飞秒超短脉冲激光对硅太阳能电池的损伤阈值研究

首次采用飞秒超短脉冲激光（35 fs）,研究其对硅太阳能电池的损伤阈值。与相同波长的连续激光对比,飞秒激光的损伤阈值略高。这一结果不同于纳秒或皮秒激光,主要是因为当加热脉冲时间相当或小于电子-声子耦合时间时,非热平衡效应显著,热传导现象不再满足Fourier 定律。在实验中采用了光束整形技术,首次采用强度均匀分布的激光研究损伤阈值。此技术能减小高斯激光中心光强过大造成的实验偏差。     

短脉冲和连续激光对太阳能电池的损伤对比

为了研究短脉冲激光和连续激光对太阳能电池损伤的差异,采用波段内的短脉冲激光和连续激光进行辐照单晶硅太阳能电池的实验。通过观察电池被两种激光辐照后的损伤形貌,结合分析太阳能电池的结构,得到了短脉冲激光和连续激光对太阳能电池造成的损伤形式和成因,对比了两种激光对电池的损伤差异。研究结果表明:波段内短脉冲激光和连续激光对太阳能电池的损伤主要是依靠热效应,其中短脉冲激光对太阳能电池的损伤形式主要是热力损伤,连续激光对太阳能电池的损伤形式是热熔损伤。     

1064nm激光对太阳能电池的损伤效应研究

为了研究连续激光对单晶硅太阳能电池的辐照效应,使用波长为1064nm的激光对太阳能电池进行辐照实验,通过比较实验前后测得的电池伏安特性曲线变化和输出特性变化情况、观察激光对电池的损伤外形,剖析了连续激光损伤单晶硅太阳能电池的机理.研究发现:当功率密度足够高时,激光将硅层熔融烧蚀,导致太阳能电池的输出性能会发生永久性的严重下降.     

超短脉冲强激光大气传输的非线性效应

超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗、以及人工放电等方面具有重要的应用．例如,利用超短脉冲强激光使得远距离处的大气局域电离,其所产生的紫外辐射可以为大气组分主动荧光光谱学研究提供光源。对短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析,对超短脉冲强激光大气传输中的各种线性效应及非线性效应,诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论,给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的三维非线性传输方程,为此类问题的进一步研究提供了理论基础。     

长脉冲激光辐照单晶硅的热损伤

为探究毫秒脉冲激光辐照单晶硅的热损伤规律和机理,利用高精度点温仪和光谱反演系统对毫秒脉冲激光辐照单晶硅的温度进行测量。分析温度演化过程,研究毫秒脉冲激光对单晶硅热损伤全过程的温度状态和对应的损伤结构形态。研究表明:脉冲宽度固定时,激光诱导的单晶硅的峰值温度随能量密度的增加而增加;当脉冲宽度在1.5~3.0 ms之间时,温度随脉冲宽度的增加而降减小。温度上升曲线在熔点(1 687 K)附近时出现拐点,反射系数由0.33增加为0.72。在气化和凝固阶段,出现气化和固化平台期。单晶硅热致解理损伤先于热致熔蚀损伤,在低能量密度激光作用条件下,应力损伤占主导地位,而在大能量密度条件下,热损伤效应占主导地位。损伤深度与能量密度成正比,随脉冲个数增加迅速增加。     

超短激光制备单晶硅光栅结构的热积累效应和实验研究

针对超短激光辐照单晶硅材料制备光栅结构存在表面裂纹的缺陷,采用双温模型数值模拟出热积累效应,并且实验验证不同加工参数下制备的单晶硅表面光栅结构的表面质量。数值模拟出不同超短激光功率下电子温度和晶格温度的变化规律,通过调节不同的加工参数制备出单晶硅表面光栅结构沟槽,采用超景深三维显微镜对其表面形貌分析。结果表明:当超短激光的输出功率增大时,激光热驰豫时间变大,增大了非平衡状态下激光的烧蚀强度。单晶硅表面的不平整凹坑造成超短激光的反射和散射,从而使得烧蚀后存在凹坑,造成单晶硅表面的损伤溶蚀。当加工速度和加工次数一定时,增大激光的输出功率可以提高超短激光制备光栅结构的加工效率,但过大的激光功率反而造成光栅结构沟槽两侧出现溶蚀凹坑。     

连续激光对太阳能电池辐照效应的波段性研究

为了研究太阳能电池在连续激光辐照下的波段性效应,使用位于波段内外的3种波长连续激光对单晶硅太阳能电池的辐照效应和损伤效应进行了实验研究,采用观察电池对激光的响应,对比电池的损伤形貌和太阳能电池组成材料的吸收曲线差异的方法,得到了太阳能电池对本征吸收长波限附近波长激光的吸收机制,分析了10.6μm激光和1064nm激光对...     

用于精密加工的超短激光脉冲

工业激光材料加工,常使用空间和时间上均密集的激光能量来作材料的烧蚀,诸如钻孔,切割、焊接或其它加工.激光已经成为一种独立的工业加工方法,激光的新应用领域正迅速发展.激光微细加工是激光材料加工的一个分支,一般是指那些特征尺寸小于100μm的加工.     

