定制的衍射分光镜板实现了创新太阳能电池板的快速氧化物蚀刻掩模纹理加工
Holo/Or 是 BURST 联合企业的成员，我们负责光伏电池的光学制绒，以提高效率。在本文中，我们将与大家分享这一有趣应用的光学设计任务所面临的一些挑战。
简介： 使用光束分束板生产效率更高的太阳能电池
近年来，太阳能电池的效率大幅提高，市面上的 n 型 IBC 太阳能电池板的效率已达到 24.8%。进一步提高效率对减少每瓦占地面积、维护和清洁成本等好处来说是非常可取的。目前正在探索的太阳能电池改进途径之一，是在正面创建光子晶体金字塔孔阵列结构，从而大幅提高效率。为了创建这种金字塔结构，BURST 联盟打算采用一种创新方法，即首先在硅光伏电池的正面覆盖一层氧化物（通常为二氧化硅），然后在氧化物上烧蚀出孔，生成蚀刻掩膜，再进行蚀刻，生成金字塔结构。在这篇文章中，我们回顾了实现工业相关结构化率（>2000cm2/min）所需的光学系统设计，包括面临的挑战和不同的分光镜板设计方案。
大面积激光纹理加工的光学挑战
光子晶体的理想光学结构是在 1.5-3.1µm 的范围内最大限度地捕获光伏电池中的光。因此，必须在氧化物掩膜层上以类似的间距开孔，并且氧化物上的 515nm 激光光斑必须具有类似的大小（直径为 1-2 微米）。由于去除每个孔的氧化物所需的能量很低，因此一个激光脉冲可以同时形成数千个这样的孔。主要的挑战在于，由于扫描光学元件通常无法达到 1-2 微米的光斑尺寸，因此无法通过扫描来扩散能量。分散能量的方法是使用衍射式分光镜板产生一个光斑阵列，同时形成多个孔，并使用快速平台对该阵列进行扫描。
衍射分光镜–工作原理
衍射式分光镜板是一种平面光学元件，可将输入激光束分成预先确定的扇形输出阶次，每个阶次都有预先确定的输入能量分数和自己的偏转角度。当外部透镜聚焦时，会产生具有均匀分布的光斑阵列，每个光斑的轮廓与未分光输入激光产生的光斑完全相同。衍射式分光镜是一种周期性相位光栅，通常为透射式，蚀刻在透明材料上（在我们的例子中为熔融石英）。利用先进的迭代算法设计相位，以最大限度地提高按一定衍射阶数分光的效率，同时在所需阶数中保持均匀的能量。有时会在衍射光栅上添加透镜功能，形成分光镜，但对于大面积激光氧化物纹理加工，必须使用特殊的大场聚焦器。
用于硅基氧化物激光纹理加工的大场聚焦器
用于快速氧化物蚀刻纹理应用的光束分束板如前所述，氧化物激光纹理加工的主要挑战是在垂直于线条快速扫描的同时，以结构化的方式将激光功率扩散到表面。为此，聚焦光学镜组必须支持大场。对于一条 2 毫米宽的纹理线，如果以 2 米/秒的速度扫描（快轴平台），纹理速度将达到 2400 平方厘米/分钟，即每分钟 10 个典型单元的工业相关速度。因此，需要一个能在 2 毫米范围内实现 2 微米光斑的激光聚焦器。由于市场上没有这种物镜，因此必须使用创新的定制光学设计。此外，将分光镜板衍射光学元件（DOE）放置在聚焦系统内预先设计好的位置上可实现最佳性能，这就要求对整个系统同时进行折射和衍射设计。
可能的纹理方案
对氧化物进行纹理处理的一种直接方案是垂直于该线的均匀光斑扫描线。然而，由于固有的相互干扰限制，设计一条由 2 微米光斑和 3.1 微米光斑组成的线会导致光斑之间的相互干扰，从而降低强度均匀性。为了缓解这种情况，可以使用不同的光斑模式，例如交错光斑模式，在这种模式下，相邻光斑之间的重叠要少得多。由于衍射式分光镜固有的设计灵活性，同一聚焦系统可与不同的分光镜板配合使用，从而产生不同的纹理图案。
结论
衍射式分光镜板能够在光伏材料上快速激光制备氧化物掩膜，在氧化物上形成数百个 2 微米的小孔，孔距可控，孔场最大可达 2 毫米。由于需要较大的 NA 值和场，这是一项具有挑战性的光学任务，因此必须根据衍射元件的要求设计折射聚焦物镜，从而使系统达到预期规格。
