《納秒UV雷射在薄膜太陽電池中膜面劃線的研究》是苦史偉寫的論文，由葉慶好，U. Rau指導。
基本信息,中文摘要,
基本信息
論文名稱：納秒UV雷射在薄膜太陽電池中膜面劃線的研究
論文作者：苦史偉
導師：指導葉慶好，U. Rau
學科專業：光學工程
中文摘要
薄膜矽太陽電池單片內部通常是由許多小的子電池片串聯構成，單片內部串聯是通過劃線步驟和膜層沉積步驟交替進行而得到。通常需要三個劃線步驟：即所謂的P1、P2和P3劃線來形成電池內部的串聯結構，雷射刻蝕則通常被用來完成劃線工作。一般情況下，雷射束從襯底(透明襯底)面入射將目標薄膜材料層選擇性地去除。然而，對於使用不透明襯底的太陽電池組件卻無法使用雷射束透過襯底層去除薄膜層的劃線方法，同時對於一些使用透明塑膠襯底的電池，由於塑膠襯底通常熔點較低，也不適合使用雷射束從襯底面入射的劃線方法。在這些情況下，雷射束必須從薄膜面入射劃線，但是膜面入射很難得到高電學性能雷射線。首先，雷射束從薄膜面入射很難獲得邊緣陡峭的雷射線；再者，雷射對材料的消融深度不容易控制，因為僅由熱效應把材料去除降低了能量的利用效率，而不能有效去除材料的那部份能量以熱的形式注入材料中，往往會改變材料的性能；另外，材料蒸汽對後續雷射會產生禁止作用。 截至目前，對於薄膜面入射劃線的文獻報導，大多數是關於雷射線的結構特性的研究，或是使用了機械劃線或印刷技術，這樣增加了劃線區域造成的死區或使工藝變得繁瑣。而本文則更重點研究了雷射線的電學性能，這也是與子電池串聯結構直接相關的雷射線性能；進一步地，做了雷射線的電學性能及其結構特性的相關性研究。本文將對三個劃線步驟做具體研究，劃線選用波長為355 nm的納秒紫外脈衝雷射從薄膜面入射，選擇性地去除材料，而選擇紫外雷射是由於它在需要去除的各層材料中的吸收係數都很高。 首先，本工作研究了在幾種Glass/TCO結構上的P1劃線。常規P1劃線用紅外光從玻璃面入射，透過玻璃將TCO層去除。研究結果表明，使用紫外光時材料的消融閾值很小，同時指出這是由於紫外光在TCO中的吸收係數高，這也是紫外光劃的線表面熔融痕跡和再沉積現象都不明顯的原因。在研究了P1雷射線的結構特性後，對與電池串聯相關的電學特性做了研究。由於P1線是為了把相鄰的TCO分隔開，接下來研究了在P1劃線後的襯底上沉積了薄膜電池中常用的導電性很強的μc-Si:H p-層後的漏電情況，結果證明了使用紫外光從薄膜面入射可以獲得高質量的雷射線。並展示了膜面P1劃線在組件中能得到與標準P1劃線相接近的JV特性。 P2線是把吸收層選擇性地去除，從而在相鄰子電池的前後電極之間形成一個導電通道，最重要的是，在前後電極之間形成一個很小的歐姆接觸。文中研究了納秒紫外雷射從薄膜面入射在Glass/TCO/a-Si:H樣品上劃線的接觸電阻，並用傳輸線測量方法研究了不同的膜面劃線的方法，研究結果表明，只有在雙次劃線時才可以得到很小的接觸電阻值，同時也發現，這種劃線方法受兩次劃線光斑的重疊程度的影響很大。進一步的SEM，SIMS和XPS分析結果表明：雷射劃線過程中，蒸發的材料再次以SiO2的形式沉積在雷射線上，從而導致接觸電阻比較大。由於將兩次劃線的光斑完全重疊並不容易實現，為了消除雷射線對其依賴，我們提出了改進雷射線的方法，並套用於組件中。 最後，本工作對於在a-Si:H/μc-Si:H電池上用紫外光從薄膜面入射對P3背電極劃線做了深入研究。P3劃線是3步劃線中最後一步，也是非常關鍵的一步。為了研究P3線的電學性能，我們獨創性地設計出了一套表征其電學性能的方法，它可以區分出由背電極殘留以及P3線側壁引起的漏電流，同時可以監測P3劃線對TCO的電導率影響。通過系統地改變P3劃線的雷射參數，表征P3雷射線的電學性能以及近一步的SEM分析結果表明，該分析方法可以區分不同通道引起的漏電流：當背電極有殘留時，會有很大的漏電流直接通過P3線。而最優的P3線出現在背電極完全被去除，Si層則只有部分被去除的情況下。當Si層完全被去除後，漏電流會開始增加，這源於P3線側壁的漏電流。文中我們獲得的最優P3線的漏電流非常小，在偏壓1 V時只有1.5 μAcm-1(單位長度雷射線的電流)，而標準工藝P3劃線得到的漏電流要大約一個數量級。最後，我們展示了薄膜面劃線的組件，即3步劃線(P1、P2和P3)分別使用了本文研究的納米紫外雷射從薄膜面入射劃線的研究結果，用全膜面入射劃線的組件顯示了與標準工藝劃線的組件相近的JV特性。
關鍵字：
紫外光 薄膜太陽電池 組件 膜面入射
