快速成长的光伏产业需要设备供应商们提供许多解决方案，包括提高产出、成品率和降低拥有成本。激光的应用在这些方面起着越来越重要的作用。
粗看太阳能产业的设备供应与已成熟的微电子和显示产业相似。然而，太阳能产业的快速成长和不断动态变化向所有企图在太阳能产业的供应链中站稳脚跟的设备供应商们呈现出一系列新的挑战。大量电池和面板制造商涌入这个行业，进一步加剧了问题的复杂性，已有的半导体设备供应商对这些新入行的制造商并不熟悉。
尽管许多太阳能终端用户使用激光工具已有一段时间，激光工具的有关工艺对于太阳能产业是特定的，拥有一套非常不同的工艺参数。我们在本文中回顾已有的和新出现的激光应用，并讨论激光加工将怎样以及为何在太阳能技术路线中起到越来越重要的推动作用。我们还特别研究那些目前从事或即将进入设备供应链的供应商们所面临的新挑战。
由于多种太阳能电池技术在相互争夺市场份额，人们研究各种方案降低最终模块对消费者的每瓦特成本（$/W），因此取决于所研究的终端使用物的类型不同（晶体硅或薄膜），设备供应商们可能面临着非常不同的需求。但是，我们可以泛泛地将这些产品分成一些普通种类（图1）。一般终端使用物专用的设备由这些类别的子集来驱动，受到特定的电池技术及其成本缩减技术蓝图的综合作用。
高效概念
提高太阳能电池和面板的效率几乎是全球每位太阳能厂商最急于实现的愿望。大多数已提出的技术蓝图清晰指出，5年后晶体硅（c-Si）太阳能电池的效率将增长3-5%，平均值将达到16-20%。对于薄膜太阳能面板，总体效率较低，但也有望获得相应提高。比如，从单结非晶硅（a-Si）结构向串联结a-Si/mc-Si（微非晶）结构转化，通过提高光谱吸收率可将电池效率约提升4%，面板总体效率将提升至10%1。
现在c-Si电池产商追求高效电池概念最积极，这是他们在现有产品线及产能扩张方案中需要反复提高的部分。激光技术将在新型上表面和背面加工阶段起重要作用2。比如，在金属环绕穿通（MWT）器件中，较薄的金属接触“手指”被移到背面。在发射极环绕穿通（EWT）器件中，传递功率的母线也被转移至背面，使得上表面完全没有金属。通过钻微型通孔，将上表面与下表面接触连接起来，就可以实现这一点。利用WMT，每块硅片需要钻约200个通孔。而EWT要求每块硅片上有高达2万个这种通孔。激光钻孔是唯一可能满足商业规模速度的工艺。同时激光器还可用于形成新型结构，如激光烧制接触（LFC），这种结构对于支持某些先进的薄硅片产品是必须的。
为完全满足这些不同工艺，设备供应商们应集成平均功率大（高达数十瓦特）的激光器，可选择输出红外光（IR）、可见光或紫外（UV）光，拥有纳秒或皮秒脉冲性质以及优异的光束性质，M2参数约为1.1（M2约等于1.0代表理论上可完全聚焦的激光束）。
“绿色”设备
当前太阳能生产线的设备供应包括各种各样的竞争方案，部分方案利用有毒化学物质，制造有毒废物。如现在工厂广泛应用丝网印刷和湿法刻蚀，它们利用现有适用于太阳能生产的成套生产线设备。不过太阳能是一种替代能源和“可再生”的能源类型，碳排放量几乎为零，因此只要可能，就有采用绿色生产设备的强烈动力。
利用DPSS激光进行边缘隔离不仅更加环保，还提高了成品率和器件效率。特别由于晶体硅在这些较短的波长处可以吸收更多光，电流产生系统现在更加依赖工作在可见光（532 nm）或紫外（355 nm）波段的DPSS激光器4。硅对355 nm光波的吸收量比对红外（1064 nm）光波的吸收量大四到五个数量级，因此利用Q-转换UV DPSS激光器（图3）可以实现高度本地化的上表面刻蚀。除射入深度较浅外，紫外波长还可以在较低的温度下获得较窄的沟槽，对外围温度损伤如微裂纹尽可能少，微裂纹可能会大大影响成品率。这就使沟槽能置于距离器件边缘较近的地方，减少“死”区，从而使电池的效率最大化。
拥有成本
太阳能电池和面板的制造成本是永恒的话题，因为它对传递至最终的太阳能装置的成本$/W有很大影响。人们通常通过降低原材料成本或通过采用具有最低资本支出和运行成本的生产线设备，来降低成本。
DPSS激光器提供了一种理想的解决方案，主要是由于这种激光器的运行成本很低。此外，太阳能产业还可立即从已在半导体生产线中大规模采用的实业验证激光器设计上获益。这些继承应用为正常运行时间、备用部件的可得性和现场服务相应树立了目标水平。比如，有种在紫外波段工作的高功率激光器拥有数十瓦的输出，当以全功率工作时，五年内每周工作七天，每天24小时时，这种激光器的全负载运行成本通常为3-5美元/小时。
成品率
