專利名稱：用于對太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的方法和裝置的制作方法
用于對太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的方法和裝
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本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求I前序部分所述的用于對太陽能電池的、特別是結(jié)晶或多晶硅太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的方法。此外，本發(fā)明還涉及ー種如權(quán)利要求8前序部分所述的用于對太陽能電池的、特別是結(jié)晶或多晶硅太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的裝置。
本發(fā)明所要解決的問題是，提出一種開頭所述類型的方法以及提供ー種開頭所述類型的、更加高效和更加經(jīng)濟的裝置。這些問題在方法方面通過具有權(quán)利要求I特征部分所述特征的、開頭所述類型的方法得以解決，以及在裝置方面通過具有權(quán)利要求8特征部分所述特征的、開頭所述類型的裝置得以解決。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計。存在著大量構(gòu)造非常不同的太陽能電池類型。本申請涉及的特別是結(jié)晶和多晶硅太陽能電池。它們是厚度均勻的、正方形的硅片，其尺寸HXBXT (通常情況下)如下H=80…220 u mXB=125…210mmXT=125... 210mm這里涉及的是對這種類型的太陽能電池的熱處理，該熱處理的目的是為了通過加熱釋出溶媒和終止緊接著的雜質(zhì)向內(nèi)擴散以及金屬化面的同時向內(nèi)擴散和燒結(jié)。熱處理現(xiàn)有技術(shù)為帶式爐(Band Ofen )，其長度約為IOm和寬度約為Im(占用安置面積約IOm2)以及電連接功率最大為100kw。本申請中提出的激光解決方案可使用較小量級的設(shè)置面積和較小量級的連接功率就足以滿足需要。對該類型的太陽能電池的熱處理是ー個復(fù)雜的事件過程，這是因為要在一種時間上連續(xù)的和復(fù)雜的加熱特性條件下一個接ー個地發(fā)生一系列相互關(guān)聯(lián)的エ藝過程，但是ー部分也相互平行和重疊。所有這些エ藝過程都強烈地影響到太陽能電池的效率/效能并且對太陽能電池的經(jīng)濟性起著決定性影響。目前，這種類型的太陽能電池的制造者公開表明的目標(biāo)在于以秒計的節(jié)拍循環(huán)時間。這就是說每秒鐘完成一個成品太陽能電池。對太陽能電池進行掃描的方法(掃描法)由于較慢的處理速度而不太適合低成本地實現(xiàn)這個循環(huán)時間。允許同時對全部太陽能電池進行處理的這種方法更加適合。通過對均勻分布的激光二極管或者激光二極管條進行不同的布置，可以對這種同時照射在空間上進行非常精確的調(diào)定(自由輻射源或者纖維耦接的模塊)。照射時的精確度能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能電池的幾何準(zhǔn)確的照射，因此所有的光線被用于照射和加溫(空間精確度，能量效率)。過去曾經(jīng)嘗試過使用閃光燈對太陽能電池進行快速的、同時的光學(xué)熱處理。與由半導(dǎo)體生產(chǎn)所確立的方法相同，這些嘗試以在半導(dǎo)體行業(yè)所知的總體概念“RTP” (RapidThermal Processing,快速熱處理過程)而告終。這些嘗試表明，雖然RTP具有一些技術(shù)上的優(yōu)勢，但是在生產(chǎn)能力和處理成本這些決定性的問題上無法擊敗帶式爐。因此，目前在批量生產(chǎn)中是找不到太陽能電池-RTP的。可以通過使用均勻化的激光二極管布置來克服這些障礙它們在us范圍內(nèi)的可調(diào)性在節(jié)拍循環(huán)周期(Is)內(nèi)提供足夠的加熱動カ(Heizdynamik)以供使用(時間方面的精確度)。連接功率小一個量級的激光方法與帶式爐相比，可實現(xiàn)相應(yīng)較小的運行成本。