激光加工(gong)原理
激光又名鐳射（Laser）,它的全名是“輻射的受激發射光(guang)放大”。（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。加(jia)工(gong)原理為(wei)具有較(jiao)高能(neng)量密度的(de)激光束照(zhao)射在被加(jia)工(gong)材料表(biao)(biao)面，材料表(biao)(biao)面吸(xi)收激光能(neng)量，溫度上升，產生熔融、燒(shao)蝕(shi)、蒸發，從而達(da)到去除(chu)表(biao)(biao)層的(de)目的(de)。
激光劃線作用
激光劃線是(shi)利用激(ji)光在硅片(pian)背面(mian)進行打孔或劃線，將(jiang)部分AL2O3與SiNx薄(bo)(bo)膜層(ceng)打穿露出硅基體，背電場通過薄(bo)(bo)膜上(shang)的(de)孔或槽(cao)與(yu)硅基體實現接觸(chu)。
激光(guang)加工過程
1.） 通(tong)過(guo)熱激發或(huo)光激發產(chan)生導帶電子(zi)；2. ）導帶電子(zi)通過雪崩電離和焦耳加熱吸(xi)收(shou)能(neng)量形成等離子(zi)體；3. ）等離子(zi)體(ti)通過電(dian)子(zi)聲子(zi)耦(ou)合將(jiang)能量(liang)傳遞給材料品格；4. ）品格被加熱材料熔化、升華；5. ）物質的熱擴散和沖擊(ji)波引起周圍物質的變(bian)化。
激光規格參數
激光劃線(xian)系統介紹
激光工作(zuo)原(yuan)理(li)示意圖
部分實(shi)物示意圖
光(guang)路(lu)校正檢查(cha)
1）該激光消融設(she)備中，532nm激光從激光器(qi)輸出后(hou)(hou)，先(xian)經過(guo)兩路全反(fan)(fan)射鏡(jing)反(fan)(fan)射，再經過(guo)擴束鏡(jing)、手動光闌后(hou)(hou)輸入激光掃描(miao)振鏡(jing)、聚焦透鏡(jing)，最后(hou)(hou)輸出經過(guo)聚焦后(hou)(hou)的激光。
2）激光經過1號反射鏡，讓其傳輸方向改變(bian)90°；再(zai)經過2號反射鏡，讓其傳(chuan)輸(shu)方(fang)向再改變90°。
3） 1號反射(she)鏡與2號反射鏡的(de)角(jiao)度對(dui)激(ji)光(guang)(guang)傳(chuan)輸方向非常重要，同時會影響激(ji)光(guang)(guang)傳(chuan)輸的(de)效率，在調整兩者的(de)角(jiao)度時需要特別注意(yi)，看激(ji)光(guang)(guang)是否達到90°反射。(90°反(fan)射可以保證激光傳輸過程(cheng)中功率損耗降到最小)通過(guo)2號反射鏡后的激光，經(jing)過擴束鏡中心(xin)輸出，直至掃描振(zhen)鏡輸入(ru)端中心(xin)輸入(ru)。
4）設備運(yun)行(xing)一段時間后，需要打開防護(hu)蓋板，確(que)認反射鏡、擴束鏡、光闌(lan)固定螺絲是否(fou)松動。
光路校正步驟
1）佩戴好激光防護眼鏡、532nm倍頻片(用(yong)于觀察(cha)光斑)；2）調整激光(guang)功率到(dao)合適大小，大致10%左右的激光(guang)功率；3）調整(zheng)1號反射鏡(jing)角度，使得激光達到90°反射(she)到達2號(hao)反射鏡；4）調整2號反射鏡(jing)角度，使得激光達到(dao)90°反射到達擴(kuo)束鏡；5）使用倍頻片觀(guan)察擴束鏡輸出(chu)(chu)端，檢查激光(guang)是(shi)否經過擴束鏡中(zhong)心輸出(chu)(chu)。如果激光(guang)偏(pian)離中(zhong)心輸出(chu)(chu)，返回調整2號反射鏡、1號反射(she)鏡。