尽管太阳能电池生产仅需较低的技术和较少的工艺步骤，由于多方面原因，电池成品率还是落后于半导体的生产水平。其中包括由于在大批量生产环境中安装和优化新型精密设备工具带来的问题，以及来自保持合理的正常运行时间、无故障运行的挑战。因此以往在太阳能产业，成品率优化对于较长的设备交货期和由此导致的仓促安装设备及生产太阳能电池来满足市场需要等问题，起着第二位的作用。底线是：在太阳能行业成品率水平低于90%并非不同寻常，顶尖的供应商们现在开始公布成品率水平大于95%。但是很明显，光伏（PV）制造工艺并未进步到半导体生产要求达到的成品率水平。
还有一个方面会影响成品率，在未来3至5年生产设备的选择转向加工更薄和更大的硅片。硅片厚度很快就会低于200 μm，硅片的机械性能要比以往任何时候都要脆弱。简单来说，这些易碎硅片所采用的接触技术将承受着近一步降低成品率水平的风险。因此，激光加工的非接触性质提供了极大的内在优势，它对于减少硅片的破损率和微裂纹都有好处，微裂纹是目前导致获得不合格产品的主要问题之一。
产率
过去PV产业中制造成本的缩减是靠提高工厂的产率，从而通过经济规模降低成本，这与微电子产业中观察到的现象相似。过去十年来，每次全球制造产量加倍，就会实现模块成本减少20%。从这方面讲，今天一个高性能的c-Si电池生产线可以拥有超过3000 wph的小时产量。工厂一般拥有几条平行生产线，全年度总产能高达数百兆瓦，且会很快突破划时代的吉瓦级工厂规模。成本预计会随着薄膜面板的面积从Gen 5增大到Gen 8甚至更大，出现类似的降低。
对于激光工艺设备供应商而言，这意味着什么？许多c-Si激光工艺，生产线的产出规模几乎直接与激光平均功率水平一致。因此，此处重要的推动力是由脉冲DPSS激光器提高平均功率水平，同时保持决定工艺产率和操作成本的特征。这包括光束的质量、产品的寿命和脉冲之间的稳定水平。图4显示出Q-开关355和532nmDPSS激光器的功率是如何获得提高，与不断增加的产率需求保持同步。
对于薄膜面板的生产，DPSS激光器一般用于形成分立电池隔离和互连线的剥离，它在面板生产阶段，在每一层沉积的薄膜上都刻蚀多达数百条薄线条。这种刻蚀工艺通常用P1、P2、P3指代，统称为激光图形结构（图5）。此处不能仅仅通过提高平均激光功率就能实现产能产率的增加，而是它们也需要具备在不同材料的薄层上高度均匀刻蚀、扫掠大型面板的功能6。
光学扫描技术的速度有限，意味着必须同时使用多个激光束，因此平均功率要求是适中的。更关键的要求是脉冲重复频率（PRF）。对大面板的目标扫描速率为2 米/秒时，PRF必须非常高（高达100 kHz甚至更高）才能获得想要的贝壳状轮廓（图6），同时保持关键特征，如较短的脉冲宽度和优异的脉冲之间的重复性。
设备兼容性、开发时间太阳能电池和面板终端用户们现在拥有购买选择，既可以购买来自全球部分供应商的完整生产线，也可以购买配置不同线内工具组成一条完整生产线，这种生产线可以为其太阳能电池品牌高度定制。这种决策对于使用设备的类型和供应商有极大的意义，包括激光器的类型和供应商。此外，过去几年太阳能的增长速率连同新进入市场的厂家数目，已对最初太阳能产商们青睐的完整线制造系统供应商们带来了极大需求。因此，不时出现了送货周期较长和生产开发时间较慢的报道。
展望未来，认识到激光器系统是下一代推动工具是相当重要的，随着太阳能产业的升级，这种工具要和未来技术兼容。相反，基于修正刻蚀或丝网印刷设备类型的工具已经到了某些应用线路的尽头。这对于薄硅片加工是绝对真实的，需要接触的工艺已经到了当前产能的极限边缘，因此这种工艺不能满足硅片厚度低于180 μm的技术目标7。虽然新型的激光工艺可以进一步降低业界的成本和提高性能的技术蓝图，激光器本身并不是新事物。实际上，适用于微电子产业的激光器已经开始大规模生产，交货周期短，并且有全球的服务和支持网络提供支持。
总结
如本文所指出的那样，PV生产线的激光器设备的最终选择要求设备与专门的工艺需求特别匹配。下表总结了太阳能产业五年技术蓝图的重大变化，绝大多数与激光设备的供应商有关。随着供应链不断扩大来满足这些需求，太阳能产业中的激光加工有望从当前的竞争技术晋升为广为接受的、不可或缺的技术，并将成为快速实现技术目标和促进太阳能产业整体持续增长的重要动力。
Author Information
Finlay Colville joined Coherent Inc. in 1999, and is currently director of marketing, solar. He graduated with a BSc. (Hons) in physics from the University of Glasgow in 1990, followed by a Ph.D. in laser physics at the University of St. Andrews.
