晶体硅光伏电池烧结基本工艺及调节.docx
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晶体硅光伏电池烧结基本工艺及调节
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S翻
BCITE ̄ 6
.r7
高 鹏 刘继伟 高文秀
O引言
丝网E ̄/DU迅速烧结工艺是当今工业化大规模 生产晶体畦太阳电池普遍应用成熟金属化技
术。
燃烧有机物阶段烧结温度普通设立在30c0q 左右。
如果温度设立过高,则浆料中有机物挥发速 度过快,会导致金属颗粒之间疏松孔隙过多过大,使 烧结后金属层内部以及金属一半导体接触之间电
迅速烧结工艺是将EB在电池片正面电极,DU 背面电极以及背面场集中在一起通过迅速烧结炉烧
阻过大;如果温度设立过低,会导致有机物燃烧不完
全,也会带来同样问题。
升温过程需要考虑重要是对铝背面场和背面电 极烧结要有足够温度和足够时间。
图2所示为
结完毕其表面电接触。
其工艺基本设备为温度精
确控制迅速烧结炉(温度上升速度>0/)2 ̄s,快 C
速烧结理论在许多文献中有较详尽描述。
但是, 工艺简朴。
生产成本低、便于大规模生产丝网印 III烧结工艺。
所形成金属一U半导体接触电阻值 却是光刻镀膜形成电极接触电阻两个数量级。
本 文通过调节烧结工艺实验,使铝背面场、背面电极 和正面电极厚膜欧姆接触导电特性得以优化。
1烧结工艺过程
图1是原则烧结工艺曲线图。
图中懂得,从迅速 烧结工艺普通包括四个阶段即:
.1燃烧有机物阶段; 2升温阶段;.值温度区间;..3峰4降温阶段。
不同方式升温过程o一2A为迅速升温烧结工艺曲线 图;_黑色实线为缓慢升温工艺曲线图。
2B 峰值温度区间要注意就是峰值温度设定。
峰值温度决定了烧结过程中银铝合金、硅铝合金当 中金属原子浓度.峰值温匿对正面银电极和铝背 场以及背面电极烧结和电池片串联电阻和填充因 子影响都非常大。
如果峰值温度设立过高,则会使 正面电极烧穿,使串联电阻和填充因子下降,效率显
著降低。
降温阶段规定匀速持续,不能有较大幅度温 度梯度变化,但也有在特殊峰值温度后加上一种
退火过程(如图2A此种烧结工艺据简介对峰值温 -)
度设定过高而导致过烧结具备较好改进作用。
p
2实验过程
2I实验材料准备 .
21选取材料。
实验材料选取电阻率在O ̄f?
.I..3l5 a尺寸为15m15m,度为203um,2mx2m厚7+0m太
阳能级直拉单晶硅片。
时司(】s
21制绒。
.2_采用原则碱腐蚀单晶绒面工艺,出绒率
在9%以上。
5
图l原则烧结工艺温度随时间变化曲线
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21扩散。
.3.选取单面扩散工艺,扩散后方块电阻为 4 ̄f;55l少数载流子寿命在91 ̄之间。
 ̄3s
21镀减反射涂层。
采用等离子体增强化学气相 ..4沉积氮化硅层工艺形成表面减反射涂层,其厚度在
8r左右。
0mi
厂、 、_,
嘲
21印刷电极。
..5采用原则丝网印刷铝背面场,面 背银铝电极和正面印刷银电极工业化生产流程。
其中 正面电极为45条15m宽栅线,7u2条1mm宽 .8主线;面场电阻率为461-le 背~x0T?