直(zhi)至將(jiang)激光調整到(dao)中(zhong)心輸出(chu)；6）調整擴束鏡倍數大(da)小，直至(zhi)將光束調整到(dao)工藝要求合(he)適的工作焦距(ju)；7）調整(zheng)(zheng)激(ji)光(guang)從手動(dong)光(guang)闌中(zhong)心(xin)輸(shu)出(chu)，調整(zheng)(zheng)光(guang)闌孔徑大(da)小，直至將(jiang)激(ji)光(guang)功率(lv)調整(zheng)(zheng)到工藝所需要(yao)求；8）調整激光(guang)從掃描振鏡輸(shu)(shu)入端中心輸(shu)(shu)入。
光路清(qing)潔維護
1）作用：保證(zheng)光(guang)(guang)路(lu)(lu)上各鏡(jing)頭(tou)（片）的潔凈度，決定了(le)它們是(shi)否(fou)能夠發(fa)揮本(ben)身的光(guang)(guang)學(xue)(xue)性能：比如透光(guang)(guang)率、反射(she)率等(deng)等(deng)。光(guang)(guang)路(lu)(lu)系統的維護(hu)主(zhu)要指各個光(guang)(guang)學(xue)(xue)鏡(jing)頭(tou)（片）的除塵(chen)(chen)擦(ca)拭(shi)，光(guang)(guang)路(lu)(lu)系統部分的維護(hu)主(zhu)要涉(she)及以下(xia)幾個部位：光(guang)(guang)路(lu)(lu)封閉機構是(shi)否(fou)密封；激光(guang)(guang)頭(tou)輸出窗口是(shi)否(fou)有(you)灰塵(chen)(chen)；反射(she)鏡(jing)、擴束鏡(jing)是(shi)否(fou)有(you)灰塵(chen)(chen)；掃描振鏡(jing)頭(tou)X/Y反(fan)射鏡片是否有灰塵；至少(shao)每2周(zhou)一次重點檢(jian)查F-θ場鏡輸出(chu)面(mian)是否有灰(hui)塵等污染物，鏡面(mian)必須保證干凈(jing)無任何污染物。
光路清(qing)潔維護(hu)操作
在準(zhun)備對這(zhe)些光學(xue)鏡頭、鏡片(pian)進行擦拭除塵之前，必須保證不能移動它們各(ge)自所在的(de)位置。具體操作如下：
1）光路(lu)維護人員首先戴好口罩、手套。
2）準(zhun)備擦拭除塵的工具：包括鏡頭清(qing)潔劑（鏡頭清(qing)潔劑由(you)酒(jiu)精(jing)和(he)乙醚配兌而成，酒(jiu)精(jing)和(he)乙醚兩者都要100%的(de)，等級(ji)選用分析純的(de)，以避免(mian)雜質對鏡頭(tou)的(de)傷害。酒精和乙(yi)醚的(de)比例可取1：1，南方沿海地區氣候濕(shi)潤(run)，可(ke)多加(jia)些(xie)乙醚，比例可(ke)取1：2）、光學(xue)長絨無塵棉簽棒、光學(xue)擦鏡(jing)紙(zhi)、吹風球等。
3）用內六(liu)角(jiao)扳手松開并移(yi)除各光學(xue)鏡頭(tou)處(chu)覆蓋(gai)的封(feng)閉(bi)蓋(gai)板、套筒。在做移(yi)除操作時，動作務必輕柔，切不可將光學(xue)鏡頭(tou)（片）當前的位置(zhi)調(diao)動，包括旋(xuan)鈕螺桿，不能調(diao)動這些(xie)裝置(zhi)。
4）將封閉蓋板(ban)和(he)套筒拆掉(diao)后，從正面對視，觀察里面的光學鏡片（頭(tou)）是否(fou)有污(wu)染物或(huo)者灰(hui)塵。
5）用吹(chui)風(feng)球大致(zhi)吹(chui)一次鏡頭。操作前要先(xian)空(kong)吹(chui)幾下(xia)，而后再吹(chui)鏡頭。手握(wo)吹(chui)風(feng)球的方法就(jiu)像握(wo)木棍一樣，出風(feng)嘴(zui)朝下(xia)，吹(chui)氣(qi)時四指向著手掌心快(kuai)速(su)擠壓(ya)吹(chui)風(feng)球，這種方法基本可(ke)保證吹(chui)風(feng)嘴(zui)方向穩定。要小心吹(chui)風(feng)嘴(zui)碰鏡頭。
