晶體硅太陽電池片彎曲度研究進(jìn)展

1、晶體硅太陽電池片彎曲度研究進(jìn)展摘要：在介紹鋁硅相圖、鋁背場形成過程以及鋁背場結(jié)構(gòu)的根底上，闡述了絲網(wǎng)印刷晶體硅太陽電池彎曲度產(chǎn)生的原因，介紹了目前國內(nèi)外解決晶體硅太陽電池彎曲度的幾種方法，最后提出改變漿料成分是解決彎曲度的最正確方法。關(guān)鍵詞：鋁硅相圖鋁背場彎曲度1. 引言目前，晶體硅仍然是最主要的太陽電池材料，市場份額約為90 %。太陽電池生產(chǎn)本錢的50 %以上來自于硅材料，減薄硅片是電池生產(chǎn)廠商降低生產(chǎn)本錢的主要手段之一。硅片的厚度從最初的300卩m卩m到現(xiàn)在的200卩m ,并且向150卩m或更薄化開展，且工藝根本 上都采用絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)來制備。由于硅片減薄，燒結(jié)過程中，電池片容易發(fā)生彎曲，

2、而彎曲的電池片在后續(xù)工藝中容易破碎，降低成品率，增加電池生產(chǎn)本錢。 因此，減小薄片晶體硅太陽電池彎曲度已經(jīng)成為太陽電池開展急需解決的問題。目前，國內(nèi)外關(guān)于薄片晶體硅彎曲度已經(jīng)有一系列報(bào)告。2. 鋁背場的形成過程2.1鋁背場的形成過程為了更好的了解彎曲度產(chǎn)生的原因，本文將結(jié)合電池片傳統(tǒng)燒結(jié)曲線、鋁硅合金相圖以及燒結(jié)時(shí)背場成分變化，介紹鋁背場形成的微觀機(jī)制，如圖1-3所示。圖1為傳統(tǒng)晶體硅太陽的電池?zé)Y(jié)曲線，該曲線主要由烘干區(qū)、燒結(jié)區(qū)以及冷卻區(qū)3個(gè)局部組成。對(duì)應(yīng)這三個(gè)組成局部鋁背場的形成過程可以分成六個(gè)階段：第一階段，有機(jī)溶劑溶劑揮發(fā)，如圖3 (1)所示，溫度范圍100200 C。生產(chǎn)晶體硅太陽電

3、池的鋁漿通常由1到10卩m的超細(xì)鋁粉、玻璃粉、有機(jī)粘合劑以及有機(jī)溶劑四局部組成。 在烘干階段，鋁漿中的有機(jī)溶劑大量揮發(fā)，從而使印刷在硅片外表的鋁漿成為一種多孔的結(jié) 構(gòu)，該多孔的結(jié)構(gòu)由有機(jī)粘合齊U粘結(jié)在硅片的外表，鋁漿的印刷量一般在0.7mg/cm2 ,厚度在40 m左右；第二階段，鋁融化侵蝕硅片外表，如圖3 (2)所示，溫度在鋁的熔點(diǎn) 660 C,如圖1中的第一個(gè)平臺(tái)。此時(shí)，接觸硅片外表的液態(tài)鋁沿著相圖中的紅線即液相線隨著溫度的升高由 2點(diǎn)開始向上移動(dòng)，在硅片的局部區(qū)域形成液態(tài)鋁硅合金；第三階段，鋁硅的質(zhì)量傳輸，隨著溫度由相圖中的 2點(diǎn)移至3點(diǎn)，合金中的硅的含量逐 漸升高，鋁硅進(jìn)行著質(zhì)量的傳輸

4、， 其傳輸線路為硅由基體向鋁傳輸， 而鋁由鋁漿向基體傳輸, 兩者的傳輸路線相反，見圖 3 3所示。k>r電也和£匸1:9習(xí)十11口|1甲?M b f-ll陽*T ?|77*CBOOTOO'SWLARZvOMwww solafzoom COJ B5圖1:傳統(tǒng)太陽能電池片燒結(jié)曲線Atomic WXhzwM4ww.«olarzconi QOQOO 0OQ-O o o & o 5 o i 0 o 9 o圖2 :鋁硅二元相圖第四階段，峰值溫度階段，在此階段，鋁硅液態(tài)合金相中硅的含量到達(dá)最高，接近30%，且液態(tài)相貫穿整個(gè)硅片外表；第五階段，冷卻階段，此時(shí)合金中鋁硅

