使用内置DOE物镜创建光子晶体金字塔孔阵列结构生产高效率太阳能电池

作为BURST联盟成员，Holoor公司专注于提升光伏电池效率的光学纹理化技术研发。本文将分享这一创新应用在光学设计领域面临的核心技术挑战。

衍射分束器工作原理

Holoor衍射分束器是一种平面的光学元件，它的作用是将输入的激光束分割成多个扇形的输出光束。这些输出光束被称为“输出级”，每一级都带有预先设定的输入激光能量比例，并且会按照特定的角度偏转。如果再用一个外部透镜将这些分束后的激光聚焦，就能形成一个光斑间距均匀的阵列。特别的是，这个分束器 DOE 分出来的每个光斑，其形状轮廓都与原始的、未经过分束的激光光斑一模一样。衍射分束器是周期性相位光栅（本文案例采用熔融石英材料制成，通常为透射式结构）。通过先进的迭代算法对相位进行优化设计，既能实现特定衍射级次的分束效率最大化，又可确保目标级次的能量分布均匀。有时，在衍射光栅上增加一个透镜功能，形成一个集成分束器物镜，但对于大面积激光氧化物表面纹理化加工，必须采用特殊的大视场聚焦系统才能实现。

用于硅基氧化物激光表面纹理化的大场聚焦器

氧化物激光纹理化的主要挑战在于沿垂直方向高速扫描的同时，需以特定结构模式将激光能量分布至加工表面。为此，聚焦光学器件必须支持大视场加工。对于2mm宽的纹理化生产线，若采用2m/s的扫描速度（快轴位移台），其加工速率可达2400cm²/分钟，这相当于每分钟可加工10片标准光伏电池的工业级产能。要实现该工艺，必须配备能在大视场（2mm）范围内生成2µm光斑的激光聚焦系统。由于此类物镜尚无商业化产品，因此必须使用定制光学器件的创新设计。此外，通过Holoor衍射分束镜（DOE）放置在聚焦系统内（内置DOE物镜）的预先设计的位置处来实现最佳性能，这要求对整个系统进行折射与衍射协同的集成化光学设计(集成分束器物镜)。

集成分束器物镜产生效果图

使用Holoor衍射分束器生产效率更高的太阳能电池

近年来，太阳能电池的效率显著提高，在市售的n型IBC电池板中达到了24.8%。为了减少每瓦的占地面积、维护和清洁成本等益处，进一步提高效率是非常可取的。正在探索的一种改进太阳能电池的方法是在正面创建光子晶体金字塔孔阵列结构，这有可能显著提高效率。为了创建这种光子晶体金字塔孔阵列结构，BURST联盟打算采用一种创新方法，首先用氧化物（通常是SiO2）覆盖硅光伏电池的前侧，然后将孔烧蚀到氧化物中以产生蚀刻掩模，然后进行蚀刻以产生金字塔结构。在本文中，我们回顾了实现工业相关结构化速率（>2000cm2/min）所需的光学系统设计，包括挑战和不同的分束镜设计选项。

光子晶体金字塔孔阵列结构

大面积激光纹理化的光学挑战

针对光伏电池中光子晶体的理想光学结构（旨在最大化光捕获效率），其周期范围通常为1.5-3.1µm。因此，氧化物掩膜层上开设的孔洞需匹配相近的间距，且515nm激光在氧化物上的光斑尺寸也应控制在相近量级（直径1-2µm）。由于单个孔洞所需的去除氧化物能量阈值较低，单次激光脉冲即可同步加工数千个此类孔洞。

核心挑战在于能量无法通过扫描场实现均匀分布，因为常规扫描光学系统难以达到1-2µm的光斑尺寸。解决方案是采用衍射分束器生成点阵阵列，通过单次曝光同步加工多个孔洞，并配合高速位移台进行线扫描。

氧化物表面纹理化的可行加工方案

最直接的纹理化方案是采用垂直于扫描方向的均匀光斑线阵。然而，由于光斑间固有的相互干涉效应，设计分束镜间距3.1μm的2μm光斑线阵会导致光斑相互干扰，从而降低能量分布均匀性。为了减轻这种情况，可以使用不同的光斑图案，例如交错光斑图案，其中相邻光斑之间的重叠少得多。由于衍射分束器固有的设计灵活性，相同的聚焦系统可以与不同的分束器一起使用，从而产生不同的纹理图案。

结论

激光分束器可以在PV材料上对氧化物掩模进行快速激光纹理化，可在2mm大视场范围内精准制备数百个间距可控的2μm微孔。由于该工艺同时要求大数值孔径和大视场的光学特性，其折射聚焦物镜必须围绕分束DOE的技术要求进行专门设计，从而确保整个内置DOE物镜达到预期性能指标。

为何要在太阳能电池上制备倒金字塔结构？

通过激光纹理化技术在硅基活性层表面构建光子晶体结构，可显著增强光伏材料的光捕获能力，从而提升电池转换效率。

用于创建倒金字塔的氧化物掩模的激光纹理化的挑战是什么？

光斑尺寸需控制在1-2μm级，点阵间距需保持1.5-3.1μm的密集分布，因此激光能量必须分布在大量点上，以实现工业相关的纹理化速率。这需要衍射分束器和特殊的聚焦器也就是内置DOE物镜。

什么是衍射分束器？

激光分束器是透明的周期性相位光栅，其将入射光束分成具有受控分离和功率比的多个光斑。通常，光斑被设计成具有均匀的功率。