太阳电池 丝网印刷及烧结工艺.docx

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太阳电池丝网印刷及烧结工艺

丝印与烧结

主栅（busbar）

细栅

电极

¾作用：

输出电流。

¾电极就是与电池p-n结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。

与p型区接触的电极是电流输出的正极，与n型区接触的电

极是电流输出的负极。

习惯上把制作在电池光照面的电极

成为上电极，把制作在电池背面的电极成为下电极或背电

极。

¾上电极通常制作成窄细的栅线状以克服扩散层的电阻，并

由一条较宽的主栅来收集电流，下电极则布满全部或绝大

部分的背面，以减小电池的串联电阻。

电极材料的选择和电极图形

9电极材料的选择

”能与硅形成牢固的接触；

”这种接触应是欧姆接触，接触电阻小；

”有优良的导电性；

”纯度适当；

”化学稳定性好；

9电极图形

电极图形的设计原则是使电池的输出最大。

设计要兼

顾两个方面：

使电池的串联电阻尽可能小和电池的光照作

用面积尽可能大。

电池的串联电阻

Rs=rm+rc1+rt+rb+rc2

rm：

上电极金属栅线的电阻；

rc1：

金属栅线和前表面间的接触电阻；

rt：

扩散层薄层的电阻

rb：

基区的电阻；

rc2：

下电极与半导体的接触电阻

浆料

导电浆料主要成分为金属粉粒、树脂、有机溶

剂、玻璃/陶瓷材料及其他添加物。

因为有粉粒沉降

及聚集问题，使用前必须有良好搅拌。

此外，浆料

必须储存于室内阴凉处，避免高温暴晒以免变质。

不同的浆料（铝浆、银浆、银铝浆）成分不同

所以印制条件及后续烧结条件也有所差异，其结果

对电池效率有很大影响。

其中形成良好的欧姆接触

和背场（BSF）最为关键。

玻璃粉对银/硅界面的影响

有机成分对栅线高宽比的影响

印刷品质

浆料本身的性质对产品有很大的影响：

（1）因为材料热膨胀系数的差异，浆料成分的不同也会造成

太阳能电池的翘弯问题；

（2）烧结后浆料的附着性也是一个问题，要通过拉力测试；

（3）背场有铝球形成，原因：

①硅片表面织构化过程时造成表面高低差过大；

②干燥时间太短；

③在烧结时铝颗粒间相互融溶而使颗粒间距缩短；

丝印和烧结的过程

AR-coating

印背电极：

银铝浆

Screenprinting

Rearsidecontactpastewet

烘干背电极

Highspeedconveyordryer

Rearsidecontactpastedry

印背场：

铝浆

Screenprinting

Aluminumpastewet

烘干背场

Highspeedconveyordryer

Aluminumpastedry

印正电极：

银浆

Screenprinting

烘干正电极

Fastfiringfurnacewithintegrateddryer

FrontsidecontactssinteredthroughtheAR-coating

ARcoating

烧结

Fastfiringfurnacewith

Integratedhighspeed

dryer

P

+

-layerAl-doped

Al-Sieutectic

铝背场

铝浆

铝浆除了当电极外，在烧结时p-type的铝掺杂渗入形

成使原本掺杂硼的p-typeSi形成一层数微米厚的p+-type

Si作为背场，以降低背表面复合速度来提高电池的开路电

压Voc。

因为硅片吸收系数差，当厚度变薄时衬底对入射

光的吸收减少，此时背场的存在对可以抵达硅片深度较深

的长波长光吸收有帮助，所以短路电流密度Jsc的影响就

更明显。

此外，p和p+的能阶差也可以提升Voc，p+可以

形成低电阻的欧姆接触所以填充因子FF也可改善。

背电场太阳能电池能带图

Ec导带