Corey Dunsky joined Coherent in 2003 as manager of the company's Commercial Laser Applications Center. Previously, he held various management and technical positions at Electro Scientific Industries Inc. He received his doctorate in mechanical engineering from the University of California at Berkeley in 1991, and spent two years at Sandia National Laboratories studying combustion phenomena before moving to industry in 1993. His current position focuses on aligning la ser-source and process requirements for emerging laser materials processing applications in high-value markets, particularly solar PV.
James Hopkins is vice president, new business development for solar and annealing markets, and general manager of the Integrated Optics Systems Business Unit at Coherent. He leads a team developing laser processes and tools for PV manufacturing. He has a B.S. in mechanical engineering from Santa Clara University.
References
1. "Thin-Film 'Tandem Modules' Boost Efficiency by 50%," RenewableEnergyWorld.com, Sept. 6, 2007.2. C. Dunsky, "Lasers in the Solar Energy Revolution," Industrial Laser Solutions, August 2007, Vol. 22, No. 8, p. 24.
3. O. Papathanasiou, "Wafer Etching Facts and Trends," Photon International, December 2007, p. 128.
4. T. Gebel et al., "Millisecond Annealing With Flashlamps: Tools and Process Challenges," 14th IEEE Conf. on Advanced Thermal Processing of Semiconductors, October 2006.
5. W. Bergholz, "From Lab to Fab Using Microelectronics Experience," 2nd Semi Photovoltaic Fab Managers Forum, March 2008.
6. C. Dunsky and F. Colville, "Solid State Laser Applications in Photovoltaic Manufacturing," Proc. SPIE, January 2008, Vol. 6871.
7. I.A. Schwirtlich, "Challenges of the Silicon PV Technology," 2nd Semi Photovoltaic Fab Managers Forum, March 2008.
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