2018-01-22
太阳能电池片科普系列——烧结篇

通常意义上烧结是将粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度,然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结,烧结体的强度增加,把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体,从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。太阳能电池片的烧结方法于此类似,烧结是和丝网工序密不可分的一个部分,烧结的好坏也直接影响丝网印刷的好坏,烧结的过程主要是将丝网印刷好了的正负电极在高温的作用下与硅片形成良好的接触——欧姆接触,从而提高太阳能电池片的开路电压和填充因子,同时烧结炉内的高温可以促使镀膜工艺过程中产生的H向电池内部扩散,对太阳能电池片有良好的钝化作用,提高太阳能电池的转换效率。

 

一、烧结的原理

丝网印刷工序后会有烘干炉,经过烘干炉的电池片,浆料里含有的有机物等得以挥发,此时我们认为他是接触的,再经过烧结炉时,金属电极材料和电池片表面硅在红外线的加热作用下达到材料的共晶温度,此时硅原子会进入到熔融状态的金属电极材料当中,形成合金系统,当温度下降到一定范围时,合金系统中硅原子会重新结晶,在硅片和金属电极之间形成外延层,形成良好的欧姆接触。整个烧结过程是非常快速的,一般十几秒就会完成整个烧结。

二、烧结的步骤

 

烧结是一个扩散、流动和物理化学反应多重综合作用的过程。印刷良好的前提下,各温区温度、气体流量、带速等是影响烧结效果的重要因素。因为要形成良好的接触,就必须达到一定的温度,由于Ag、Al与Si等的性质不同,就需要不同温区来分别实现他们的合金化。

将印刷好的上,下电极和背场的硅片经过网印刷机的传送带传到烧结炉中,经过烘干排焦、烧结和冷却烘干排焦、烘干排焦烧结和冷却过程来完成烧结工艺最终达到上下电极和电池片的欧姆接触。

1、烘干排焦一

在网带的上、下都装有加热带,由温控仪控制其温度。目的是将印刷有浆料硅片烘干,并使浆料内绝大部分焦油挥发出来。如果温度设置不合理,不能使大部分焦油从浆料中挥发出来,剩下的焦油在进入下一区域时会对烧结的效果影响很严重,对转换率有高达0.2%的影响。为了保证设备安全,在每个区域都设有2个热电偶,一个用于温度控制,一个用于过温保护。

2、烘干排焦二

为了减少腔室内热量的损失,在设备强势内部的四周安装上隔热板,并在腔室外的两边装上了铝的隔热反射板,让整个腔室始终保持一个稳定的温度,有利于工艺的稳步进行。对流器:对流器:为了能让从浆料中挥发的焦油全部从抽风管道中抽走,设计了一个对流加热器。从烘干区上部的对流加热器中吹出温度受控的气体,吹到腔室中,在从烘干区的两头将气体抽出,保证从硅片挥发出来的焦油被对流加热器吹出的热气带出腔室内,而不会导致硅片挥发出来的热焦油在机器出口处冷凝而回流到设备里。对流盒子内置在加热盒子里,经过过滤的大气被热空气风扇吸入到一个温度可控的加热器中,最后进入到腔室内。但为保证安全操作,如果吸入的空气总量在增加,相应离开的总量必须是合适的。

3、快速加热烧结

根据工艺要求,需要此腔室的灯管能提供很高(高到1000℃)的温度,并且能在高温下工作。一般用石英玻璃管加热器。此种设备用气流把快速加热箱分成4独立的加热系统,以保证每个腔室温度的独立性,可形成一个一个的温度阶梯,从而使最后一个温区的温度在很短时间达到一个很高的温度。这样设计还可以是每个隔离区域横向位置温度的不均匀性在一个很小的范围内。在此腔室内每个抽风口都特别设计了一个带加热装置的文氏阀,能保证腔室内产生的废气流很快离开腔室,避免在烧文氏阀结温区废气对硅片的污染,还能让产生的废气流不在管道口处冷凝。对于温度的测试,2个热偶被安装在加热区域。一个用于温度控制,一个用于超温报警。最后一个温区中安装了2个热偶,于皮带正上方20mm处,他们反映了形成欧姆接触的共晶温度的真实值,他们的值可以在加热菜单看到,可以直接了解内部的实际温度。为了能让温度急剧下降,在高温区出口处的侧壁、上下部分都装有水冷系统。为了保证大部分热量都辐射到腔室内,在全部的加热盒子周围都覆盖上保温层,在外层还覆盖有双层的铝反射板,有效延长了灯管的使用寿命。

4、冷却

冷却盒子是一个可循环的盒子,为了冷却电池片和皮带,运送冷却水的管道安装在皮带的上部和下部。冷却风扇分别安装在循环水管道的上方和下方。风速可以调整,上部的风扇将周围的空气通过冷却管道送到硅片和皮带上,下面的风扇吸走通过皮带周围和硅片底部的空气。

 

烧结温度曲线

烧结各温区作用

烘干区:使有机溶剂脱离浆料烧结区

烧结区:使电极、背场可形成良好的欧姆接触,减小串阻

三、理想的烧结效果

正面电极烧穿氮化硅,镀膜产生的H扩散进硅,背面Ag、Al电极扩散进硅,同时电池片电极有优秀的电性能参数,经过烧结炉的氮化硅颜色应该均匀无色差,最后还要检测栅线是否有断裂、虚印等情况

四、烧结工艺常见事项

1、在设定温度的同时也要考虑到Al的沸点较低,当超过其沸点时,将有Al进入工艺环境。这些会扩散入电池正面的p-n处,对其发生破坏作用。

2、烧结时会有一定量的H从硅片中逸出,必然减弱H对硅片的钝化作用。所以要有激冷的步骤以避免过多H的逸出。

3、高温前,一定要保证浆料中的有机物已经经过烘干并挥发干净。

4、气流过小时会导致排风不畅,使工艺环境中存在大量有害杂质。各个温区的气流要保持平衡。

5、过快的带速和过大的气流会减弱高温的作用。

同时要及时发现弓片、铝泡、断栅、电极缺失等工艺问题并及时处理

烧结之所以重要,是其承载着丝网印刷的所有心血,作为电池片末尾的工序,烧结的成功与否,直接关系到电池片能否走出产线,而受至于工艺难题,高温温度的保持,和温度的均匀化都受到许多因素的干扰,烧结炉实际工艺参数不能时时获取(就目前设备而言),未来烧结技术的发展或许可以着重考虑实际数据的时时监控和智能化调节,让电池片在经历过所有工序后能够全部或几乎全部走下产线。