晶体硅太阳电池片弯曲度研究进展.docx

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晶体硅太阳电池片弯曲度研究进展

晶体硅太阳电池片弯曲度研究进展

杨江海，蒋忠伟，叶雄新，祁嘉铭

（东莞南玻光伏科技有限公司，东莞，523141）

摘要:

在介绍铝硅相图、铝背场形成过程以及铝背场结构的基础上，阐述了丝网印刷晶体硅太阳电池弯曲度产生的原因，介绍了目前国内外解决晶体硅太阳电池弯曲度的几种方法，最后提出改变浆料成分是解决弯曲度的最佳方法。

关键词：

铝硅相图铝背场弯曲度

引言

目前，晶体硅仍然是最主要的太阳电池材料，市场份额约为90％。

太阳电池生产成本的50％以上来自于硅材料，减薄硅片是电池生产厂商降低生产成本的主要手段之一。

硅片的厚度从最初的300μm微米到现在的200μm，并且向150μm或更薄化发展，且工艺基本上都采用丝网印刷和烧结来制备。

由于硅片减薄，烧结过程中，电池片容易发生弯曲，而弯曲的电池片在后续工艺中容易破碎，降低成品率，增加电池生产成本。

因此，减小薄片晶体硅太阳电池弯曲度已经成为太阳电池发展急需解决的问题。

目前，国内外关于薄片晶体硅弯曲度已经有一系列报告。

1铝背场的形成过程

1.1铝背场的形成过程

为了更好的了解弯曲度产生的原因，本文将结合电池片传统烧结曲线、铝硅合金相图以及烧结时背场成分变化，介绍铝背场形成的微观机制。

图1为传统晶体硅太阳的电池烧结曲线，该曲线主要由烘干区、烧结区以及冷却区3个部分组成。

对应这三个组成部分铝背场的形成过程可以分成六个阶段：

第一阶段，有机溶剂溶剂挥发，如图3

（1）所示，温度范围100~200℃。

生产晶体硅太阳电池的铝浆通常由1到10μm的超细铝粉、玻璃粉、有机粘合剂以及有机溶剂四部分组成。

在烘干阶段，铝浆中的有机溶剂大量挥发，从而使印刷在硅片表面的铝浆成为一种多孔的结构，该多孔的结构由有机粘合剂粘结在硅片的表面，铝浆的印刷量一般在0.7mg/cm2，厚度在40μm左右；

第二阶段，铝融化侵蚀硅片表面，如图3

（2）所示，温度在铝的熔点660℃，如图1中的第一个平台。

此时，接触硅片表面的液态铝沿着相图中的红线即液相线随着温度的升高由2点开始向上移动，在硅片的局部区域形成液态铝硅合金；

第三阶段，铝硅的质量传输，随着温度由相图中的2点移至3点，合金中的硅的含量逐渐升高，铝硅进行着质量的传输，其传输线路为硅由基体向铝传输，而铝由铝浆向基体传输，两者的传输路线相反，见图3（3）所示。

图1传统太阳能电池片烧结曲线图2铝硅二元相图

第四阶段，峰值温度阶段，在此阶段，铝硅液态合金相中硅的含量达到最高，接近30%，且液态相贯穿整个硅片表面；

第五阶段，冷却阶段，此时合金中铝硅的质量传输方向和第三阶段相反，合金的成分沿液态线由4点向3点移动，液态合金中的硅向硅片表面传输，在硅片表面外延生长，含有少量的铝，形成硅的铝掺杂；

图3铝背场的形成过程图4铝背场的扫描电镜照片

第六阶段，凝固阶段，温度在铝硅共晶温度577℃，对应相图中的6点，此时，铝硅合金中硅的成分达到共晶成分，约占12%，形成完整的铝背场，同时在铝硅合金前表面外延生长了一层再结晶的铝。

图4为经过HF酸以及HNO3腐蚀后的铝背场的扫面电镜照片[1]。

2弯曲度形成的原因

2.1弯曲度形成的原因

太阳能电池晶体硅片弯曲度形成的主要原因在于铝硅线膨胀系数远远大于硅线膨胀系数，铝硅的线膨胀系数23×10-6k-1[2]，硅的线膨胀系数只有3.5×10-6k-1，随着温度的降低，铝硅的收缩远远大于硅片的收缩，使硅片表面承受一种压应力，从而产生弯曲度。

而弯曲度的形成时间是从第六个阶段以后产生的，因为，在第六个阶段以前，晶体硅片基体上的铝硅合金处于液体状态，因温度下降引起的铝硅基体和硅基体收缩差异形成的切应力难以在硅片表面加载，只有当铝硅液相转变成固体状态以后，才能承受这种应力，从而产生弯曲度。

2.2弯曲度的理论模型

R.J.Roark[3]采用简化的一维二层模型对弯曲度进行了分析，弯曲度的表达式如下：

（1）

其中，其中δ为弯曲度；L为电池片宽度；αSi，αAl，分别为Si层和Al层的热膨胀系数；Tf为铝硅共晶温度；T为测试温度；dSi，dAl，分别为硅层和铝层的厚度；ESi，EAl分别为硅层和铝层的弹性模量。