在太陽能電池生產(chǎn)中的另ー個重要的邊緣條件是太陽能電池的整個面上的處理的均勻性。不均勻性可能會降低太陽能電池的效率/效能以及因此降低經(jīng)濟性(例如借助向內(nèi)擴散的鋁糊得以實現(xiàn)的太陽能電池的均勻的、整面的背面觸點接通)。在爐中和在閃光燈裝置中，由于這些加熱機械遭受著強烈的老化并且因此按規(guī)定要經(jīng)常進行測量和再調(diào)校，所以均勻加熱一直就是ー種挑戰(zhàn)。這個弊端在本申請中通過使用精確自動調(diào)節(jié)的、均勻化的激光二極管得以消除(空間方面的和時間方面的精確度)。在使用爐或者閃光燈裝置進行具有隨時間可變的溫度特性的動態(tài)加溫過程中，由于即使是在準(zhǔn)確均勻的加溫情況下太陽能電池的邊緣(僅僅以 180°導(dǎo)熱)也比內(nèi)部區(qū)域(以360°導(dǎo)熱)加熱更劇烈，所以總是可以觀測到邊緣效應(yīng)?？梢酝ㄟ^利用光學(xué)射束整形對太陽能電池進行精確預(yù)調(diào)的、有針對性地不均勻的照射來避免這種不均勻加溫，也就是說，在中心部較多的強度(照度)和在邊緣處較少的強度(照度)即使是在隨時間可變的溫度特性條件下也可獲得均勻的溫度分布。作為對避免邊緣效應(yīng)的補充，為了實現(xiàn)附加的、有針對性地在空間方面不同的加熱分布特性，可以利用射束整形措施，這些加熱分布特性在太陽能電池上被事先定義為“較熱”和“較冷”區(qū)域。(例如用于太陽能電池上正面觸點接觸的指形構(gòu)造(Fingerstruktur))。由石英玻璃構(gòu)成的、透明的太陽能電池支承座作為裝置的一部分可以經(jīng)受住直到硅熔點的高溫，但是可以讓加熱太陽能電池的ニ極管激光透過。作為用于在空間上精確控制太陽能電池的照射的光學(xué)射束整形的一部分，支承座同時可以承擔(dān)光學(xué)功能。完整的激光加熱設(shè)備應(yīng)該包括下列功能單元I.帶有輸入緩沖器(Eingangspuffer)的電池操作單元2.電池加工處理單元(激光器，射束整形裝置，電池支承座，抽吸裝置)3.帶有電池操作單元的輸出緩沖器(Ausgangspuffer)這樣，該設(shè)備可以被無縫地結(jié)合于現(xiàn)代的流水線太陽能電池加工エ廠的“河流”當(dāng)中。所述裝置的特點在于具有一種大于100，000, 000K/s的坡度(Rampensteilheit)并且由此在過程設(shè)計(Prozessauslegung)當(dāng)中提供了附加的自由度。這一點遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了坡度為數(shù)個lOOK/s的傳統(tǒng)爐的現(xiàn)有技術(shù)并且是迄今如此無法達到的。優(yōu)點在于對熱處理的溫度曲線提供了更好的控制和可調(diào)性。所述裝置的高坡度產(chǎn)生自裝置的第二功能単元的作用原理(功能単元列表另外參見本文的上面)，即電池加工處理單元(激光器，射束整形裝置，電池支承座，抽吸裝置)。因而激光器及射束整形裝置的供電是這樣設(shè)計的可以借助市場上能買得到的電子脈沖發(fā)生器進行脈沖控制，該脈沖發(fā)生器具有IOy s的上升時間和下降時間以及可變調(diào)定的脈沖持續(xù)時間(> 10 s)和可變的脈沖重復(fù)率。本申請人在自己的應(yīng)用中心便利用類似的、帶有射束整形裝置的激光光源對晶片生產(chǎn)用的硅片進行了加熱，并且依此達到了在加熱持續(xù)時間10 y s之內(nèi)> 1000K的溫差。這就產(chǎn)生了 100，000, 000K/s的溫度梯度(坡度)。
在強電流-短脈沖-電子學(xué)領(lǐng)域中具有納秒范圍的脈沖持續(xù)時間的有限的第一個進步和發(fā)展設(shè)計可能會使市場上可以買得到的、大功率ニ極管激光器用的供電設(shè)備的脈沖持續(xù)時間、上升時間和下降時間進ー步縮短。在弗賴堡(Freiburg)的弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)Ji YounLee的2003年的博士論文中已經(jīng)研究并說明了 對于結(jié)晶硅太陽能電池的多重RTP處理可以達到更長的載流子壽命和由此獲得更好的太陽能電池效率/效能。