6）用棉簽(qian)棒擦(ca)洗相對明顯的(de)贓物或者印(yin)記：
將棉(mian)簽(qian)棒(bang)前端接觸(chu)擦(ca)拭(shi)(shi)液液體表面，多(duo)少以棉(mian)棒(bang)頭(tou)剛好吸滿(man)擦(ca)拭(shi)(shi)液為止(zhi)。切不可將棉(mian)簽(qian)棒(bang)全部浸(jin)入擦(ca)拭(shi)(shi)液。擦(ca)拭(shi)(shi)時同樣(yang)是從鏡頭(tou)的中(zhong)間往邊緣劃圈擦(ca)拭(shi)(shi)，棉(mian)簽(qian)的一(yi)個擦(ca)拭(shi)(shi)面僅能擦(ca)拭(shi)(shi)一(yi)次，使用過的棉(mian)簽(qian)禁止(zhi)再次放入鏡頭(tou)清潔劑中(zhong)。棉(mian)簽(qian)棒(bang)不可重復(fu)使用。
7）用(yong)光學擦(ca)鏡(jing)紙擦(ca)拭：
對(dui)于小的鏡(jing)頭（片），可(ke)將(jiang)準備好的擦鏡(jing)紙在1/3處對折，換一個(ge)方向再在(zai)1/3處(chu)對折，最后將兩次對折的(de)那(nei)個(ge)角再對折，這樣就得到了一個(ge)45度的尖(jian)角。
將尖角(jiao)粘少許清潔劑，避免滴液(ye)，而后從鏡頭(tou)的中間往邊緣劃圈擦(ca)拭。擦(ca)拭一(yi)遍過后，這(zhe)個位置就不能再使用(yong)了。還是(shi)這(zhe)塊(kuai)布(bu)換一(yi)個位置再折(zhe)出一(yi)個尖角(jiao)，如此返(fan)復直至擦(ca)凈。
當(dang)無處可折(zhe)疊時應換一張紙(zhi)(zhi)，不得重復使用(yong)；對(dui)于大的鏡頭（片），先將擦鏡紙(zhi)(zhi)在1/3處對折，而(er)后將(jiang)(jiang)食指(zhi)放入對折布內，再將(jiang)(jiang)布沿著手指(zhi)尖卷出一個尖角即可。
激光參(can)數對(dui)電性能的影響
實(shi)驗樣品
實驗選取的樣品采(cai)用成熟的PERC技術，每(mei)組(zu)樣品激光處劃線(xian)處理之前工藝(yi)完全相同(tong)，且(qie)背面SixNy顏色相近(SixNy顏色隨(sui)著(zhu)厚度呈周期性變化)，以保證實驗樣品的(de)一致(zhi)性和實驗數據的(de)準確性。
實驗(yan)研究(jiu)內容
實(shi)驗研究背鈍化技術在激(ji)(ji)光(guang)劃線過程中(zhong)激(ji)(ji)光(guang)設備各項參數等對電池性能的影(ying)響，主要研究內容為：
1）不同(tong)激光功(gong)率(lv)對電(dian)池片性(xing)能的影響。實(shi)驗(yan)根據激光器固定參數設定不同(tong)的輸出功(gong)率(lv)，以(yi)研(yan)究不同(tong)功(gong)率(lv)條件下電(dian)池片的性(xing)能。
2）不同輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)(lv)對電池片性能的影響。實驗(yan)通過調整激光器(qi)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)(lv)，探究(jiu)不同頻(pin)率(lv)(lv)條件下的劃線平滑度(du)及(ji)電池片性能。
3）不同劃線(xian)(xian)形貌對電池片性能的影響。實驗(yan)通過改變激(ji)光劃線(xian)(xian)線(xian)(xian)寬(kuan)及劃線(xian)(xian)線(xian)(xian)型，探究(jiu)不同劃線(xian)(xian)形貌條件下的電池片性能。