EF费米能级

Ev价带

P

+

N

+

P

Al背场的形成机理

预热区（100-250℃）蒸发

最后一道丝网印刷中存在的

有机溶剂；

Burnout（500-600℃）区

烧掉有机溶剂及树脂；

瞬间升降高温（700-850℃）

根据减反射膜和浆料的特

性；

烧结曲线

Al背场对电池性能的影响

浆料对硅片弯曲的影响

浆料中玻璃料熔点的影响，熔点越高，造成的弯曲越小

缓慢升温时铝背场不均匀，甚至出现没有铝背场的情况。

而快速升温改善了铝背场的均匀性，但是也未能完全消除

不均匀性，甚至50%的界面仍存在起伏。

铝球大小的影响

对于球形铝粒子，存在一个适当的尺寸引起的弯曲最小

弯曲随铝浆丝印质量增加而增加。

蒸铝和丝网印刷

•蒸铝时，增加沉积铝的厚度，只在快速升

温情况下，性能随厚度有所增加。

在同时

采用了快速烧结和厚铝时，提高烧结温

度，性能改变很少。

掺杂水平确实随温度

增加而提高，但是长波响应变化甚微，可

能与铝背场不均匀有关。

•丝网印刷Al背场并进行快速烧结，最佳烧结

温度制得的电池性能与蒸铝得到的电池性

能相当。

Ag浆

正面电极因为要减少电极遮光面积，所以使

用导电性能良好的银浆，因为先前的减反射膜已

经形成正面的电性绝缘，所以银浆一般掺有含铅

的硼酸玻璃粉（PbO-B2O3-SiOglassfrit），在高

温烧结时玻璃粉硼酸成分与氮化硅反应并刻蚀穿

透氮化硅薄膜，此时银可以渗入其下方并与硅形

成此种局部区域性的电性接触，铅的作用在银-

铅-硅共熔而降低银的熔点。

Ag与Si形成欧姆接触的机理

欧姆接触形成有如下几个步骤：

•有机物挥发

•玻璃料在减反射膜表面聚集

•玻璃料腐蚀穿过减反射膜

•玻璃料通过与Si发生氧化还原反应产生腐蚀坑

PbO+SiPb+SiO2

•Ag晶粒在冷却过程中于腐蚀坑处结晶

由于玻璃料对Si表面腐蚀具有各向异性，导致在Si表面

形成了倒三角形的腐蚀坑。

因此Ag晶粒在腐蚀坑处结晶时与

Si表面接触的一侧呈倒金字塔状，而与玻璃料接触的一侧则

成圆形。

关于Ag晶粒的析出机理的解释有：

（1）与PbO和Si发生的氧化还原反应类似，玻璃料中的Ag2O

与Si发生如下反应：

Ag2O+Si——Ag+SiO2

（2）Ag和被腐蚀的Si同时融入玻璃料中。

冷却时，玻璃料中

多余的Si外延生长在基体上，Ag晶粒则在Si表面随机生长。

（3）在烧结过程中通过氧化还原反应被还原出的金属Pb呈液

态，当液态铅与银相遇时，根据Pb-Ag相图银粒子融入铅

中形成Pb-Ag相。

Pb-Ag熔体腐蚀Si的<100>晶面。

冷却过

程中,Pb和Ag发生分离，Ag在<111>晶面上结晶，形成倒

金字塔形。

导电机理

Ag晶粒和栅线直接接触；

通过极薄的玻璃层隧道

效应；

通过金属颗粒沉积的玻

璃层的多重隧道效应；

影响因素

9浆料性质：

（1）浆料成分

（2）玻璃料的熔点

9烧结工艺：

最高温度

在玻璃料中添加和掺杂可以降低烧结峰

温，且随着添加和掺杂的增加降低的越

大，电学性能也得到提高。

具有低玻璃转变温度的玻璃料，软化的

早，溶解的银多，形成的玻璃层较厚，造

成接触电阻高。

具有高玻璃转变温度的玻

璃料与Si形成的欧姆接触很好。

网版

网版是由不锈钢织成不同网目大小的网纱及涂在网纱上

的乳胶装在网框架组成。

网版图样设计开孔处则将乳胶去除、

刮刀刷过网纱时可将施放在网版上的浆料透过图样开孔处印

在基材上，主要决定印刷厚度为乳胶厚度。

丝网印刷时根据

不同的网版张力、乳胶厚度、刮刀下压力量、刮刀速度、刮

刀下刀及离刀迟滞时间等等参数可得到不同的印刷厚度。

此

外，浆料的粘滞性、基材表面的亲疏水性、烘干温度及时间

都会影响到印刷的高度及深度。

烧结炉

烧结炉

丝印机

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