使用提出的裝置，可以擴展這種多重處理，也就是說可以在較短的總持續(xù)時間內(nèi)實現(xiàn)更大數(shù)目的快速熱處理步驟。例如在弗賴堡的弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所Ji Youn Lee的2003年的博士論文中對兩次持續(xù)時間超過一秒的重復(fù)進行了描述。使用在此描述的裝置，可以在一秒鐘內(nèi)毫無問題地進行1，000次重復(fù)。通過高次數(shù)的快速溫度交換可以達到另外的、到目前為止無法達到的材料特性。在半導(dǎo)體部件(“Chips”,微型晶片)的制造中，短時溫度超高(“Spike-Anneal” ,尖峰退火)已經(jīng)屬于現(xiàn)有制造技木。據(jù)作者所知，到目前為止該技術(shù)在太陽能電池制造中尚未有人研究。這里描述的裝置可以使得類似由半導(dǎo)體制造而周知的尖峰退火的新式處理過程推廣引用至太陽能電池制造當(dāng)中，以達到進ー步提高太陽能電池性能的目的。半導(dǎo)體部件制造中尖峰退火的優(yōu)點在于對晶體缺陷的無擴散修復(fù)。使用所提出的裝置也可以將晶體缺陷的無擴散修復(fù)應(yīng)用到太陽能電池上。
使用所提出的裝置可以在快速相繼的階段中實施熱處理。在加熱過程或者烘干過程中太陽能電池溫度的逐級階段式上升或者下降允許對熱處理的過程進行精確控制。在弗賴堡的弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所Ji Youn Lee的2003年的博士論文中已經(jīng)研究并說明了 快速氧化過程(“RT0”，快速加熱氧化)期間的不均勻照射導(dǎo)致氧化層厚度不均勻，并因此導(dǎo)致載流子壽命不均勻以及最后導(dǎo)致太陽能電池效率/效能不均勻。由于在太陽能電池加熱過程中10°C的溫度變動已經(jīng)使太陽能電池的電氣特性產(chǎn)生明顯的差別，所以均勻的照射是必要的。在加熱過程中當(dāng)太陽能電池溫度為1000°c吋，10°c就代表1%的溫度變動。這就直接要求在考慮到照射持續(xù)時間內(nèi)進入到硅內(nèi)的光能的擴散的情況下，照射變動同樣不可大于1%。所述不均勻性通過本發(fā)明的裝置得以消除。在提出的裝置中，所述照射通過被顯微光學(xué)射束整形的ニ極管激光照射而如此精確地得以調(diào)定，即保證在空間上均勻的加工溫度以及太陽能電池的相應(yīng)地在空間上均勻的、機械的、電氣的和電子光學(xué)的特性(層厚，載流子壽命，電池效率)。下文將參照附圖
詳細(xì)闡述本發(fā)明的實施例。附圖中表示圖I為本發(fā)明的裝置的第一實施方式的示意性透視圖；圖2為本發(fā)明的裝置的第二實施方式的示意性透視圖；圖3為太陽能電池的基本材料的托座的示意性透視圖；圖4為圖3所示的托座的俯視圖；圖5為與圖4相應(yīng)的、托座的可選實施方式的俯視圖。在各附圖中，相同的或者功能一致的部件采用同樣的附圖標(biāo)記。在圖I中示出的本發(fā)明裝置的第一實施方式包括多個托座1，在下文中參照圖3至5還將對這些托座進行詳細(xì)說明。各個托座I分別夾持一個用作太陽能電池的基本材料的娃片。各個單體托座I通過適當(dāng)?shù)倪B接機構(gòu)2相互連接在一起，使得大量的相互連接在一起的托座I可以沿輸送方向3同時向圖I中的右方運動。所述裝置另外還包括兩個激光光源4a、4b，這些激光光源例如分別包括一個激光ニ極管或者多個激光二極管，特別是ー個激光二極管條或者ー組(Stack)激光二極管條。出于商業(yè)上的原因，激光光源4a、4b的波長可以在800nm與IlOOnm的范圍內(nèi)。然而也完全可以使用更長或者特別是更短波長的激光光源4a、4b。另外，激光光源4a、4b包括控制機構(gòu)或者可以與控制機構(gòu)相連接，該控制機構(gòu)可以控制激光光源4a、4b的運行，特別是它們的接通時間或者脈沖持續(xù)時間。特別是可以考慮Ins至Is范圍的脈沖持續(xù)時間。
