用于对太阳能电池的片状基本材料进行热处理的方法和装置的制作方法

专利名称：用于对太阳能电池的片状基本材料进行热处理的方法和装置的制作方法
用于对太阳能电池的片状基本材料进行热处理的方法和装
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本发明涉及一种如权利要求I前序部分所述的用于对太阳能电池的、特别是结晶或多晶硅太阳能电池的片状基本材料进行热处理的方法。此外，本发明还涉及ー种如权利要求8前序部分所述的用于对太阳能电池的、特别是结晶或多晶硅太阳能电池的片状基本材料进行热处理的装置。
本发明所要解决的问题是，提出一种开头所述类型的方法以及提供ー种开头所述类型的、更加高效和更加经济的装置。这些问题在方法方面通过具有权利要求I特征部分所述特征的、开头所述类型的方法得以解決，以及在装置方面通过具有权利要求8特征部分所述特征的、开头所述类型的装置得以解決。从属权利要求涉及本发明的优选设计。存在着大量构造非常不同的太阳能电池类型。本申请涉及的特别是结晶和多晶硅太阳能电池。它们是厚度均匀的、正方形的硅片，其尺寸HXBXT (通常情况下)如下H=80…220 u mXB=125…210mmXT=125... 210mm这里涉及的是对这种类型的太阳能电池的热处理，该热处理的目的是为了通过加热释出溶媒和终止紧接着的杂质向内扩散以及金属化面的同时向内扩散和烧结。热处理现有技术为带式炉(Band Ofen )，其长度约为IOm和宽度约为Im(占用安置面积约IOm2)以及电连接功率最大为100kw。本申请中提出的激光解决方案可使用较小量级的设置面积和较小量级的连接功率就足以满足需要。对该类型的太阳能电池的热处理是ー个复杂的事件过程，这是因为要在一种时间上连续的和复杂的加热特性条件下一个接ー个地发生一系列相互关联的エ艺过程，但是ー部分也相互平行和重叠。所有这些エ艺过程都強烈地影响到太阳能电池的效率/效能并且对太阳能电池的经济性起着决定性影响。目前，这种类型的太阳能电池的制造者公开表明的目标在于以秒计的节拍循环时间。这就是说每秒钟完成一个成品太阳能电池。对太阳能电池进行扫描的方法(扫描法)由于较慢的处理速度而不太适合低成本地实现这个循环时间。允许同时对全部太阳能电池进行处理的这种方法更加适合。通过对均匀分布的激光二极管或者激光二极管条进行不同的布置，可以对这种同时照射在空间上进行非常精确的调定(自由辐射源或者纤维耦接的模块)。照射时的精确度能够实现对太阳能电池的几何准确的照射，因此所有的光线被用于照射和加温(空间精确度，能量效率)。过去曾经尝试过使用闪光灯对太阳能电池进行快速的、同时的光学热处理。与由半导体生产所确立的方法相同，这些尝试以在半导体行业所知的总体概念“RTP” (RapidThermal Processing,快速热处理过程)而告终。这些尝试表明，虽然RTP具有一些技术上的优势，但是在生产能力和处理成本这些决定性的问题上无法击败带式炉。因此，目前在批量生产中是找不到太阳能电池-RTP的。可以通过使用均匀化的激光二极管布置来克服这些障碍它们在us范围内的可调性在节拍循环周期(Is)内提供足够的加热动カ(Heizdynamik)以供使用(时间方面的精确度)。连接功率小一个量级的激光方法与带式炉相比，可实现相应较小的运行成本。在太阳能电池生产中的另ー个重要的边缘条件是太阳能电池的整个面上的处理的均匀性。不均匀性可能会降低太阳能电池的效率/效能以及因此降低经济性(例如借助向内扩散的铝糊得以实现的太阳能电池的均匀的、整面的背面触点接通)。在炉中和在闪光灯装置中，由于这些加热机械遭受着強烈的老化并且因此按规定要经常进行测量和再调校，所以均匀加热一直就是ー种挑战。这个弊端在本申请中通过使用精确自动调节的、均匀化的激光二极管得以消除(空间方面的和时间方面的精确度)。在使用炉或者闪光灯装置进行具有随时间可变的温度特性的动态加温过程中，由于即使是在准确均匀的加温情况下太阳能电池的边缘(仅仅以 180°导热)也比内部区域(以360°导热)加热更剧烈，所以总是可以观测到边缘效应。可以通过利用光学射束整形对太阳能电池进行精确预调的、有针对性地不均匀的照射来避免这种不均匀加温，也就是说，在中心部较多的強度(照度)和在边缘处较少的強度(照度)即使是在随时间可变的温度特性条件下也可获得均匀的温度分布。作为对避免边缘效应的补充，为了实现附加的、有针对性地在空间方面不同的加热分布特性，可以利用射束整形措施，这些加热分布特性在太阳能电池上被事先定义为“较热”和“较冷”区域。(例如用于太阳能电池上正面触点接触的指形构造(Fingerstruktur))。