太陽能電池片科普系列——燒結(jié)篇

:通常意義上燒結(jié)是將粉末或粉末壓坯加熱到低于其中基本成分的熔點(diǎn)的溫度，然后以一定的方法和速度冷卻到室溫的過程。燒結(jié)的結(jié)果是粉末顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，燒結(jié)體的強(qiáng)度增加，把粉末顆粒的聚集體變成為晶粒的聚結(jié)體，從而獲得所需的物理、機(jī)械性能的制品或材料。太陽能電池片的燒結(jié)方法于此類似，燒結(jié)是和絲網(wǎng)工序密不可分的一個(gè)部分，燒結(jié)的好壞也直接影響絲網(wǎng)印刷的好壞，燒結(jié)的過程主要是將絲網(wǎng)印刷好了的正負(fù)電極在高溫的作用下與硅片形成良好的接觸——歐姆接觸，從而提高太陽能電池片的開路電壓和填充因子，同時(shí)燒結(jié)爐內(nèi)的高溫可以促使鍍膜工藝過程中產(chǎn)生的H向電池內(nèi)部擴(kuò)散，對(duì)太陽能電池片有良好的鈍化作用，提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

一、燒結(jié)的原理

絲網(wǎng)印刷工序后會(huì)有烘干爐，經(jīng)過烘干爐的電池片，漿料里含有的有機(jī)物等得以揮發(fā)，此時(shí)我們認(rèn)為他是接觸的，再經(jīng)過燒結(jié)爐時(shí)，金屬電極材料和電池片表面硅在紅外線的加熱作用下達(dá)到材料的共晶溫度，此時(shí)硅原子會(huì)進(jìn)入到熔融狀態(tài)的金屬電極材料當(dāng)中，形成合金系統(tǒng)，當(dāng)溫度下降到一定范圍時(shí)，合金系統(tǒng)中硅原子會(huì)重新結(jié)晶，在硅片和金屬電極之間形成外延層，形成良好的歐姆接觸。整個(gè)燒結(jié)過程是非常快速的，一般十幾秒就會(huì)完成整個(gè)燒結(jié)。

二、燒結(jié)的步驟

燒結(jié)是一個(gè)擴(kuò)散、流動(dòng)和物理化學(xué)反應(yīng)多重綜合作用的過程。印刷良好的前提下，各溫區(qū)溫度、氣體流量、帶速等是影響燒結(jié)效果的重要因素。因?yàn)橐纬闪己玫慕佑|，就必須達(dá)到一定的溫度，由于Ag、Al與Si等的性質(zhì)不同，就需要不同溫區(qū)來分別實(shí)現(xiàn)他們的合金化。

將印刷好的上,下電極和背場(chǎng)的硅片經(jīng)過網(wǎng)印刷機(jī)的傳送帶傳到燒結(jié)爐中,經(jīng)過烘干排焦、燒結(jié)和冷卻烘干排焦、烘干排焦燒結(jié)和冷卻過程來完成燒結(jié)工藝最終達(dá)到上下電極和電池片的歐姆接觸。

1、烘干排焦一

在網(wǎng)帶的上、下都裝有加熱帶，由溫控儀控制其溫度。目的是將印刷有漿料硅片烘干，并使?jié){料內(nèi)絕大部分焦油揮發(fā)出來。如果溫度設(shè)置不合理，不能使大部分焦油從漿料中揮發(fā)出來，剩下的焦油在進(jìn)入下一區(qū)域時(shí)會(huì)對(duì)燒結(jié)的效果影響很嚴(yán)重，對(duì)轉(zhuǎn)換率有高達(dá)0.2%的影響。為了保證設(shè)備安全，在每個(gè)區(qū)域都設(shè)有2個(gè)熱電偶，一個(gè)用于溫度控制，一個(gè)用于過溫保護(hù)。

2、烘干排焦二

為了減少腔室內(nèi)熱量的損失，在設(shè)備強(qiáng)勢(shì)內(nèi)部的四周安裝上隔熱板，并在腔室外的兩邊裝上了鋁的隔熱反射板，讓整個(gè)腔室始終保持一個(gè)穩(wěn)定的溫度，有利于工藝的穩(wěn)步進(jìn)行。對(duì)流器：對(duì)流器：為了能讓從漿料中揮發(fā)的焦油全部從抽風(fēng)管道中抽走，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)流加熱器。從烘干區(qū)上部的對(duì)流加熱器中吹出溫度受控的氣體，吹到腔室中，在從烘干區(qū)的兩頭將氣體抽出，保證從硅片揮發(fā)出來的焦油被對(duì)流加熱器吹出的熱氣帶出腔室內(nèi)，而不會(huì)導(dǎo)致硅片揮發(fā)出來的熱焦油在機(jī)器出口處冷凝而回流到設(shè)備里。對(duì)流盒子內(nèi)置在加熱盒子里，經(jīng)過過濾的大氣被熱空氣風(fēng)扇吸入到一個(gè)溫度可控的加熱器中，最后進(jìn)入到腔室內(nèi)。但為保證安全操作，如果吸入的空氣總量在增加，相應(yīng)離開的總量必須是合適的。