从

（1）式可以看出，影响弯曲度大小的因素主要包括：

电池片宽度、铝层和硅层的厚度、铝硅熔体共晶温度、铝层和硅层的弹性模量和热膨胀系数。

3目前解决弯曲度的基本方法

3.1铝背场湿重

云南师范大学太阳能研究所的申兰先[4]研究了铝浆湿重对电池片弯曲度的影响，实验在170微米的硅片上进行，发现随着铝浆厚度的减小，电池片的弯曲度逐渐下降，当二道铝浆厚度从27微米降至20微米时，弯曲度由1mm降为0.75mm。

德国康斯坦茨大学物理系的A.Schneider也对此进行了研究[5]，发现当铝浆印刷厚度由50降至30μm以下时，电池片的弯曲度都保持在1mm以下，但是当印刷厚度降至35μm以下时，电池片的电性能开始恶化，主要由于铝层厚度影响铝背场深度，从而影响钝化效果。

如果铝印刷量太少，不能形成闭合的铝背场，部分硅片表面没能形成铝背场，增加了背表面复合。

3.2烧结温度

目前关于烧结工艺对电池片弯曲度的研究较少。

浙江大学材料科学与工程系硅材料国家重点实验室的孙振华[6]通过在快速热处理炉中模拟铝背场烧结过程，研究了升温速率、烧结温度和降温速率等烧结工艺参数对电池片弯曲度的影响，实验以AlSi共晶点温度577℃为分界点，将降温过程分为高温段和低温段。

研究结果表明，电池片的弯曲度随升温速率的增加而增大，随降温速率的增大而减小，并且升温过程对弯曲度的影响远小于降温过程，如图5所示。

在高于AlSi共晶点温度的高温段，电池片弯曲随降温速率的变化幅度很大，表明该温度段下降温速率对电池片弯曲的影响更大，而低温段的影响不明显；实验还研究了峰值温度和保温时间对电池片弯曲度的影响，发现随着峰值温度的升高电池片的弯曲度升高，当峰值温度超过800℃以上时，弯曲度急剧增加，见图6；对于保温时间对弯曲度的影响，发现对比无预处理，铝熔化前的保温处理，电池片的弯曲度减小了，铝熔化后的保温则使电池片弯曲度增大，且预处理温度越高，弯曲度的增速越快，如图7。

这表明，铝熔化前，烧结工艺参数主要影响添加剂的燃烧特性。

从而影响了铝颗粒外壳氧化层的厚度，进而间接影响了铝颗粒间的衔接，铝熔化后，则直接影响了铝颗粒之间的衔接。

之所以升温速率对电池片弯曲影响不明显，就是因为升温过程的低温段和高温段对电池片弯曲的影响相反造成的。

图5升温速率对电池片弯曲度影响图6烧结温度对电池片弯曲度影响

图7不同温度保温对电池片弯曲度影响

3.3冷冻法

图8温度对铝背场的应力应变影响

FrankHuster认为，从铝硅共晶点温度冷却到室温，铝层和硅层收缩的差异约为1.1％。

这1.1％的差异只能通过三种方式来弥补：

硅片的压缩、硅片的弯曲和铝层的被拉伸。

由于硅的弹性模量很大（100-200Gpa），硅片的压缩可以忽略。

硅片的弯曲造成的长度变化也可以忽略。

因此，只能通过铝层的被拉伸来弥补这1.1％的差。

Huster发现，当电池片从共晶温度冷却至室温时，在共晶温度到300℃铝层发生的是弹性变形，当温度从300℃冷却至150℃时，开始发生部分塑性变形，当冷却至室温时，由于弹性变形导致0.4%的变化，塑性变形0.7%，如果能使铝背场继续发生0.4%的塑性变形，那么电池片就不受应力的影响，也不会产生弯曲度。

于是，Huster将弯曲的电池片冷却到零下50℃，让其继续发生0.4%的变形，然后再回到室温，这样，由于冷却过程中，铝层继续被拉伸，发生塑性变形，当回到室温时，铝层的塑性形变已经达到1.1％，电池片恢复平整，图6为其应力应变曲线。

这种方法的优点是很容易工业化，且不会对电池片电性能产生其他影响，缺点是增加电池片生产成本。

3.4浆料成分

MarioBahr[7]等比较了五种不同的铝浆，研究了它们对电池电学性能和弯曲上的影响，发现有一种铝浆，在硅片厚度只有100微米时，电池片弯曲度仅为2mm，而且电池效率没有因为硅片厚度的减薄而降低，这充分证明了铝浆对电池片弯曲有很大的影响，同时也说明铝背场可以满足薄片电池背表面钝化的要求。