5、的質(zhì)量傳輸方向和第三階段相反，合金的成分沿液態(tài)線由4點(diǎn)向3點(diǎn)移動(dòng)，液態(tài)合金中的硅向硅片外表傳輸，在硅片外表外延生長，含有少 量的鋁，形成硅的鋁摻雜；T 二 MFCMk4r申 dJU Sun at atoning1 2.T=7fflTC亠_嚴(yán).APST WCS*LARZi?OM#ww solarzcom.cam圖3 :鋁背場的形成過程圖4:鋁背場的掃描電鏡照片第六階段，凝固階段，溫度在鋁硅共晶溫度577 C,對(duì)應(yīng)相圖中的6點(diǎn)，此時(shí)，鋁硅合金中硅的成分到達(dá)共晶成分，約占12%，形成完整的鋁背場，同時(shí)在鋁硅合金前外表外延生長了一層再結(jié)晶的鋁。圖 4為經(jīng)過HF酸以及HNO3腐蝕后的鋁背場的掃面電鏡照片

6、1。3. 彎曲度形成的原因3.1彎曲度形成的原因太陽能電池晶體硅片彎曲度形成的主要原因在于鋁硅線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅線膨脹系數(shù)，鋁硅的線膨脹系數(shù) 23 X 10-6k-12，硅的線膨脹系數(shù)只有 3.5 X 10-6k-1 ,隨著溫度的降 低，鋁硅的收縮遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅片的收縮，使硅片外表承受一種壓應(yīng)力，從而產(chǎn)生彎曲度。而彎曲度的形成時(shí)間是從第六個(gè)階段以后產(chǎn)生的，因?yàn)椋诘诹鶄€(gè)階段以前，晶體硅片基體上的鋁硅合金處于液體狀態(tài)，因溫度下降引起的鋁硅基體和硅基體收縮差異形成的切應(yīng)力難以在硅片外表加載，只有當(dāng)鋁硅液相轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)以后，才能承受這種應(yīng)力，從而產(chǎn)生彎曲度。3.2彎曲度的理論模型R.J. Roark

7、3采用簡化的一維二層模型對(duì)彎曲度進(jìn)行了分析，彎曲度的表達(dá)式如下:亦4+6僉+4蟲卄雖分 +鼻生 牡 心 E* d# E五S*LARZi£W(1)wwA.solarzc0m 其中，其中S為彎曲度；L為電池片寬度；a Si, a Al，分別為Si層和Al層的熱膨脹 系數(shù)；Tf為鋁硅共晶溫度；T為測試溫度；dSi, dAI，分別為硅層和鋁層的厚度；ESi, EAI分別為硅層和鋁層的彈性模量。從1式可以看出，影響彎曲度大小的因素主要包括：電池片寬度、鋁層和硅層的厚度、鋁硅熔體共晶溫度、鋁層和硅層的彈性模量和熱膨脹系數(shù)。4. 目前解決彎曲度的根本方法4.1鋁背場濕重云南師范大學(xué)太陽能研究所的申

8、蘭先4研究了鋁漿濕重對(duì)電池片彎曲度的影響，實(shí)驗(yàn)在170卩m的硅片上進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)隨著鋁漿厚度的減小，電池片的彎曲度逐漸下降，當(dāng)二道鋁 漿厚度從27m降至20m時(shí)，彎曲度由1mm降為0.75mm。德國康斯坦茨大學(xué)物理系的 A.Schneider也對(duì)此進(jìn)行了研究5，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁漿印刷厚度由 50降至30 i m以下時(shí)，電池片的 彎曲度都保持在1mm以下，但是當(dāng)印刷厚度降至35 i m以下時(shí)，電池片的電性能開始惡化， 主要由于鋁層厚度影響鋁背場深度，從而影響鈍化效果。如果鋁印刷量太少，不能形成閉合的鋁背場，局部硅片外表沒能形成鋁背場，增加了背外表復(fù)合。4.2燒結(jié)溫度目前關(guān)于燒結(jié)工藝對(duì)電池片彎曲度的研究較少。

