基于波長(zhǎng)效應(yīng)的脈沖激光輻照多晶硅損傷特性研究.pdf

1、激光技術(shù)廣泛融合于太陽(yáng)能電池制造過(guò)程中硅材料的處理與制備，主要應(yīng)用于硅材料的摻雜、燒結(jié)、刻槽埋柵、刻邊等工藝過(guò)程。然而，不同波長(zhǎng)激光加工硅的過(guò)程中，引入了不同損傷機(jī)制，嚴(yán)重影響了太陽(yáng)能電池光-電轉(zhuǎn)換效率。可見(jiàn)，研究不同波長(zhǎng)激光對(duì)半導(dǎo)體材料硅的損傷機(jī)理和破壞效應(yīng)，對(duì)優(yōu)化激光加工參數(shù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)性意義。
　　 本文基于激光波長(zhǎng)效應(yīng)理論，采用1064nm、532nm、355nm三種波長(zhǎng)納秒脈沖激光，開(kāi)展激光與硅材料相互作用機(jī)理研

2、究，探討激光對(duì)硅材料的熱致應(yīng)力損傷現(xiàn)象及其機(jī)理;基于PVDF壓電傳感技術(shù)，研究不同波長(zhǎng)激光輻照硅材料過(guò)程中熱沖擊破壞形成機(jī)理以及沖擊波在脆性材料中的傳播規(guī)律研究。主要研究工作如下:
　　 首先，開(kāi)展了不同波長(zhǎng)激光與多晶硅損傷機(jī)理研究。采用1-on-1方式測(cè)定了不同波長(zhǎng)激光對(duì)多晶硅的損傷閾值;探討了在低激光能量密度水平下多晶硅表面微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激光波長(zhǎng)的減小，多晶硅激光損傷閾值變小，且與波長(zhǎng)成線性關(guān)系;106

3、4nm、532nm波長(zhǎng)激光多晶硅損傷機(jī)制為光熱模式，355nm處于近損傷閾值時(shí)損傷機(jī)制為光熱-光化學(xué)模型;輻照區(qū)域產(chǎn)生相互連接的規(guī)則且中心凸起六邊形微結(jié)構(gòu)的主要原因是由于熔融物的粘性和在表面張力作用下液體橫向流動(dòng)的波動(dòng)本質(zhì)造成的，并與多晶硅表面粗糙度有關(guān)。
　　 其次，探討了不同波長(zhǎng)激光下多晶硅的熱致應(yīng)力損傷機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光能量密度為4.2J/cm2時(shí)，1064nm、532nm兩種波長(zhǎng)下多晶硅的主要損傷機(jī)制為熱-力耦合

4、而引發(fā)穿晶解理破壞且前者更易發(fā)生，裂紋規(guī)則且交角均為90°，這是由于在多晶硅(111)面上服從C2對(duì)稱;波長(zhǎng)355nm由于光子能量較大，該激光能量密度已大大超過(guò)其損傷閾值，光熱作用機(jī)理占據(jù)了主導(dǎo)地位而表現(xiàn)為熱熔損傷;在高斯激光輻照下，脆性材料最易發(fā)生熱應(yīng)力破壞點(diǎn)為激光光斑中心。
　　 最后，基于PVDF壓電傳感技術(shù)，開(kāi)展了三種波長(zhǎng)激光輻照多晶硅過(guò)程中沖擊波在脆性材料的中的傳播規(guī)律的研究，探討了熱沖擊破壞現(xiàn)象形成機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

5、，在脈沖激光作用過(guò)程中蒸汽壓強(qiáng)效應(yīng)與等離子體壓強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致了高溫高密的熔融物發(fā)生飛濺;隨著激光波長(zhǎng)的減小，激光擊穿閾值降低，減弱了沖擊波形成;由于激光沖擊波壓強(qiáng)效應(yīng)，脆性靶材斷裂破壞帶在輻照區(qū)域邊緣;靶材表面張力梯度與表面橫波造成了波紋現(xiàn)象，是光學(xué)與熱力學(xué)的相干耦合的結(jié)果;激光沖擊波在多晶硅中的平均傳播速度為8.47×103m/s，并得出了激光沖擊波壓力峰值在多晶硅中呈指數(shù)分布衰減;靶材背面的破壞現(xiàn)象是由于激光沖擊壓縮破碎波導(dǎo)致，破壞層位