疊瓦電池的切割，存在熱激光切割和無(wú)損激光切割等工藝。
激光設備在PERC電池/組件制造中的應用
激光在N型電池中的應用
激光在N型電池中的應用包括激光摻雜、激光修復、激光刻蝕、激光轉印等，價(jià)值量較PERC時(shí)代有望成倍增長(cháng)，因此N型電池放量也將帶來(lái)光伏激光設備市場(chǎng)空間快速擴容。
激光在N型電池片中的應用
TOPCon：激光摻雜提升效率，有望成為標配工藝
TOPCon全稱(chēng)Tunnel Oxide Passivated Contact，即隧穿氧化層鈍化接觸太陽(yáng)能電池結構。使用磷摻雜的硅薄膜實(shí)現電子選擇性接觸，并在其與晶體硅之間制備一層小于2nm的隧穿氧化層，形成電子選擇性鈍化接觸。其隧穿原理是使得多數載流子可以隧穿氧化層，對少數載流子起阻擋作用，實(shí)現了載流子選擇性通過(guò)，降低少數載流子的復合速率，即規避了金屬電極接觸高復合風(fēng)險，因而TOPCon電池具有較高的開(kāi)路電壓。
在TOPCon電池生產(chǎn)流程中，激光技術(shù)可以用于選擇性重摻（SE工藝）及激光轉印等環(huán)節。
TOPCon+SE電池結構
HJT：激光修復可穩定保持效率增益
異質(zhì)結（HJT）是一種特殊的PN結，由非晶硅和晶體硅材料形成，是在晶體硅上沉積非晶硅薄膜，屬于N型電池中的一種。HJT（Heterojunction）電池最早由日本三洋公司于1990年成功開(kāi)發(fā)制備方法。激光在HJT電池中的應用包括激光修復LIR和激光轉印。
IBC：激光開(kāi)槽有效解決IBC電池制備難題
IBC電池可與HJT、TOPCon、鈣鈦礦等多種電池疊加，效率提升潛力大。IBC電池可與多種不同電池技術(shù)疊加，形成不同工藝路線(xiàn)，包括：
1）以SunPower為代表的經(jīng)典IBC電池工藝；
2）以ISFH為代表的POLO-IBC電池工藝，由于POLO-IBC工藝復雜，業(yè)內更看好低成本的同源技術(shù)TBC電池工藝（TOPCon-IBC）；
3）以Kaneka為代表的HBC電池工藝（IBC-HJT）；
4）與鈣鈦礦疊加形成PSC IBC疊層電池工藝。
IBC電池的PN結及電極均位于背面，結構優(yōu)化效率優(yōu)勢明顯。IBC（Interdigitated back contact）電池，即背接觸型太陽(yáng)能電池，將P/N結、基底與發(fā)射區的接觸電極以交叉指形狀做在電池背面。IBC電池的結構性?xún)?yōu)勢有：①正面遮光面積為零；②正面沒(méi)有柵線(xiàn)，沒(méi)有接觸復合和絨面結構大小的限制，表面陷光效應和鈍化效果可以達到最優(yōu)化；③增加電池在組件中的排列密度。因此，IBC從結構上打破傳統晶硅電池的結構限制，為提高電池效率提供較大空間。
IBC電池結構
目前激光開(kāi)槽技術(shù)在IBC電池上的應用主要為①刻蝕掩膜、制備PN區交叉指結構；②PN區隔離；③鈍化膜開(kāi)槽。
激光開(kāi)槽工藝可以低成本地制備PN區結構。IBC電池工藝的關(guān)鍵問(wèn)題在于制備呈叉指狀間隔排列的P區和N區、制備更好的表面鈍化層和金屬化。對應的是目前IBC的劣勢，如需要多步打掩膜的步驟，制程更加復雜；PN電極之間有漏電風(fēng)險。通過(guò)激光刻蝕，可以繞過(guò)掩膜，更低成本地制備PN區；更靈活準確地去除鈍化膜形成金屬化的接觸區。
激光開(kāi)槽也可以應用于IBC電池PN區分離。為防止短路，XBC電池背面的P區和N區之間往往需要隔離，PN區隔離有多種方式，可以利用未進(jìn)行摻雜的非晶硅避免P型摻雜區和N型摻雜區直接相通，也可以在P型摻雜區和N型摻雜區進(jìn)行激光開(kāi)槽進(jìn)行隔離。
IBC電池PN區分離
此外，激光開(kāi)槽也可以應用于IBC、TBC等電池鈍化膜形成后、金屬化開(kāi)始前的接觸結構刻蝕環(huán)節。激光開(kāi)槽鈍化膜的目的是，在N型單晶硅片背面的鈍化層上進(jìn)行激光開(kāi)窗，并將電極從N區和P區上引出來(lái)，進(jìn)行金屬化。背鈍化電池中的背鈍化膜層一般由氧化鋁和氮化硅、氧化鋁和氧化硅或摻雜多晶硅和氧化硅組成，一般的氧化鋁厚度為5?20nm，氮化硅厚度范圍為70?220nm，常見(jiàn)的氧化鋁厚度在10nm，氮化硅厚度在70?100nm時(shí)，背鈍化膜呈淡藍色，為進(jìn)一步改善表面鈍化效果，部分廠(chǎng)家增加拋光工藝，使得背鈍化膜對可見(jiàn)光波段的光反射率高于其它波段。