實驗工藝(yi)流程
1）原硅片經過成熟的(de)常規工藝制絨(rong)、擴(kuo)散、刻蝕及(ji)氧化(hua)后；在硅片背表(biao)面生長一層(ceng)厚(hou)度約(yue)5～8nm的Al2O3；
2）本實(shi)驗采用(yong)原子層(ceng)淀積(ji)(ALD)的(de)方式生(sheng)長Al2O3；在Al2O3表(biao)面鍍一層約150nm的SixNy保護層后，使用PECVD技術(shu)在硅片(pian)正(zheng)表面鍍一層厚度(du)約為80nm的SixNy減反膜(mo)；
3）最后采用激光技術在(zai)硅片背(bei)面劃線，打通鋁背(bei)場(chang)與硅片基本的連接通道，使(shi)鋁背(bei)場(chang)在(zai)印刷燒結后能與硅片產生有(you)效歐姆接觸；
4)硅(gui)片(pian)劃線(xian)后(hou)采用相(xiang)同工藝經(jing)過印刷(shua)燒(shao)結，在(zai)相(xiang)同機臺對(dui)電池片(pian)性能進行測試對(dui)比分析(xi)，以保(bao)證(zheng)實驗數據準確(que)性。
結果分析(xi)
1)不同功率的對比(bi)
實驗采(cai)用相(xiang)同批次片源進行多組對比(bi)(bi)，在保證前段工藝與激光(guang)設備其他參數(shu)完全一致(zhi)的條(tiao)件下(xia)，調節激光(guang)器輸出功率，比(bi)(bi)較(jiao)不同功率條(tiao)件下(xia)成品電池片的電性(xing)能差異。
從實(shi)驗數據可(ke)看(kan)出，在激光設(she)備(bei)功率(lv)調節范(fan)圍(wei)(wei)內，在實(shi)驗功率(lv)遞(di)增的條件下，電(dian)池(chi)效率(lv)波動不(bu)明顯(xian)且無線性變(bian)化的趨勢，這說(shuo)明激光設(she)備(bei)功率(lv)在調節范(fan)圍(wei)(wei)內對電(dian)池(chi)片性能影響并不(bu)大。
2)不同(tong)頻率的(de)對比
實驗(yan)選取相同批次(ci)片源進(jin)行(xing)多組對比(bi)，在控制其(qi)他變量的條件下(xia)，研究不同激(ji)光(guang)頻(pin)率對電池(chi)性(xing)能(neng)的影響(xiang)。在實驗(yan)原有工藝基礎上調節激(ji)光(guang)設(she)備(bei)的輸出頻(pin)率，設(she)置激(ji)光(guang)頻(pin)率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz頻(pin)率條件下電池片的性能差異，用3D顯微鏡比較了高頻(pin)與低頻(pin)工(gong)藝條件下劃線(xian)后電(dian)(dian)池結(jie)構的(de)微觀形貌，在相同機(ji)臺對其電(dian)(dian)性(xing)能進行(xing)測試(shi)對比，驗證(zheng)激光頻(pin)率對電(dian)(dian)池性(xing)能的(de)影響。
從3D顯微鏡測試結果來看，低(di)頻工藝條件下激光(guang)劃線深度(du)較(jiao)淺，疑(yi)似有SixNy殘留物(wu)，且(qie)劃(hua)線(xian)臨界面(mian)呈鋸齒(chi)狀結構；高(gao)(gao)頻工藝條件下(xia)激(ji)光(guang)劃(hua)線(xian)深度相對(dui)較深，且(qie)劃(hua)線(xian)臨界面(mian)十分(fen)平整。這可能是因(yin)為在一(yi)定頻率范圍內，當(dang)激(ji)光(guang)脈(mo)沖作用于電(dian)池表面(mian)時，頻率越(yue)高(gao)(gao)激(ji)光(guang)能量釋放越(yue)大，因(yin)此劃(hua)線(xian)效果也相對(dui)較好(hao)。從電(dian)性能數據來(lai)看，2.0MHz工藝條件下的電(dian)池片性能要優于1.0MHz工藝。