m。
f21烧结。
实验选用是FRO342银浆;..6ER 36 FR 38银铝浆;ER N5—0ERO39FROC 312铝浆;采 用九温区快速烧结炉。
根据浆料厂商推荐烧结工艺条件以及本次实 验工艺特点,咱们以图2B作为基本调节烧结工 一
艺。
把实验片提成6组烧结,每组20片。
22试验设计 .在烧结温度调节过程中,通常是依照有关资料 设定各温区初始值。
然后在其她温区温度不变 状况下,解某一温区温度,到其上极限值和下极 调找限值。
在该温区温度取相对抱负数值后,调节其她 再温区。
样依次调节各温区温度。
为复杂之处是各 这较温区交互影响,因而,调节烧结工艺需要具备较丰
富经验。
图2典型烧结工艺温度曲线。
咱们把准备好6组实验片,按照下述不同 烧结温度进行烧结。
2.用图2B所示曲线设立烧结工艺温度。
.12一 烧结炉每个温区温度设定分别为:
1区30C,2区 0 ̄
3o,3区3o,4区30C,5区30,6区 0℃0℃8 ̄9℃40C8 ̄,7区60,8区8o2℃0℃,9区90C 1 ̄。
图3各组实验片 试效率图
道程控光伏电池片伏安曲线模拟测量仪进行测量 (E 0—)图3显示是六组电池片烧结后效率 IC941。
分布图。
咱们懂得,阳电池烧结最主要两个参数 太分别是串联电阻和填充因子(处未对电池片并 此联电阻进行分析,这对分析实验成果会略有影响) 。
串联电阻可表示为:
驿 r+lr r ()R=crb。
++血b1 r是正面电极金属栅线电阻,。
分别是正 Ⅱfr、c
222以(..)为基准,把7温区温度提高 ..2212℃,置为60C 0设4 ̄。
223以(..)基准,升温阶段起点温 ..222为把区(五温区)第温度提高4℃,置为40C 0设3 ̄。
224以(.-)基准,45温区温度分 ..223为把,别升为40C,6 ̄ 5 ̄40C。
225以(.-).. 224为基准,9温区温度升到 把
90。
2℃
面、背面金属半导体接触电阻,是正面扩散层电 rt阻,h区体电阻,是背面电极金属层电阻。
r是基 31扩散薄层电阻引起串联电阻r.l 本实验所采用是标准商用太阳电池正面电极 设计(4。
图)在此前提下扩散薄层弓起串联电阻 I
可以表示为:
22以(..)..622为基准,9温区温度升到 5把
90C。
3 ̄
3实验结果分析
实验成果采用德国Bre公司SLaegrCod三通
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R() L
—
池片r+c可以降到1 1 数量级,烧结不 cr。
20~0Q
()2
好电池片r+c会大到十几毫欧至几百毫殴。
cr。
2本 次实验在控制欧姆接触电阻方面,获得了较为理想
成果。
35填充因子 .填充因子可近似表示为:
R 为扩散层方块电阻;为电池主焊接电极方 向尺寸;为电池细栅线方向尺寸;为细栅线条 m数。
咱们在计算中,考虑光电导影响。
不
/
/
, ,’
、 、
限
r
oc
(_ 1R)
T1
()5
可见 与电池片开路电压和串联电阻有非常大
关系。
由于咱们在实验中获得了非常理想串联电
阻值,也就获得了很高填充因子。
高填充因子 较
还阐明了电池片很低漏电流和较高并联电阻。
36各组烧结结果分析 .
/
当前看表1中结果。
表中可以见到,路电 从开压和短路电流随烧结工艺不同而略有变化。
而串联 电阻和填充因子变化就更明显,从而直接导致电
池效率变化。
表1实验结果中重要参数
、
、
、
图4正面金属电极图形
32电极金属体电阻 .金属体电阻可以表示为:
f1
n —一 广——\/() 3
r为厚膜金属导体层方块电阻,蚰厚膜印刷银 电极通常为003I口~.5I口;Z.I/000I/0为栅线长度; W为栅线宽度。
对于铝背场形式背面电极,( n为正面主电极线数目)厂通常为000]口~蚰。
11/
000 ̄口。
.21/
33基区体电阻 .