由石英玻璃构成的、透明的太阳能电池支承座作为装置的一部分可以经受住直到硅熔点的高温，但是可以让加热太阳能电池的ニ极管激光透过。作为用于在空间上精确控制太阳能电池的照射的光学射束整形的一部分，支承座同时可以承担光学功能。完整的激光加热设备应该包括下列功能单元I.带有输入缓冲器(Eingangspuffer)的电池操作单元2.电池加工处理单元(激光器，射束整形装置，电池支承座，抽吸装置)3.带有电池操作单元的输出缓冲器(Ausgangspuffer)这样，该设备可以被无缝地结合于现代的流水线太阳能电池加工エ厂的“河流”当中。所述装置的特点在于具有一种大于100，000, 000K/s的坡度(Rampensteilheit)并且由此在过程设计(Prozessauslegung)当中提供了附加的自由度。这一点远远超过了坡度为数个lOOK/s的传统炉的现有技术并且是迄今如此无法达到的。优点在于对热处理的温度曲线提供了更好的控制和可调性。所述装置的高坡度产生自装置的第二功能単元的作用原理(功能単元列表另外參见本文的上面)，即电池加工处理单元(激光器，射束整形装置，电池支承座，抽吸装置)。因而激光器及射束整形装置的供电是这样设计的可以借助市场上能买得到的电子脉冲发生器进行脉冲控制，该脉冲发生器具有IOy s的上升时间和下降时间以及可变调定的脉冲持续时间(> 10 s)和可变的脉冲重复率。本申请人在自己的应用中心便利用类似的、带有射束整形装置的激光光源对晶片生产用的硅片进行了加热，并且依此达到了在加热持续时间10 y s之内> 1000K的温差。这就产生了 100，000, 000K/s的温度梯度(坡度)。
在强电流-短脉冲-电子学领域中具有纳秒范围的脉冲持续时间的有限的第一个进步和发展设计可能会使市场上可以买得到的、大功率ニ极管激光器用的供电设备的脉冲持续时间、上升时间和下降时间进ー步缩短。在弗赖堡(Freiburg)的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)Ji YounLee的2003年的博士论文中已经研究并说明了 对于结晶硅太阳能电池的多重RTP处理可以达到更长的载流子寿命和由此获得更好的太阳能电池效率/效能。使用提出的装置，可以扩展这种多重处理，也就是说可以在较短的总持续时间内实现更大数目的快速热处理步骤。例如在弗赖堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所Ji Youn Lee的2003年的博士论文中对两次持续时间超过一秒的重复进行了描述。使用在此描述的装置，可以在一秒钟内毫无问题地进行1，000次重复。通过高次数的快速温度交换可以达到另外的、到目前为止无法达到的材料特性。在半导体部件(“Chips”,微型晶片)的制造中，短时温度超高(“Spike-Anneal” ,尖峰退火)已经属于现有制造技木。据作者所知，到目前为止该技术在太阳能电池制造中尚未有人研究。这里描述的装置可以使得类似由半导体制造而周知的尖峰退火的新式处理过程推广引用至太阳能电池制造当中，以达到进ー步提高太阳能电池性能的目的。半导体部件制造中尖峰退火的优点在于对晶体缺陷的无扩散修复。使用所提出的装置也可以将晶体缺陷的无扩散修复应用到太阳能电池上。
使用所提出的装置可以在快速相继的阶段中实施热处理。在加热过程或者烘干过程中太阳能电池温度的逐级阶段式上升或者下降允许对热处理的过程进行精确控制。在弗赖堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所Ji Youn Lee的2003年的博士论文中已经研究并说明了 快速氧化过程(“RT0”，快速加热氧化)期间的不均匀照射导致氧化层厚度不均匀，并因此导致载流子寿命不均匀以及最后导致太阳能电池效率/效能不均匀。由于在太阳能电池加热过程中10°C的温度变动已经使太阳能电池的电气特性产生明显的差别，所以均匀的照射是必要的。在加热过程中当太阳能电池温度为1000°c吋，10°c就代表1%的温度变动。这就直接要求在考虑到照射持续时间内进入到硅内的光能的扩散的情况下，照射变动同样不可大于1%。所述不均匀性通过本发明的装置得以消除。在提出的装置中，所述照射通过被显微光学射束整形的ニ极管激光照射而如此精确地得以调定，即保证在空间上均匀的加工温度以及太阳能电池的相应地在空间上均匀的、机械的、电气的和电子光学的特性(层厚，载流子寿命，电池效率)。下文将參照附图