電池片效率(lv)隨著激光輸出頻率(lv)逐漸增(zeng)加(jia)呈先(xian)升(sheng)后降(jiang)的趨(qu)勢。當(dang)激光頻率(lv)低(di)于2.5MHz 時(shi)，電(dian)池片性能隨著頻(pin)率(lv)升高(gao)(gao)而呈遞增(zeng)趨勢；當激(ji)光頻(pin)率(lv)高(gao)(gao)于(yu)2.5MHz時，電池片性能隨著頻(pin)率升高而呈遞減趨勢(shi)。
對比實驗數據不(bu)難(nan)看出，當頻(pin)率超過2.5MHz時(shi)，電池片填充因子FF也呈(cheng)下降趨勢，進一步影(ying)響(xiang)了(le)電池片(pian)效(xiao)率。這可(ke)能是由于在(zai)激光劃線的過(guo)程中(zhong)，激光能量被(bei)SixNy/Al2O3鈍化介質(zhi)膜吸收的同(tong)時，少(shao)部分(fen)溢出的能量也會被硅(gui)襯底吸收；
事(shi)實上，激光能(neng)量大部分還是(shi)被SixNy/Al2O3鈍化(hua)介質膜吸(xi)收，以減少對(dui)原硅片的損傷(shang)。而隨著激光頻(pin)率增加，激光脈沖能量隨之增大，劃線效果也相對(dui)越好；當激光頻(pin)率超過2.5MHz時，激(ji)光能量在刻穿SixNy/Al2O3鈍(dun)化介質膜的(de)基礎(chu)上對硅片表面產生了損傷，從而影響了電池片性能(neng)。
不同形貌對比
實(shi)驗選(xuan)取相同批次片(pian)源(yuan)進行多組(zu)對比，在保證其他工藝條件完全(quan)一致的(de)情況下，研究不同劃線形貌(線(xian)(xian)寬、線(xian)(xian)型(xing))對電池(chi)性能的影(ying)響(xiang)。兩組實驗(yan)分別(bie)選取相同片源，其中(zhong)實驗(yan)通過3D顯(xian)微鏡測試對比了不同劃(hua)線(xian)線(xian)寬時電池性能(neng)的(de)差(cha)異；而后(hou)選取A組(zu)實(shi)驗樣品(pin)采用連續線劃線工(gong)藝，B組實驗樣品采用間(jian)斷線(劃線0.8mm，不劃線0.2mm)劃線工藝，比較不同劃線線型條件下(xia)電(dian)池(chi)片性能，實驗(yan)數據下(xia)圖
從(cong)線(xian)(xian)寬可(ke)知，在控制其(qi)他變量的條件下，當劃(hua)線(xian)(xian)線(xian)(xian)寬逐漸增加(jia)時(shi)，電池(chi)片(pian)性能也(ye)隨之提(ti)高，這(zhe)可(ke)能是因為相對大的劃(hua)線(xian)(xian)面積提(ti)高了電池(chi)片(pian)表面載流子的運輸性能，從(cong)而使電池(chi)片(pian)性能得到提(ti)升。
從線(xian)(xian)型可(ke)知，間斷線(xian)(xian)劃線(xian)(xian)工藝生產的電池片效(xiao)率要比連續線(xian)(xian)劃線(xian)(xian)工藝高0.10%。而在其他實(shi)驗中發現，在燒結(jie)爐溫和鋁漿相同(tong)時，連(lian)續線劃(hua)線工藝(yi)所(suo)生產(chan)的電池(chi)片在經過印刷燒結(jie)后背場更易產(chan)生鋁珠和鋁刺，而間(jian)斷(duan)線劃(hua)線工藝(yi)所(suo)生產(chan)的電池(chi)片則幾乎沒有，這(zhe)也(ye)從側面證實(shi)了間(jian)斷(duan)線劃(hua)線工藝(yi)的優越性(xing)。
實驗(yan)結(jie)論