9、浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孫振華6通過在快速熱處理爐中模擬鋁背場燒結(jié)過程，研究了升溫速率、燒 結(jié)溫度和降溫速率等燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)電池片彎曲度的影響，實(shí)驗(yàn)以AlSi共晶點(diǎn)溫度577C為分界點(diǎn)，將降溫過程分為高溫段和低溫段。研究結(jié)果說明，電池片的彎曲度隨升溫速率的增加而增大，隨降溫速率的增大而減小，并且升溫過程對(duì)彎曲度的影響遠(yuǎn)小于降溫過程，如圖5所示。在高于 AlSi共晶點(diǎn)溫度的高溫段，電池片彎曲隨降溫速率的變化幅度很大，說明該 溫度段下降溫速率對(duì)電池片彎曲的影響更大，而低溫段的影響不明顯；實(shí)驗(yàn)還研究了峰值溫度和保溫時(shí)間對(duì)電池片彎曲度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著峰值溫度的升高電池片的彎曲度升

10、高，當(dāng)峰值溫度超過800 C以上時(shí)，彎曲度急劇增加，見圖6;對(duì)于保溫時(shí)間對(duì)彎曲度的影響，發(fā)現(xiàn)比照無預(yù)處理，鋁熔化前的保溫處理，電池片的彎曲度減小了， 鋁熔化后的保溫那么使電池片 彎曲度增大，且預(yù)處理溫度越高，彎曲度的增速越快，如圖7。這說明，鋁熔化前，燒結(jié)工藝參數(shù)主要影響添加劑的燃燒特性。從而影響了鋁顆粒外殼氧化層的厚度，進(jìn)而間接影響了鋁顆粒間的銜接，鋁熔化后，那么直接影響了鋁顆粒之間的銜接。之所以升溫速率對(duì)電池片彎曲影響不明顯，就是因?yàn)樯郎剡^程的低溫段和高溫段對(duì)電池片彎曲的影響相反造成的。LARZWM SQlarzoam.cofn圖5:升溫速率對(duì)電池片彎曲度影響ww w.ol arzaom

11、圖6 :燒結(jié)溫度對(duì)電池片彎曲度影響LO»#LARZWMwww fiolarzcom com圖7 :不同溫度保溫對(duì)電池片彎曲度影響4.3冷凍法Huster2認(rèn)為，從鋁硅共晶點(diǎn)溫度冷卻到室溫，鋁層和硅層收縮的差異約為1.1%。這1.1 %的差異只能通過三種方式來彌補(bǔ)：硅片的壓縮、硅片的彎曲和鋁層的被拉伸。由于硅 的彈性模量很大(100-200Gpa ),硅片的壓縮可以忽略。硅片的彎曲造成的長度變化也可以 忽略。因此，只能通過鋁層的被拉伸來彌補(bǔ)這1.1 %的差。Huster2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池片從共晶溫度冷卻至室溫時(shí)，在共晶溫度到300 C鋁層發(fā)生的是彈性變形，當(dāng)溫度從300 C冷卻至150 C

12、時(shí)，開始發(fā)生局部塑性變形，當(dāng)冷卻至室溫時(shí)，由于彈性變形導(dǎo)致0.4%的變化，塑性變形0.7%，如果能使鋁背場繼續(xù)發(fā)生0.4%的塑性變形，那么電池片就不受應(yīng)力的影響，也不會(huì)產(chǎn)生彎曲度。于是， Huster將彎曲的電池片冷卻到零下 50C,讓其繼續(xù)發(fā)生0.4%的變 形，然后再回到室溫，這樣，由于冷卻過程中，鋁層繼續(xù)被拉伸，發(fā)生塑性變形，當(dāng)回到室 溫時(shí)，鋁層的塑性形變已經(jīng)到達(dá)1.1 %，電池片恢復(fù)平整，圖6為其應(yīng)力應(yīng)變曲線。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是很容易工業(yè)化，且不會(huì)對(duì)電池片電性能產(chǎn)生其他影響，缺點(diǎn)是增加電池片生產(chǎn)本錢。4.4漿料成分Mario Bahr7等比擬了五種不同的鋁漿，研究了它們對(duì)電池電學(xué)性能和彎曲