详细阐述本发明的实施例。附图中表示图I为本发明的装置的第一实施方式的示意性透视图；图2为本发明的装置的第二实施方式的示意性透视图；图3为太阳能电池的基本材料的托座的示意性透视图；图4为图3所示的托座的俯视图；图5为与图4相应的、托座的可选实施方式的俯视图。在各附图中，相同的或者功能一致的部件采用同样的附图标记。在图I中示出的本发明装置的第一实施方式包括多个托座1，在下文中參照图3至5还将对这些托座进行详细说明。各个托座I分别夹持一个用作太阳能电池的基本材料的娃片。各个单体托座I通过适当的连接机构2相互连接在一起，使得大量的相互连接在一起的托座I可以沿输送方向3同时向图I中的右方运动。所述装置另外还包括两个激光光源4a、4b，这些激光光源例如分别包括一个激光ニ极管或者多个激光二极管，特别是ー个激光二极管条或者ー组(Stack)激光二极管条。出于商业上的原因，激光光源4a、4b的波长可以在800nm与IlOOnm的范围内。然而也完全可以使用更长或者特别是更短波长的激光光源4a、4b。另外，激光光源4a、4b包括控制机构或者可以与控制机构相连接，该控制机构可以控制激光光源4a、4b的运行，特别是它们的接通时间或者脉冲持续时间。特别是可以考虑Ins至Is范围的脉冲持续时间。
所述装置另外还包括不意性不出的第一和第二光学器件5a、5b。光学器件5a、5b在此又分别包括均匀器，这些均匀器例如可以包括多个特别是相互交叉的柱面透镜阵列和一个场透镜。另外，光学器件5a、5b可以分别包括射束整形透镜。从光学器件5a、5b发出的激光束6a、6b用虚线标出。配属于第一激光光源4a的第一光学器件5a是如此构造的由托座I夹持的硅片被整面地从上方被照射(參见位于第一光学器件之下的托座I的硅片的上侧面，该上侧面例如加载了表面强度分布6)。配属于第二激光光源4b的第二光学器件5b是如此构造的由托座I夹持的硅片被整面地从下方被照射。在这种情况下，为了保持Is的脉冲重复频率，总的照射持续时间应该特别是最高为Is。在这种情况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侧面上以及激光束6b基本上垂直地射到硅片的下侧面上。作为可选方案，激光束6a、6b也可以分别以不等于0°的角度射到上侧面上和/或下侧面上。在这种情况下，特别是硅片的上侧面可以被第一激光束6a加载以及该硅片的下侧面可以被第二激光束6b加载，其中，第一和第二激光束6a、6b在ー个或者多个特性方面可以有所不同，以便在用作太阳能电池的基本材料的硅片的上侧面和下侧面中引发不同的处理过程。脉冲形状可以分别按时间加以构造成形(zeitlich strukturiert),使得继较小強度的预热阶段之后是必要时短时间的较高强度阶段。为了促进扩散过程，在这个较高强度的阶段之后例如又可以再次重复较长时间的较小强度阶段。脉冲形状可以重复产生，从而，在“流水加工线”中对于通过的每个硅片来说都保持恒等的同样脉冲形状。在循环时间为Is的情况下，脉冲形状因此以IHz的频率重复。在照射过程期间，相互连接的托座I沿输送方向3的输送可以停止。但是也存在如下的可能性在照射过程期间持续不断地进行输送。在这种情况下，激光光源4a、4b连同光学器件5a、5b —起与正要被照射的硅片随同移动一段距离并且在开始照射下一硅片之前重新返回原处。在硅表面上功率密度可以大致在0. I至30kW/cm2的范围内选择。可以通过如下的方式避免硅片加温不均匀保证对太阳能电池进行通过光学射束整形精确预调、有针对性的不均匀照射。特别是在硅片的中心部较多的強度(照度)和在边缘处较少的强度(照度)即使是在温度特性随时间变化的条件下也同样使温度分布均匀。
作为对避免边缘效应的附加补充，为了实现附加的、有针对性地在空间方面不同的加热特性，可以利用射束整形措施，这些加热特性在太阳能电池上被事先定义为“较热”和“较冷”区域。(例如用于太阳能电池上正面触点接触的指形构造)。图2所示的实施例与图I所示的实施例的不同之处仅仅在于硅片的上侧面和下侧面并不是分别同时整面地被照射，而是通过游移的线状的強度分布8被相继接连照射。因此，为了产生大致鮮明清晰的线，光学器件5a、5b设计得有些不同。在这种情况下有益之处在于可以利用相互连接的托架I的运动使所述线在硅片的表面上进行扫描。同时不利之处在于为激光光线在时间上的调制提供较少的时间。图3示出的是两个通过连接机构2相互连接的托座I。托座I中的每ー个都包括由对于所使用的激光波长为透明(可以透射)的材料构成的ー个上部框架9和ー个下部框架10。例如作为合适的材料可以考虑石英。待加热的硅片11被设置在两个框架9、10之间。