3、快速加熱燒結(jié)

根據(jù)工藝要求，需要此腔室的燈管能提供很高（高到1000℃）的溫度，并且能在高溫下工作。一般用石英玻璃管加熱器。此種設(shè)備用氣流把快速加熱箱分成4獨(dú)立的加熱系統(tǒng)，以保證每個(gè)腔室溫度的獨(dú)立性，可形成一個(gè)一個(gè)的溫度階梯，從而使最后一個(gè)溫區(qū)的溫度在很短時(shí)間達(dá)到一個(gè)很高的溫度。這樣設(shè)計(jì)還可以是每個(gè)隔離區(qū)域橫向位置溫度的不均勻性在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。在此腔室內(nèi)每個(gè)抽風(fēng)口都特別設(shè)計(jì)了一個(gè)帶加熱裝置的文氏閥，能保證腔室內(nèi)產(chǎn)生的廢氣流很快離開腔室，避免在燒文氏閥結(jié)溫區(qū)廢氣對(duì)硅片的污染，還能讓產(chǎn)生的廢氣流不在管道口處冷凝。對(duì)于溫度的測(cè)試，2個(gè)熱偶被安裝在加熱區(qū)域。一個(gè)用于溫度控制，一個(gè)用于超溫報(bào)警。最后一個(gè)溫區(qū)中安裝了2個(gè)熱偶，于皮帶正上方20mm處，他們反映了形成歐姆接觸的共晶溫度的真實(shí)值，他們的值可以在加熱菜單看到，可以直接了解內(nèi)部的實(shí)際溫度。為了能讓溫度急劇下降，在高溫區(qū)出口處的側(cè)壁、上下部分都裝有水冷系統(tǒng)。為了保證大部分熱量都輻射到腔室內(nèi)，在全部的加熱盒子周圍都覆蓋上保溫層，在外層還覆蓋有雙層的鋁反射板，有效延長(zhǎng)了燈管的使用壽命。

4、冷卻

冷卻盒子是一個(gè)可循環(huán)的盒子，為了冷卻電池片和皮帶，運(yùn)送冷卻水的管道安裝在皮帶的上部和下部。冷卻風(fēng)扇分別安裝在循環(huán)水管道的上方和下方。風(fēng)速可以調(diào)整，上部的風(fēng)扇將周圍的空氣通過冷卻管道送到硅片和皮帶上，下面的風(fēng)扇吸走通過皮帶周圍和硅片底部的空氣。

燒結(jié)溫度曲線

燒結(jié)各溫區(qū)作用

烘干區(qū)：使有機(jī)溶劑脫離漿料燒結(jié)區(qū)

燒結(jié)區(qū)：使電極、背場(chǎng)可形成良好的歐姆接觸，減小串阻

三、理想的燒結(jié)效果

正面電極燒穿氮化硅，鍍膜產(chǎn)生的H擴(kuò)散進(jìn)硅，背面Ag、Al電極擴(kuò)散進(jìn)硅，同時(shí)電池片電極有優(yōu)秀的電性能參數(shù)，經(jīng)過燒結(jié)爐的氮化硅顏色應(yīng)該均勻無色差，最后還要檢測(cè)柵線是否有斷裂、虛印等情況

四、燒結(jié)工藝常見事項(xiàng)

1、在設(shè)定溫度的同時(shí)也要考慮到Al的沸點(diǎn)較低，當(dāng)超過其沸點(diǎn)時(shí)，將有Al進(jìn)入工藝環(huán)境。這些會(huì)擴(kuò)散入電池正面的p-n處，對(duì)其發(fā)生破壞作用。

2、燒結(jié)時(shí)會(huì)有一定量的H從硅片中逸出，必然減弱H對(duì)硅片的鈍化作用。所以要有激冷的步驟以避免過多H的逸出。

3、高溫前，一定要保證漿料中的有機(jī)物已經(jīng)經(jīng)過烘干并揮發(fā)干凈。

4、氣流過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致排風(fēng)不暢，使工藝環(huán)境中存在大量有害雜質(zhì)。各個(gè)溫區(qū)的氣流要保持平衡。

5、過快的帶速和過大的氣流會(huì)減弱高溫的作用。

同時(shí)要及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓片、鋁泡、斷柵、電極缺失等工藝問題并及時(shí)處理

燒結(jié)之所以重要，是其承載著絲網(wǎng)印刷的所有心血，作為電池片末尾的工序，燒結(jié)的成功與否，直接關(guān)系到電池片能否走出產(chǎn)線，而受至于工藝難題，高溫溫度的保持，和溫度的均勻化都受到許多因素的干擾，燒結(jié)爐實(shí)際工藝參數(shù)不能時(shí)時(shí)獲?。ň湍壳霸O(shè)備而言），未來燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展或許可以著重考慮實(shí)際數(shù)據(jù)的時(shí)時(shí)監(jiān)控和智能化調(diào)節(jié)，讓電池片在經(jīng)歷過所有工序后能夠全部或幾乎全部走下產(chǎn)線。

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