激光開(kāi)槽可以同時(shí)保證較低的接觸電阻、較高的電池效率與較好的鈍化效果。由于通過(guò)激光消融方式開(kāi)槽，漿料可以利用低溫燒結即可實(shí)現柵線(xiàn)與P型/N型摻雜多晶硅良好的歐姆接觸，在保證較低接觸電阻的同時(shí)，減少柵線(xiàn)區域的金屬誘導復合，提高電池效率，且避免了高溫燒結漿料對P型/N型摻雜多晶硅具有破壞性而導致柵線(xiàn)區域金屬誘導復合隨溫度升高而降低電池效率的問(wèn)題；同時(shí)，也避免高溫燒結漿料對隧穿氧化層產(chǎn)生破壞，確保電池的鈍化效果。
激光轉?。和ㄓ眯徒饘倩夹g(shù)，降本顯著(zhù)空間廣
激光轉印是一種新型的無(wú)接觸式金屬化技術(shù)，適用于PERC、TOPCON、HJT、IBC等所有類(lèi)型電池片。電極金屬化用于制備太陽(yáng)能電池的電極，是光伏電池制造的必備工序。電極金屬化有較多實(shí)現方式，目前的主流方法為接觸式的絲網(wǎng)印刷，目前行業(yè)也在積極探索激光轉印、電鍍銅等新型金屬化方式的產(chǎn)業(yè)化，助力光伏電池片進(jìn)一步降本增效。
激光轉印原理圖
激光轉印相比絲網(wǎng)印刷優(yōu)勢顯著(zhù)，有望成為主流技術(shù)之一。相比于傳統的絲網(wǎng)印刷，激光轉印主要的優(yōu)勢在于：
1）激光轉印的柵線(xiàn)更細，現在可以做到18微米以下，漿料節省30%，在PERC上已經(jīng)得到論證，在TOPCon、HJT等路線(xiàn)上的節省量會(huì )更高；
2）印刷高度一致性、均勻性?xún)?yōu)良，誤差在2μm，低溫銀漿也同樣適用；
3) 可以改變柔性膜的槽型，根據不同的電池結構，來(lái)實(shí)現即定的柵線(xiàn)形狀，改善電性能；
4）激光轉印為非接觸式印刷，可以避免擠壓式印刷存在的隱裂、破片、污染、劃傷等問(wèn)題。同時(shí)，未來(lái)硅片薄片化趨勢，薄片化會(huì )帶來(lái)更多隱裂問(wèn)題，激光轉印由于非接觸式印刷，可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。
激光轉印VS絲網(wǎng)印刷
激光轉印具備通用性，未來(lái)產(chǎn)業(yè)化空間廣闊。激光轉印是一種通用型技術(shù)，對于電池片技術(shù)和漿料類(lèi)型沒(méi)有選擇性，在PERC/TOPCon/HJT/IBC等所有光伏電池片的金屬化環(huán)節均可以使用，同時(shí)也適用于高溫銀漿、低溫銀漿、銀包銅等所有漿料類(lèi)型。由于TOPCon和HJT等N型電池均為雙面銀漿，且HJT所用的低溫銀漿粘稠度高、耗銀量更大，因此電池片銀漿成本目前遠高于PERC電池，采用激光轉印能夠有效降低N型電池銀漿成本，加速N型電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
激光技術(shù)在組件端的應用：薄膜打孔、無(wú)損劃片
激光薄膜打孔：用于雙面玻璃打孔。雙玻組件的蓋板和背板都需要使用光伏玻璃，而背板光伏玻璃需要在特定位置打孔才能把光伏電池組件的電流導線(xiàn)引出到接線(xiàn)盒，因此光伏玻璃背板打孔是組件加工中必不可少的一道工序。目前雙玻組件的背板玻璃鉆孔有機械法和激光法兩種技術(shù)，相比于傳統機械法，激光法具有以下優(yōu)勢：
1）激光法前期固定投資高，但是后期維護成本低，這是由于機械法需要更換易耗品玻璃鉆頭、并且需要冷卻水噴淋和收集；
2）激光鉆孔可以自由切換圓孔、方孔、異形孔等孔型和孔徑需求；
3）加工量率高，2.5mm厚度玻璃加工良率方面，激光法鉆孔高于機械鉆孔5%左右，未來(lái)隨著(zhù)光伏玻璃輕薄化趨勢，激光加工良率優(yōu)勢將更加顯著(zhù)；
4）加工精度高、加工品質(zhì)好，孔內壁無(wú)粉塵殘留、損傷低。
激光無(wú)損切割：替代傳統有損工藝，無(wú)微裂紋、熱損傷低，組件效率損失降低0.05，兼容PERC/TOPCon /HJT等各種主流電池片。常規半片/疊瓦電池的切片采用激光熱切割，即通過(guò)聚焦的激光光斑在電池片上形成熔融溝槽，再外部施加掰斷力，這種方法容易帶來(lái)切割斷面的微裂紋和電池表面較大的熱影響區，對于薄片化的HJT電池可能帶來(lái)更大效率損失。無(wú)損切割技術(shù)可以采用分離式激光照射或旁軸照射光路，誘導電池片產(chǎn)生裂紋并延伸裂開(kāi)，可降低隱裂，預計可降低組件端的效率損失0.05，同時(shí)對于生產(chǎn)良率的提升亦有幫助。