本實驗(yan)采用控(kong)制(zhi)變量法研(yan)究(jiu)了PERC電(dian)池(chi)激光劃線時的激光頻率(lv)、劃線形貌、設(she)備功(gong)率(lv)對電(dian)池(chi)片(pian)性(xing)能的影響(xiang)。實驗(yan)表明(ming)：
1)激光器輸(shu)出功率在14～17W范圍內，設備功率(lv)對電(dian)池片性(xing)能并無直接影響。
2)激光頻(pin)率在1.0～3.5MHz范圍內，當(dang)輸出頻率低于2.5MHz時，電池片(pian)性能隨著激光器(qi)輸出頻率(lv)升高(gao)而呈遞增趨(qu)勢(shi)；當激光器(qi)輸出頻率(lv)高(gao)于(yu)2.5MHz時，設備輸出(chu)頻率升(sheng)高則會影響FF，從而使電(dian)池片(pian)性(xing)能降低，這可(ke)能與激光劃線深度有(you)關。
3)當劃(hua)線線型(xing)相同時，劃(hua)線線寬在33～38μm范(fan)圍內時電(dian)池(chi)片性(xing)能(neng)隨著(zhu)劃(hua)線(xian)(xian)(xian)線(xian)(xian)(xian)寬增加(jia)而提升，這(zhe)可能(neng)是由于相(xiang)對較大的劃(hua)線(xian)(xian)(xian)面積增進了鋁背場與(yu)硅片的有(you)效歐姆接觸，從而提升了電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)；而就劃(hua)線(xian)(xian)(xian)線(xian)(xian)(xian)型(xing)而言，間斷型(xing)劃(hua)線(xian)(xian)(xian)工藝要優(you)于連(lian)續(xu)型(xing)劃(hua)線(xian)(xian)(xian)工藝。
激光工藝過(guo)程注意事項
生產注意事項
1)工藝衛生(sheng)：臺面、吸盤、皮帶每班生(sheng)產前進行擦拭；2)生產(chan)前需確認(ren)激光工藝、激光狀(zhuang)態，激光功率：目標(biao)值±0.3W；3）生產過程中每50片(pian)確(que)認一(yi)次激光圖形無異(yi)常；4）異常硅(gui)片、手接觸(chu)片全部返(fan)工處理(li)；5）激光光斑(ban)控制范圍：34±4μm；6. 激光后未(wei)印刷硅片在制品(pin)時間不(bu)得超過2小時。
激光(guang)調試(shi)注意事項
1）生產前確認激(ji)光(guang)狀(zhuang)態及(ji)激(ji)光(guang)功(gong)率是否開啟(qi)；2）生產前確認生產硅片種類(lei)，根據情況(kuang)更改激光圖(tu)形；3）連續生產(chan)前試生產(chan)幾片，查看外觀、激光(guang)圖形等，確認后交付生產(chan)；整幅面光(guang)斑均勻性不(bu)好。
設備(bei)檢(jian)查(cha)以及維護
1)每(mei)天生產任務完(wan)成(cheng)后需對設備進行清潔(jie)，主(zhu)(zhu)要有臺面、白色勻光(guang)板、吸(xi)盤、裝載盒、傳(chuan)送皮帶、主(zhu)(zhu)機內(nei)部大理石(shi)表面、抽塵(chen)(chen)口區域，使用無塵(chen)(chen)布蘸酒精清潔(jie)即可(ke);2)設備運行10天后(hou)，使用(yong)吸塵器(qi)對設備內(nei)部進(jin)行徹底清(qing)理，以免硅片(pian)碎(sui)片(pian)或(huo)粉塵長(chang)期堆(dui)積造成機(ji)構(gou)堵塞、電氣短(duan)路(lu)等;3)相機光源(yuan)設(she)備(bei)每運行一周，定時(shi)檢查相機光源(yuan)是(shi)否(fou)有污(wu)染。
推薦設備：導電玻璃激光刻蝕機