从第1到第4组,组随着升温阶段温度提高, 电池背场烧结更充分;从第3组和第4组对比看
出,继续增高升温阶段温度,再也不会导致电池参
()4
因为基区可以认为是电阻率为P均匀掺杂半
导体,区体电阻可以表示为:
基
r丽 p
..,,
d
数改进。
第5组和第6组电池片串联电阻则有非常大 下降,这要归功于烧结峰值温度升高。
对比第 56组还可以看出来,第6组电池参数除了串联电 /阻继续减少之外,其她参数都变得更差,浮现这种情 况原因是峰值温度过高而导致正面银电极部分 烧穿。
分析以上烧结工艺,第5组烧结工艺温度设置 是最为抱负。
由于与最初工艺设定相比,联电阻 串已经从55l到43I左右。
而获得了好填 .mI降.ml从充因子和转换效率。
4结论
其中,基区厚度,等于硅基片厚度;片材料 d为约基
电阻率选取范畴为0531m。
. ̄1. e
34烧结后欧姆接触电阻分析 .根据理论计算,本实验工艺条件下 r£ tb++约为4I。
几种电阻值是跟烧结工艺关系比较 ml这小。
考虑到简化计算模型和光电导对计算所产生 误差,rrr实际值应该在34rtb硼 ++b~mQ之间。
在本次实验225和226组串联电阻都在 ....4Iml左右,见烧结后金属和半导体之间欧姆接 可触电阻已经在小于lIml数量级内。
烧结核心就是欧姆接触电阻。
烧结很好电
4I6
本文用实验说明烧结工艺调节办法,需要注意
—
爵
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太
梅开乡
如何提高光电池工作效率 这是人们运用太 阳能发电十分关注技术核心,本文提出了太阳强
源以节省电能。
反之,固态继电器SR接通,S自动跟 踪装置供电进入工作状态。
第二路(北方向跟踪)南; 第三路(东西方向跟踪)电路,即由太阳光光线检测、 I/v转换、减法运算、置误差放大、差正负鉴别、位误 驱动集成电路、多谐振荡器、进电机等组成。
步其功 能是使电池板从早到晚始终跟踪太阳位置变化, 使光伏电池始终接受到最强太阳幅射。
2太阳光线检测与蓄电池欠压状态保护电路 太阳光线检测与蓄电池欠压状态保护电路如图 2示。
中E为蓄电池,S所图 SR为固态继电器。
电路
光 自动眼踪 方案。
经实践检验,用跟踪装置后。
采 电池板平均输出能量提高3%以上。
0
1“动跟踪”置原理 自装
圈1“ 自动跟踪 装I原理框圈
如图l所示,自动跟踪装置重要分为三路。
第一 蹈功能是区别昼夜有无太阳光。
夜晚太阳下山或 阴雨天光线很 时,太阳光检测信号通过转换,输出 控制信号使电池板面向东方太阳初升位置,然后 使固态继电器SR动作切断 自动跟踪装置 S电
用于自动控制蓄电池E向负载 自动跟踪装置 z 供电,起到节能降耗效果。
图中CS与非门芯 MO
片C4 、时基芯片M155静态功耗P≤C01JC75. 01w。
m属于微功耗芯片。
夜间或阴雨白天,光敏 电阻R因无光或只受弱光照射时呈高电阻状态(c例
MG5型光敏电阻暗阻为10I,亮阻为5一40k1
要同步保证背面和正面烧结充分。
在工艺调节过程 中,咱们大多采用其她温区温度不变,调节某一温区
在这里,我要感谢中电电器(南京)光伏有限公
司予以大量协助和支持;感谢澳大利亚新南威尔 士大学博士、中电电气(南京)光伏有限公司总工程 师赵建华先生,中电电气(南京)光伏有限公司副总
温度,然后观测烧结后电池片性能,做相应调节 再办法。
还需要注意是,后一温区温度普通不低 于前一温区温度。
通过咱们优化,较好地把串
电阻平均值这一关键参数减少到4m左右, n并 把平均转换效率稳定在1.63%左右。
5道谢
工程师张凤鸣博士及张忠文指引。
(参照文献编者略)
作者单位:
门大学机电工程系 厦
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柚噩.