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在图4和图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，硅片与示意性的草图不同地具有正方形的外形。另外，托座包括两个夹子12，这些夹子将框架9、10从上面和从下面压向硅片11。图4示出夹子12分别仅仅如此程度地从外侧伸到框架9、10上，即它们最多伸入到硅片11的边缘13处而不越过该边缘。通过这种方式保证了硅片11的上侧面和下侧面整面地以及与此同时部分地通过框架9、10可以用激光束6a、6b加载。在图5中示意性地示出一个可选的实施方式。在那里，代替具有中间空隙的、环绕的框架9、10，而采用无中间空隙的板14、15。在这种情况下只是穿过这些板14、15来实现利用激光束6a、6b对娃片11上侧面和下侧面的加载。
权利要求
1.用于对太阳能电池的、特别是结晶或多晶硅太阳能电池的片状基本材料进行热处理的方法，其特征在于在至少ー个方法步骤中，借助激光束(6a，6b)使基本材料、特别是结晶娃或者多晶娃得到热处理。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于同时地用激光束(6a，6b)对基本材料的上侧面和下侧面加载。
3.如权利要求I或2之任一项所述的方法,其特征在于激光束(6a,6b)由按时间构造成形的脉冲组成或者包括按时间构造成形的脉冲。
4.如权利要求I至3之任一项所述的方法，其特征在于对基本材料的上侧面和/或下侧面同时全面积地用激光束(6a，6b)加载。
5.如权利要求I至3之任一项所述的方法，其特征在于通过激光束(6a，6b)的相继接连地在整个面上运动的线状强度分布对基本材料的上侧面和/或下侧面加载。
6.如权利要求I至5之任一项所述的方法，其特征在于基本材料的上侧面和/或下侧面在中心部以激光束(6a，6b)的较大强度以及在边缘处以激光束(6a，6b)的较小强度被加载。
7.如权利要求I至6之任一项所述的方法，其特征在于基本材料的上侧面用第一激光束(6a)加载，以及基本材料的下侧面用第二激光束(6b)加载，其中，第一和第二激光束(6a,6b)在ー个或者多个特性方面有所不同，以便在基本材料的上侧面和下侧面中引发不同的处理过程。
8.用于对太阳能电池的、特别是结晶或多晶硅太阳能电池的片状基本材料进行热处理的装置，其中，利用该装置特别是能够实施如权利要求I至7之任一项所述的方法，其特征在于所述装置包括至少ー个激光光源(4a，4b)。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于该装置包括用于所述片状基本材料的至少一个托座(I)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述至少一个托座(I)至少部分地在所使用的激光束(6a，6b)的波长范围内是透明的。
11.如权利要求9或10之任一项所述的装置，其特征在于所述至少一个托座(I)至少部分地由石英组成。
12.如权利要求9至11之任一项所述的装置，其特征在于所述至少一个托座(I)包括ー个、优选两个由在所使用的激光束(6a，6b)的波长范围内为透明的材料构成的框架(9，10)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于待加温的基本材料能够被夹持在两个框架(9，10)之间。
14.如权利要求9至11之任一项所述的装置，其特征在于所述至少一个托座(I)包括ー块、优选两块由在所使用的激光束(6a，6b)的波长范围内为透明的材料构成的板(14，15)。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于待加温的基本材料能够被夹持在两块板(14，15)之间。
16.如权利要求9至15之任一项所述的装置，其特征在于该装置包括多个托座，这些托座通过适当的连接机构(2 )相互连接。
17.如权利要求8至16之任一项所述的装置，其特征在于该装置包括光学器件(5a，5b )，这些光学器件能够将由所述至少一个激光光源(4a，4b )发出的激光束(6a，6b )施加到基本材料的上侧面上和/或下侧面上。
全文摘要
本发明涉及一种用于对太阳能电池的、特别是结晶或多晶硅太阳能电池的片状基本材料进行热处理的装置，其中，该装置包括至少一个激光光源(4a，4b)。
文档编号B23K26/06GK102859676SQ201180013306
公开日2013年1月2日 申请日期2011年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者P·A·哈尔滕 申请人:Limo专利管理有限及两合公司