S.Kim等[8]认为含铅铝浆中的铅对电池片弯曲影响很大，并开发了一种不含铅的铝浆，这种铝浆中加入了特殊的添加剂，用这种铝浆生产的电池片的弯曲度小。

他的实验证明，铝浆成份和其中的添加剂对电池片弯曲有影响。

S.Kim的另外一个实验证明了铝浆中金属粉末、铝浆中的玻璃体和添加剂等对电池片弯曲亦有影响。

A.Schneider的实验证明，铝浆成份对电池片弯曲的影响比铝层厚度对电池片弯曲的影响要大。

可惜，这些研究都只是公开了结果，关于其微观机制和原理未作介绍。

3.5电池设计

图9C．Kohn设计的背电场结构

上述的简化模型中，没有考虑前接触（前电极和栅极）对电池片弯曲的影响。

实际上，由于Ag的热膨胀系数也要比硅大，前接触的存在会降低电池片弯曲度。

A.Schneide研究了前接触Ag的覆盖率和电池弯曲度之间的关系，从实验结果中发现，电池片的弯曲随着Ag覆盖率的增加而线性减小。

但是，银覆盖率的增加伴随着光入射面积的减小，从而导致电池短路电流的减小。

同时，由于银是贵重金属，增加银覆盖率必将增加电池成本。

C.Kohn等[9]根据模型计算，设计了一种优化的背接触结构，如图9所示。

在此结构中，由于铝层是不连续的，从而使得铝层对硅片施加的应力减小，电池片弯曲度减小。

A.Kranzl等[10]的研究也得到了同样的结果。

但由于此结构中，铝层不连续，导致铝背场不能覆盖硅片整个表面，从而使得背表面复合增加，电池性能恶化。

4结论

目前关于弯曲度的研究，从国内外文献的报道可得出如下初步结论：

（1）浆料成分对电池片弯曲度的影响最大，选择合适的浆料可以完全消除电池片的弯曲度；

（2）铝浆湿重也可以明显改善电池片的弯曲度，但当湿重减少到某一值时，电池片的电性能开始恶化；（3）冷冻法主要是使铝背场继续产生塑性变形而减少弯曲度的，这种方法的优点是适合工业化生产，对电池片的电性能无影响，缺点是增加了工艺步骤，增加了生产成本；（4）优化烧结工艺，也可以减少电池片的弯曲度，它的原理主要是影响了铝背场的微观结构，即改变铝硅层的力学性能，但这种方法对弯曲度的减少幅度有限；（5）采用合理的电池设计，但可能牺牲电池片的部分电性能。

需要说明的是，目前，关于浆料成分对电池片弯曲度的影响，只见了研究结果，关于其微观机制和原理未作介绍，后期可着重从铝浆成分，比如超细铝粉直径大小，粘结剂、玻璃粉成分和比例这方面对其进行系统研究。

参考文献

[1].MarioBahr,stefanDauwe,AlexanderLawerenz,etal.ComparisonofBow-AvoidingAl-PastesforThin,Large-AreaCrystallineSiliconSolarCells[J].MicroscaleThermophysicalEngineering,2003,7（3）:

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[2].FrankHuster.AluminiumbackSurfaceFiled：

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[3].Roark,Young.FormulaforStressandStrain.McGrawHill,（1975）,Pl13.

[4].申兰先,刘祖明,廖华,等.工业化薄晶体硅太阳电池背电极浆料[J].可再生能源,2008,1（26）:

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[5].A.Schneider,C.Gerhards,PFath,E.Bucher,R.J.S.Young,J.A.Raby．BowReducingFactorsforThinScreenPrintedMc-SiSolarCellswithAIBSF[C].29thIEEEPVSC,2002,May19-24,P336-339.

[6].孙振华,杨德仁,朱鑫,等.烧结工艺对薄片单晶硅太阳电池弯曲的影响[J].太阳能学报,2009,5（30）:

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[7].MarioBahr,StefanDauwe,AlexanderLawerenz,LutzMittelsfftdt.ComparisonofBow-AvoidingAI-PastesforThin,Large-AreaCrystallineSiliconSolarCells[C].20thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConference,June,2005,Barcelona,（2005）,P635-638.

[8].S.Kim,A.Shaikh,S.Sridharan,C.Khadelkar,T.Pham.AluminiumPasteforThinWafers[C].19thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConferenceandExhibitionJune7-ll,2004,Paris,France,（2004）．

[9].C.Kohn,T.Faber,R.Ktibler,J.Beinert,GKleer.AnalysesofWarpageEffectsInducedbyPassivationandElectrodeComingsinSiliconSolarCells[C].22thEuropeanPhotovotaicSolarEnergyConferenceandExhibition,Sep.2007,FieraMilano/RhoMilan,Italy.

[10].A.Kriinzl,A.Schneider．DifferentAspectsofBack-SurfaceField（BSF）FormationforThinMulti-crystallineSiliconWafers[J].AsianJ．EnergyEnviron,（2004）,5（4）：

275~283.