……
S口屯^R目呐日五6丫
高
O引言
鹏
刘继伟
高文秀
燃烧有机物阶段烧结温度普通设立在300℃
丝网印刷/迅速烧结工艺是当今工业化大规模生产晶体硅太阳电池普遍应用成熟金属化技术。
迅速烧结工艺是将印刷在电池片正面电极,背面电极以及背面场集中在一起通过迅速烧结炉烧 结完毕其表面电接触。
其工艺基本设备为温度精确控制迅速烧结炉(温度上升速度>20℃/s),快速烧结理论在许多文献中有较详尽描述。
但是,工艺简朴,生产成本低、便于大规模生产丝网印刷/烧结工艺。
所形成金属一半导体接触电阻值却是光刻镀膜形成电极接触电阻两个数量级。
本文通过调节烧结工艺实验,使铝背面场、背面电极和正面电极厚膜欧姆接触导电特性得以优化。
、1烧结工艺过程图l是原则烧结工艺曲线图。
从图中懂得,迅速烧结工艺普通包括四个阶段即:
1.燃烧有机物阶段;2.升温阶段;3.峰值温度区间;4.降温阶段。
左右。
如果温度设立过高,则浆料中有机物挥发速度过快,会导致金属颗粒之间疏松孔隙过多过大,使烧结后金属层内部以及金属一半导体接触之间电阻过大;如果温度设立过低,会导致有机物燃烧不完全,也会带来同样问题。
升温过程需要考虑重要是对铝背面场和背面电极烧结要有足够温度和足够时间。
图2所示为不同方式升温过程。
2—A为迅速升温烧结工艺曲线图;2_B黑色实线为缓慢升温工艺曲线图。
峰值温度区间要注意就是峰值温度设定。
峰值温度决定了烧结过程中银铝合金、硅铝合金当中金属原子浓度,峰值温度对正面银电极和铝背场以及背面电极烧结和电池片串联电阻和填充因子影响都非常大。
如果峰值温度设立过高,则会使正面电极烧穿,使串联电阻和填充因子下降,效率显著减少。
降温阶段规定匀速持续,不能有较大幅度温度梯度变化,但也有在特殊峰值温度后加上一种退火过程(如图2一A)此种烧结工艺据简介对峰值温度设定过高而导致过烧结具备较好改进作用。
2实验过程2.1实验材料准备2.1.1选取材料。
实验材料选取电阻率在0.5~3Q?
护
U剖螟
cm,尺寸为125mm×125咖,厚度为270±30Ilm太
阳能级直拉单晶硅片。
时间(s)
2.1.2制绒。
采用原则碱腐蚀单晶绒面工艺,出绒率在95%以上。
图l原则烧结工艺温度随时闻变化蓝线
—恼蔽潭巧蓊ir
万方数据
“l
2.1.3扩散。
选取单面扩散工艺,扩散后方块电阻为45±5Q;少数载流子寿命在9~13斗s之间。
2.1.4镀减反射涂层。
采用等离子体增强化学气相沉积氮化硅层工艺形成表面减反射涂层,其厚度在
80nm左右。
^
pV恻赠
2.1.5印刷电极。
采用原则丝网印刷铝背面场,背面银铝电极和正面印刷银电极工业化生产流程。
其中
正面电极为45条175姗宽栅线,2条1.8mm宽
主线;背面场电阻率为4~6×10—矶?