所述裝置另外還包括不意性不出的第一和第二光學(xué)器件5a、5b。光學(xué)器件5a、5b在此又分別包括均勻器，這些均勻器例如可以包括多個特別是相互交叉的柱面透鏡陣列和一個場透鏡。另外，光學(xué)器件5a、5b可以分別包括射束整形透鏡。從光學(xué)器件5a、5b發(fā)出的激光束6a、6b用虛線標(biāo)出。配屬于第一激光光源4a的第一光學(xué)器件5a是如此構(gòu)造的由托座I夾持的硅片被整面地從上方被照射(參見位于第一光學(xué)器件之下的托座I的硅片的上側(cè)面，該上側(cè)面例如加載了表面強度分布6)。配屬于第二激光光源4b的第二光學(xué)器件5b是如此構(gòu)造的由托座I夾持的硅片被整面地從下方被照射。在這種情況下，為了保持Is的脈沖重復(fù)頻率，總的照射持續(xù)時間應(yīng)該特別是最高為Is。在這種情況下具有如下的可能性激光束6a基本上垂直地射到硅片的上側(cè)面上以及激光束6b基本上垂直地射到硅片的下側(cè)面上。作為可選方案，激光束6a、6b也可以分別以不等于0°的角度射到上側(cè)面上和/或下側(cè)面上。在這種情況下，特別是硅片的上側(cè)面可以被第一激光束6a加載以及該硅片的下側(cè)面可以被第二激光束6b加載，其中，第一和第二激光束6a、6b在ー個或者多個特性方面可以有所不同，以便在用作太陽能電池的基本材料的硅片的上側(cè)面和下側(cè)面中引發(fā)不同的處理過程。脈沖形狀可以分別按時間加以構(gòu)造成形(zeitlich strukturiert),使得繼較小強度的預(yù)熱階段之后是必要時短時間的較高強度階段。為了促進擴散過程，在這個較高強度的階段之后例如又可以再次重復(fù)較長時間的較小強度階段。脈沖形狀可以重復(fù)產(chǎn)生，從而，在“流水加工線”中對于通過的每個硅片來說都保持恒等的同樣脈沖形狀。在循環(huán)時間為Is的情況下，脈沖形狀因此以IHz的頻率重復(fù)。在照射過程期間，相互連接的托座I沿輸送方向3的輸送可以停止。但是也存在如下的可能性在照射過程期間持續(xù)不斷地進行輸送。在這種情況下，激光光源4a、4b連同光學(xué)器件5a、5b —起與正要被照射的硅片隨同移動一段距離并且在開始照射下一硅片之前重新返回原處。在硅表面上功率密度可以大致在0. I至30kW/cm2的范圍內(nèi)選擇。可以通過如下的方式避免硅片加溫不均勻保證對太陽能電池進行通過光學(xué)射束整形精確預(yù)調(diào)、有針對性的不均勻照射。特別是在硅片的中心部較多的強度(照度)和在邊緣處較少的強度(照度)即使是在溫度特性隨時間變化的條件下也同樣使溫度分布均勻。
作為對避免邊緣效應(yīng)的附加補充，為了實現(xiàn)附加的、有針對性地在空間方面不同的加熱特性，可以利用射束整形措施，這些加熱特性在太陽能電池上被事先定義為“較熱”和“較冷”區(qū)域。(例如用于太陽能電池上正面觸點接觸的指形構(gòu)造)。圖2所示的實施例與圖I所示的實施例的不同之處僅僅在于硅片的上側(cè)面和下側(cè)面并不是分別同時整面地被照射，而是通過游移的線狀的強度分布8被相繼接連照射。因此，為了產(chǎn)生大致鮮明清晰的線，光學(xué)器件5a、5b設(shè)計得有些不同。在這種情況下有益之處在于可以利用相互連接的托架I的運動使所述線在硅片的表面上進行掃描。同時不利之處在于為激光光線在時間上的調(diào)制提供較少的時間。圖3示出的是兩個通過連接機構(gòu)2相互連接的托座I。托座I中的每ー個都包括由對于所使用的激光波長為透明(可以透射)的材料構(gòu)成的ー個上部框架9和ー個下部框架10。例如作為合適的材料可以考慮石英。待加熱的硅片11被設(shè)置在兩個框架9、10之間。
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在圖4和圖5中示出的是具有矩形外形的硅片11。在此完全有可能的是，硅片與示意性的草圖不同地具有正方形的外形。另外，托座包括兩個夾子12，這些夾子將框架9、10從上面和從下面壓向硅片11。圖4示出夾子12分別僅僅如此程度地從外側(cè)伸到框架9、10上，即它們最多伸入到硅片11的邊緣13處而不越過該邊緣。通過這種方式保證了硅片11的上側(cè)面和下側(cè)面整面地以及與此同時部分地通過框架9、10可以用激光束6a、6b加載。在圖5中示意性地示出一個可選的實施方式。在那里，代替具有中間空隙的、環(huán)繞的框架9、10，而采用無中間空隙的板14、15。在這種情況下只是穿過這些板14、15來實現(xiàn)利用激光束6a、6b對娃片11上側(cè)面和下側(cè)面的加載。
權(quán)利要求
