科研人员研发一种新型激光器，可用于太阳能电池的微加工

在本研究中，研究人员研究了一种用于硅晶片切割和划片的亚皮秒激光原型。本研究中使用的Yb:KYW激光器，与以前使用的超短系统不同，可以产生650 fs的脉冲，即在皮秒和飞秒之间。激光被放置在微加工装置中，包括一个galvo扫描仪和一个远心透镜。研究了加工工艺参数对凹口宽度、深度和加工质量的影响。最佳参数为343 nm, 200 kHz, 7 mm/s, 15次图案重复。实验是使用210-晶圆片厚度的样品进行的。实验结果表明，亚皮秒激光在太阳能电池微加工中具有广阔的应用前景。与市面上的超短脉冲激光系统相比，亚皮秒激光比飞秒激光更经济、更可靠。此外，原型Yb:KYW设计提供了一些独特的参数，如重复频率范围在100-400 kHz，紫外波长或可获得的激光通量接近硅烧蚀阈值。

相关论文以题为“Sub-Picosecond Micromachining of Monocrystalline Silicon for Solar Cell Manufacturing”于北京时间2020年10月17号发表在《Applied Sciences》上。

光电市场的迅速增长需要光电制造和技术的进步，从而进一步降低成本，以及提高太阳能电池的质量和效率。过去二十年来，激光技术已经以许多不同的方式广泛应用于光电生产(图1)。

图1.激光加工在开发和生产太阳能电池中的各种应用。

其中，有与硅片微加工直接相关的工艺。表1给出了用于此目的的飞秒激光系统的一些例子。它们包括表面的切丁、纳米和微结构化，以及抗反射涂层或纳米颗粒吸收。Mazur等人认为，用超短激光脉冲简单照射硅表面可以提高电池效率。提高太阳能电池效率的常用微加工工艺之一是所谓的结隔离(激光边缘隔离)。在制造过程中，在晶圆片的前后表面之间形成了一条传导路径，环绕着晶圆片的边缘。在该直接方法中，激光刻划在硅晶片的顶表面上的凹槽，围绕该单元的边缘。

表1. 用于硅微加工的激光系统和参数的比较

微加工过程的效率取决于两个方面:激光辐射参数(脉冲持续时间、波长、脉冲能量、重复率)和目标材料的性能(厚度、导热系数、硬度等)。这些参数影响激光烧蚀的过程。飞秒脉冲下的烧蚀过程与更长时间(皮秒和纳秒脉冲)的烧蚀过程性质不同，也更为复杂。研究人员发现皮秒和飞秒激光脉冲之间的范围值得进一步研究，因为短脉冲和长脉冲类型的激光-物质相互作用出现。本文演示的亚皮秒激光器样机已被证明是用于薄金属箔和塑料微加工的有效工具，在光伏产业中具有广阔的应用前景。

本研究中使用的单晶硅是多种电子设备、集成电路和分立元件的基础材料。在制造太阳能电池的过程中，它也是一种光电吸收材料。据报道，2018年，实验室结果显示，性能最好的模块是基于单晶硅的，效率为24.4%。最佳结果表明，大规模生产水平可以进一步提高效率。

实验装置

硅晶片的微加工过程是使用原型二极管泵浦Yb:KYW光纤激光器进行的，产生的脉冲为650 fs，即亚皮秒级。光纤激光技术具有平均功率高、时间稳定性好等优点。在本样机设计中，200khz脉冲重复率被证明是最有效的，工作范围为100 - 400khz，保证了输出功率的时间稳定性。该激光器产生的基波波长为1030nm (3nm半宽波长)、第二(515 nm)和第三(343 nm)。在这个实验中，使用了343 nm的紫外光束，其中晶体硅的吸收系数处于最大水平。激光的工作温度为5.5 W(27.5℉)。根据先前的研究，观察到晶体硅在紫外范围内的两种烧蚀状态。消融阈值分别为0.54和2.4 J/cm2。5.5 W的工作功率在研究人员的实验装置转化为3 J/cm2的激光通量，这刚好高于第二个烧蚀阈值。研究人员发现该区域最适合进行微加工。

从激光输出，光束通过光学准直器和聚焦系统，包括镜子和透镜足够的应用激光波长。激光束通过光学准直器后，直接进入定位系统。为了使紫外激光束在工件表面移动和聚焦，采用了带聚焦透镜的光学扫描仪。扫描仪配备了两个电流反射镜，使激光束偏转，使其能够在XY平面上按照给定的模式移动。远心透镜用于聚焦光束在样品表面，因为它在整个扫描区域提供了均匀的光束与材料的相互作用。样品被放置在z轴可调工作台上，在扫描区域的正下方，在激光束聚焦的精确水平上(图2)。

图2.实验设置。

所提供的装置提供了2英寸的微加工精度，并允许执行多种加工过程:切割、划线、雕刻、表面构造、钻孔和切丁。

结果

在本实验中，研究人员使用了210个imei m Si晶片作为样品。单晶硅是已知的非常硬但脆性，容易在微加工过程中潜在的损伤。因此，在一定的范围内，对加工速度和模态重复次数等加工参数的选择是非常谨慎的。最适值为7 mm/s，重复次数为15 ~ 20次(参考图3)。然而，有可能进一步提高扫描速度，这将转化为更好的效率，但更低的烧蚀率。所需的坑深度应根据具体应用情况加以考虑。

图3.对210硅晶圆片的加工参数进行了优化研究。采用4种不同的扫描速度(0.7-13 mm/s)绘制，4种模式重复(6-15x)。然后测量每个病例的陨石坑的烧蚀深度。激光参数:650 fs, 343 nm, 200 kHz, 27.5

为了分析微加工结果，需要两种不同的方法。过程中切割的样品用扫描电子显微镜技术进行分析(图4)。亚皮秒激光切割的样品用共聚焦显微镜进行分析。激光共聚焦显微镜成像允许更高的对比度和测量分辨率。创建3D图像是为了进行火山口的轮廓和深度测量(图5)。

图4.经过亚皮秒微加工的硅晶片的SEM图像。激光束参数:650 fs, 343 nm, 200 kHz, 27.5加工参数:7mm /s, 20个图案重复。

图5.亚皮秒微加工后的硅晶片的共聚焦显微镜图像和凹坑轮廓。激光束参数:650 fs, 343 nm, 200 kHz, 27.5加工参数:7mm /s, 15个图案重复。

结论

一方面飞秒器件的成本高昂，复杂，另一方面，长脉冲微加工的效率低，质量低，这是亚皮秒级激光，在刻划和切割薄硅晶圆时可能是替代选择。在实验过程中未观察到不必要的热效应，即熔化，破裂，非晶化和残余应力累积。亚皮秒级微加工技术有潜力应用于薄膜太阳能电池制造中，用于切割，表面结构化和边缘隔离工艺。

论文链接：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/20/7277/htm