[发明专利]背接触太阳能电池中的通孔的激光钻孔

说明书

技术领域

本发明涉及使用单脉冲钻孔、短焦距平场透镜和动态扫描技术的结合进行的、背接触太阳能电池(诸如发射极穿绕(EWT)太阳能电池)中的通孔的激光钻孔。

背景技术

在当前广泛使用的太阳能电池设计中具有形成在前表面或接受光的表面附近的p/n结，其由于光能被吸收在所形成的电池中而产生电子/空穴对。传统的电池设计在电池的前侧上具有一组电触点，并且在太阳能电池的背侧上具有第二组电触点。在典型的光伏模块中，这些独立的太阳能电池被串联地电互连，以增加所产生的电压。这种互连通常通过将导电带从一个太阳能电池的前侧焊接到相邻的太阳能电池的背侧来完成。

背接触太阳能电池在后表面上具有负极性和正极性的触点。背接触硅太阳能电池相比于传统的硅太阳能电池具有数个优点。该第一优点是背接触电池由于减小或消除的触点遮蔽损耗(从触点网格反射的阳光不能够被转换为电力)而具有更高的转换效率。第二优点是因为两种导电型触点在相同的表面上，背接触电池更容易被组装在电路中，并因而更便宜。作为示例，通过在单个步骤中封装光伏模块和太阳能电池电路，利用背接触电池可以相比于当前的光伏模块组件实现显著成本节约。背接触电池的最后优点是通过更加均匀的外观而更加美观。美观对于一些应用非常重要，诸如建筑物集成的光伏系统以及用于汽车的光伏顶棚。图1示出了典型的背接触电池结构100。硅衬底101可以是n型或p型。重度掺杂发射极(n⁺⁺102或p⁺⁺103)可以在一些设计中被省略。p型105和n型106金属触点设置在结构100的后表面上。可替换地，重度掺杂发射极在其他设计中可以在后表面上直接彼此接触。后表面钝化104有助于减小在后表面处的光生载流子的损耗，并且帮助减小在触点之间的未掺杂表面处由于分路电流而引起的电损耗。

存在几种制造背接触硅太阳能电池的方法。这些方法包括金属化回绕(MWA)、金属化穿绕(MWT)、发射极穿绕(EWT)以及背结结构。MWA和MWT在前表面上具有金属电流收集网格。这些网格分别绕边缘或穿过穿孔到达后表面，以制造背接触电池。相比于MWT和MWA电池，EWT电池的独特特征是在电池的前侧上没有金属覆盖，这意味着入射到电池上的光都不会被阻挡，导致更高的效率。EWT电池将电流收集结(“发射极”)经由硅衬底中的掺杂导体通道从前表面卷绕到后表面。“发射极”指的是半导体装置中的重度掺杂区域。

通常，使用激光在硅衬底中钻孔来形成EWT电池。发射极(即，在p型硅衬底的表面上的n⁺结)扩散到前表面、后表面和孔表面中。因此，导电通道或通孔形成为连接衬底的前表面和后表面。发射极通常具有受限的传导率，传导率具有在30到150欧姆每平方之间的值。因此，高密度的通孔(例如，每平方毫米0.5到5个孔)是必要的，以限制由于在前发射极或通孔中的电流流动所引起的电阻损耗。因此，156mm×156mm EWT硅太阳能电池可能需要高达120,000个孔，这需要大量的时间来执行激光处理步骤。

各种激光已经被用来加工硅，该激光包括具有从飞秒到微秒的脉冲宽度的红外(IR)和紫外(UV)波长激光。为了从硅实现大量移除，通常使硅衬底到达蒸发温度以上，以在烧蚀过程中引起硅材料的喷出。传统地，为了快速地机械加工硅，使用了高功率密度(即，大于30GW/cm²)，由此过热体积通过爆发沸腾引起了液体硅液滴喷出。在Quanming Lu等人于Appl.Phys.Lett.80，3072(2002)中发表的“Delayed phase explosion during high-power nanosecond laser ablation of silicon”中描述了这种机械加工的示例。

通过激光机械加工喷出的材料也使得在硅衬底上方形成等离子体。所产生的等离子体具有通过反射和吸收损耗而减小硅衬底上的激光功率密度的效果。为了对抗这种效果，可以提供惰性气体覆盖物以减小等离子体密度，由于激光束与所产生的等离子体的相互作用而引起激光功率的减小较小。如在J.Ren，M.Kelly和L.Hellelink在Opt.Lett.30，648(2005)中发表的“Laser ablation of silicon in water with nanosecond and femtosecond pulses”中所述，已经发现了水和其他液体涂层也对于改善激光机械加工速率有帮助。这样的液体涂层通过减小反射、并且转而通过从硅衬底的热表面排除氧气以减小等离子体密度，来帮助改善将激光能量光学耦合到硅衬底中。