cm。
2.1.6烧结。
实验选用是FERRO33462银浆;
FERRO
3398银铝浆;FERRO
CN
53—102铝浆;采
用九温区迅速烧结炉。
依照浆料厂商推荐烧结工艺条件以及本次实验工艺特点,咱们以图2一B作为基本调节烧结工
艺。
把实验片提成6组烧结,每组20片。
2.2实验设计在烧结温度调节过程中,普通是依照有关资料设定各温区初始值。
然后在其她温区温度不变状况下,调解某一温区温度,找到其上极限值和下极 限值。
在该温区温度取相对抱负数值后,再调节其她温区。
这样依次调节各温区温度。
较为复杂之处是各温区交互影响,因而,调节烧结工艺需要具备较丰富经验。
咱们把准备好6组实验片,按照下述不同烧结温度进行烧结。
2.2.1图2典型烧结工艺温度曲线。
用图2一B所示曲线设立烧结工艺温度。
图3各组实验片测试效率图
烧结炉每个温区温度设定分别为:
l区300℃,2区
300℃,3区300℃,4区380℃,5区390℃,6区480℃,7区620℃,8区800℃,9区910℃。
道程控光伏电池片伏安曲线模仿测量仪进行测量
(IEC904一1)。
图3显示是六组电池片烧结后效率
2.2.2以(2.2.1)为基准,把7温区温度提高20℃,设立为640℃。
2.2.3以(2.2.2)为基准,把升温阶段起点温区(第五温区)温度提高40℃,设立为430℃。
2.2.4以(2.2.3)为基准,把4,5温区温度分
别升为450℃,460℃。
2.2.5920℃。
分布图。
咱们懂得,太阳电池烧结最重要两个参数分别是串联电阻和填充因子(此处未对电池片并联电阻进行分析,这对分析实验成果会略有影响)。
串联电阻可表达为:
R庐时rel+rI+rb+材r曲
(1)
k是正面电极金属栅线电阻,rcl、rc2分别是正面、背面金属半导体接触电阻,rt是正面扩散层电阻,rb是基区体电阻,‰是背面电极金属层电阻。
3.1扩散薄层电阻引起串联电阻rt本实验所采用是原则商用太阳电池正面电极设计(图4)。
在此前提下扩散薄层引起串联电阻
可以表达为:
145
以(2.2.4)为基准,把9温区温度升到
2.2.6以(2.2.5)为基准,把9温区温度升到
930℃。
3实验成果分析实验成果采用德国Berger公司Sckad三通
—砀聂潭≮蓊对~万方数据
,一R一争)rl-—弓元卜
Bq
池片rc。
+k可以降到10一~10^5Q数量级,烧结不
(2)
l
w
J
好电池片rcl+k会大到十几毫欧至几百毫殴。
本次实验在控制欧姆接触电阻方面,获得了较为抱负成果。
3.5填充因子
Rq为扩散层方块电阻;£为电池主焊接电极方向尺寸;形为电池细栅线方向尺寸;m为细栅线条数。
咱们在计算中,不考虑光电导影响。
//
//
、
、
、
、
FF_竖掣(1一k)
填充因子可近似表达为:
r
(5)
0cTl
可见FF与电池片开路电压和串联电阻有非常大关系。
由于咱们在实验中获得了非常抱负串联电阻值,也就获得了很高填充因子。
较高填充因子还阐明了电池片很低漏电流和较高并联电阻。
3.6各组烧结成果分析
,,
当前看表l中成果。
从表中可以见到,开路电压和短路电流随烧结工艺不同而咯有变化。
而串联电阻和填充因子变化就更明显,从而直接导致电
池效率变化。
表1实验成果中重要参数
/
图4正面金属电极图形
3.2电极金属体电阻金属体电阻可以表达为:
rm-掣
,性1
’Df一—■r——一
彬为栅线宽度。
对于铝背场形式背面电极,
0.0200/口。
(3)
、 ̄J/
r田为厚膜金属导体层方块电阻,厚膜印刷银
电极普通为0.003Q/口一O.005m口;Z为栅线长度;
(厅
为正面主电极线数目)‰普通为O.010Q/口~3.3基区体电阻由于基区可以以为是电阻率为p均匀掺杂半导体,基区体电阻可以表达为:
从第1组到第4组,随着升温阶段温度提高,电池背场烧结更充分;从第3组和第4组对比看出,再继续增高升温阶段温度,也不会导致电池参
(4)
舻p斋
电阻率选取范畴为O.5—3Q.cm。
3.4烧结后欧姆接触电阻分析
数改进。
第5组和第6组电池片串联电阻则有非常大下降,这要归功于烧结峰值温度升高。
对比第5/6组还可以看出来,第6组电池参数除了串联电阻继续减少之外,其她参数都变得更差,浮现这种情况因素是峰值温度过高而导致正面银电极某些烧穿。
分析以上烧结工艺,第5组烧结工艺温度设立是最为抱负。
由于与最初工艺设定相比,串联电阻已经从5.5mQ降到4.3mQ左右。
从而获