1.用于對太陽能電池的、特別是結(jié)晶或多晶硅太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的方法，其特征在于在至少ー個方法步驟中，借助激光束(6a，6b)使基本材料、特別是結(jié)晶娃或者多晶娃得到熱處理。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于同時地用激光束(6a，6b)對基本材料的上側(cè)面和下側(cè)面加載。
3.如權(quán)利要求I或2之任一項所述的方法,其特征在于激光束(6a,6b)由按時間構(gòu)造成形的脈沖組成或者包括按時間構(gòu)造成形的脈沖。
4.如權(quán)利要求I至3之任一項所述的方法，其特征在于對基本材料的上側(cè)面和/或下側(cè)面同時全面積地用激光束(6a，6b)加載。
5.如權(quán)利要求I至3之任一項所述的方法，其特征在于通過激光束(6a，6b)的相繼接連地在整個面上運動的線狀強度分布對基本材料的上側(cè)面和/或下側(cè)面加載。
6.如權(quán)利要求I至5之任一項所述的方法，其特征在于基本材料的上側(cè)面和/或下側(cè)面在中心部以激光束(6a，6b)的較大強度以及在邊緣處以激光束(6a，6b)的較小強度被加載。
7.如權(quán)利要求I至6之任一項所述的方法，其特征在于基本材料的上側(cè)面用第一激光束(6a)加載，以及基本材料的下側(cè)面用第二激光束(6b)加載，其中，第一和第二激光束(6a,6b)在ー個或者多個特性方面有所不同，以便在基本材料的上側(cè)面和下側(cè)面中引發(fā)不同的處理過程。
8.用于對太陽能電池的、特別是結(jié)晶或多晶硅太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的裝置，其中，利用該裝置特別是能夠?qū)嵤┤鐧?quán)利要求I至7之任一項所述的方法，其特征在于所述裝置包括至少ー個激光光源(4a，4b)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于該裝置包括用于所述片狀基本材料的至少一個托座(I)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述至少一個托座(I)至少部分地在所使用的激光束(6a，6b)的波長范圍內(nèi)是透明的。
11.如權(quán)利要求9或10之任一項所述的裝置，其特征在于所述至少一個托座(I)至少部分地由石英組成。
12.如權(quán)利要求9至11之任一項所述的裝置，其特征在于所述至少一個托座(I)包括ー個、優(yōu)選兩個由在所使用的激光束(6a，6b)的波長范圍內(nèi)為透明的材料構(gòu)成的框架(9，10)。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于待加溫的基本材料能夠被夾持在兩個框架(9，10)之間。
14.如權(quán)利要求9至11之任一項所述的裝置，其特征在于所述至少一個托座(I)包括ー塊、優(yōu)選兩塊由在所使用的激光束(6a，6b)的波長范圍內(nèi)為透明的材料構(gòu)成的板(14，15)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于待加溫的基本材料能夠被夾持在兩塊板(14，15)之間。
16.如權(quán)利要求9至15之任一項所述的裝置，其特征在于該裝置包括多個托座，這些托座通過適當(dāng)?shù)倪B接機構(gòu)(2 )相互連接。
17.如權(quán)利要求8至16之任一項所述的裝置，其特征在于該裝置包括光學(xué)器件(5a，5b )，這些光學(xué)器件能夠?qū)⒂伤鲋辽僖粋€激光光源(4a，4b )發(fā)出的激光束(6a，6b )施加到基本材料的上側(cè)面上和/或下側(cè)面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對太陽能電池的、特別是結(jié)晶或多晶硅太陽能電池的片狀基本材料進行熱處理的裝置，其中，該裝置包括至少一個激光光源(4a，4b)。
文檔編號B23K26/06GK102859676SQ201180013306
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者P·A·哈爾滕 申請人:Limo專利管理有限及兩合公司