单晶Si、单结GaAs太阳能电池的激光损伤特性对比研究

采用1064 nm纳秒脉冲激光辐照单晶Si、单结G As太阳能电池,针对不同强度激光辐照太阳能电池的损伤特性进行了实验研究,得出激光光斑聚焦在电池栅线上时,电池更易损伤,单晶Si电池的栅线打断之后仍能很好工作,单结GaAs电池却完全失效,这是由于高掺杂的基底锗熔融凝固连接栅线,导通电池正负极.实验结果还表明,激光辐照在电池表面时,对单晶Si电池基本没有影响,而GaAs电池输出性能也没有很大幅度的下降.理论分析了纳秒激光对电池的损伤主要是热、力效应共同作用的结果.热效应使材料熔化、气化,力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于材料表面.常温下Si材料对1 064 nm有较强的本征吸收,GaAs电池的GaAs层透过1 064 nm,Ge基底本征吸收1 064 nm,Ge材料的熔点低于Si材料且其禁带宽度更窄,故其初始损伤阈值略低.通过SEM扫描电镜、激光拉曼材料分析及X射线光电子能谱仪等分析手段对实验结果进行了验证.     

激光辐照单晶硅电池转换效率的研究

为了研究激光照射下单晶硅电池的转换效率,在理想电池太阳光照射下极限转换效率研究方法的基础上,提出激光照射下理想电池转换效率的计算方法,并推导出解析表达式,通过计算和实验测量研究了激光波长、激光强度、环境温度等因素对转换效率的影响。结果表明,相对太阳光,单晶硅电池对单色激光的光电转换效率明显提高,最高转换效率可达27.7%。该结果对激光电力传输应用的研究具有一定的参考价值。     

纳秒级强激光对多晶硅片光吸收性能的影响

采用兆瓦级TEA CO2激光器输出的纳秒级强红外激光脉冲照射太阳能多晶硅片,用红外光谱仪测试了硅片的吸收谱,发现经激光脉冲照射后的太阳能多晶硅片对光的吸收能力大为增强,并对实验结果做出了初步的分析。     

Optimization of ultraviolet laser doping for crystalline silicon solar cells with a novel segmented selective emitter design

This paper reports on the use of ultraviolet laser for forming segmented selective emitters on POCl ₃ n ⁺ –p–p ⁺ solar cells. Laser scan speed, pulse power, and repetition rate are optimized to minimize laser‐induced defects, which are found to enhance recombination and reduce the local open‐circuit voltage. Laser‐doped selective emitters formed by locally driving in additional phosphorous from the diffusion glass are well suited for an etchback process without the need for a mask. In this paper, we show a novel selective emitter design that is segmented instead of continuous, combined with an emitter etchback process gives an efficiency improvement of about 0.3% absolute over a standard industrial type solar cell and 0.2% absolute improvement over a non‐segmented selective emitter solar cell. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Investigation of laser ablation on boron emitters for n‐type rear‐junction PERT type silicon wafer solar cells

n‐type silicon wafer solar cells are receiving increasing attention for industrial application in recent years, such as the n‐type rear‐junction Passivated Emitter Rear Totally‐diffused (PERT) solar cells. One of the main challenges in fabricating the n‐PERT solar cells is the opening of the rear dielectric for localized contacts. In this work laser ablation is applied to locally ablate the rear dielectric. We investigate the laser damage to the emitter at the laser‐ablated regions using the emitter saturation current density, J_0e,laser, extracted by two approaches. J_0e,laser is observed to be injection dependent due to high J₀₂ recombination caused by laser damage to the space charge region. By using the optimized laser ablation parameters, n‐PERT solar cells with an efficiency of up to 21.0% are realized. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种由强光担任摇摆器的新型自由电子激光器及其增益分析

提出了一种由超短脉冲双光束担任摇摆器的自由电子激光器的原理及设计方案,并在单电子近似的基础上给出了计算其增益的联立方程组,以用于数值模拟.指出了实现一种紧凑、廉价的可调谐光源的可能性.     

超短脉冲光纤激光器的研究进展

本文针对超短脉冲光纤激光器三种不同的锁模机制，综述了相应锁模光纤激光器的研究进展，并且对包层泵浦锁模光纤激光器产生高能量或高峰值功率超短脉冲进行了阐述。     

Photonic crystal microcrystalline silicon solar cells

Enhancing the absorption of thin‐film microcrystalline silicon solar cells over a broadband range in order to improve the energy conversion efficiency is a very important challenge in the development of low cost and stable solar energy harvesting. Here, we demonstrate that a broadband enhancement of the absorption can be achieved by creating a large number of resonant modes associated with two‐dimensional photonic crystal band edges. We utilize higher‐order optical modes perpendicular to the silicon layer, as well as the band‐folding effect by employing photonic crystal superlattice structures. We establish a method to incorporate photonic crystal structures into thin‐film (~500 nm) microcrystalline silicon photovoltaic layers while suppressing undesired defects formed in the microcrystalline silicon. The fabricated solar cells exhibit 1.3 times increase of a short circuit current density (from 15.0 mA/cm² to 19.6 mA/cm²) by introducing the photonic crystal structure, and consequently the conversion efficiency increases from 5.6% to 6.8%. Moreover, we theoretically analyze the absorption characteristics in the fabricated cell structure, and reveal that the energy conversion efficiency can be increased beyond 9.5% in a structure less than 1/400 as thick as conventional crystalline silicon solar cells with an efficiency of 24%. © 2015 The Authors. Progress in Photovoltaics: Research and Applications published by John Wiley & Sons Ltd.