13、上的影響， 發(fā)現(xiàn)有一種鋁漿，在硅片厚度只有100卩m時(shí)，電池片彎曲度僅為2mm ,而且電池效率沒有 因?yàn)楣杵穸鹊臏p薄而降低，這充分證明了鋁漿對(duì)電池片彎曲有很大的影響，同時(shí)也說明鋁背場可以滿足薄片電池背外表鈍化的要求。S.Kim等8認(rèn)為含鉛鋁漿中的鉛對(duì)電池片彎曲影響很大，并開發(fā)了一種不含鉛的鋁漿，這種鋁漿中參加了特殊的添加劑，用這種鋁漿生產(chǎn)的電池片的彎曲度小。他的實(shí)驗(yàn)證明，鋁漿成份和其中的添加劑對(duì)電池片彎曲有影響。S.Kim的另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了鋁漿中金屬粉末、鋁漿中的玻璃體和添加劑等對(duì)電池片彎曲亦有影響。A.Schneider5的實(shí)驗(yàn)證明，鋁漿成份對(duì)電池片彎曲的影響比鋁層厚度對(duì)電池片彎曲的 影

14、響要大?？上В@些研究都只是公開了結(jié)果，關(guān)于其微觀機(jī)制和原理未作介紹。4.5電池設(shè)計(jì)rnnnnnnj AS l g11L.OUUUU solarzoom.fjCim圖9: C.Kohn設(shè)計(jì)的背電場結(jié)構(gòu)上述的簡化模型中，沒有考慮前接觸前電極和柵極對(duì)電池片彎曲的影響。實(shí)際上，由于Ag的熱膨脹系數(shù)也要比硅大，前接觸的存在會(huì)降低電池片彎曲度。A.Schneide5研究了前接觸 Ag的覆蓋率和電池彎曲度之間的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，電池片的彎曲隨著 Ag覆蓋率的增加而線性減小。但是，銀覆蓋率的增加伴隨著光入射面積的減小，從而導(dǎo)致 電池短路電流的減小。同時(shí)，由于銀是貴重金屬，增加銀覆蓋率必將增加電池本錢。

15、C.Kohn等9根據(jù)模型計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的背接觸結(jié)構(gòu)，如圖9所示。在此結(jié)構(gòu)中，由于鋁層是不連續(xù)的，從而使得鋁層對(duì)硅片施加的應(yīng)力減小，電池片彎曲度減小。A.Kranzl等10的研究也得到了同樣的結(jié)果。 但由于此結(jié)構(gòu)中，鋁層不連續(xù)，導(dǎo)致鋁背場不能覆蓋硅片整個(gè)外表， 從而使得背外表復(fù)合增加，電池性能惡化。5. 結(jié)論目前關(guān)于彎曲度的研究，從國內(nèi)外文獻(xiàn)的報(bào)道可得出如下初步結(jié)論：1漿料成分對(duì)電池片彎曲度的影響最大，選擇適宜的漿料可以完全消除電池片的彎曲度；2鋁漿濕重也可以明顯改善電池片的彎曲度，但當(dāng)濕重減少到某一值時(shí)，電池片的電性能開始惡化；3冷凍法主要是使鋁背場繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形而減少彎曲度的，這種方

16、法的優(yōu)點(diǎn)是適合工業(yè)化生 產(chǎn)，對(duì)電池片的電性能無影響，缺點(diǎn)是增加了工藝步驟，增加了生產(chǎn)本錢；4優(yōu)化燒結(jié)工藝，也可以減少電池片的彎曲度，它的原理主要是影響了鋁背場的微觀結(jié)構(gòu)，即改變鋁硅層的力學(xué)性能，但這種方法對(duì)彎曲度的減少幅度有限；5采用合理的電池設(shè)計(jì)，但可能犧牲電池片的局部電性能。需要說明的是，目前，關(guān)于漿料成分對(duì)電池片彎曲度的影響，只見了研究結(jié)果，關(guān)于其微觀機(jī)制和原理未作介紹，后期可著重從鋁漿成分，比方超細(xì)鋁粉直徑大小，粘結(jié)劑、玻璃粉成分和比例這方面對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文作者楊江海，蔣忠偉，葉雄新，祁嘉銘，孫小菩，彭華 單位：東莞南玻光伏科技參考文獻(xiàn)【1 】。 Mario Bahr, stef

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