硅电池片（精选8篇）
硅电池片 篇1
摘要：本文在介绍铝背场形成过程以及铝背场结构的基础上, 阐述了丝网印刷晶硅太阳电池弯曲度产生的原因, 介绍了目前国内外解决晶硅太阳电池弯曲的几种方法, 最后提出改变浆料成分是解决弯曲的最佳方法。
关键词：晶硅电池,铝背场,弯曲
目前, 晶体硅仍然是最主要的太阳电池材料, 市场份额约占85%以上。晶硅电池生产成本的30%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[1]。硅片的厚度从最初的260μm微米到现在的180μm, 并且向150μm甚至更薄化方向发展。在晶硅电池中少数载流子的扩散长度大于硅片厚度, 因而电池上下表面的复合速率对效率的影响就显得尤为重要。为降低表面复合速率、改善表面钝化的质量, 通常采用在晶硅电池背面印刷铝背场。铝背场能够有效降低电池背表面复合速率, 提高电池转换效率。
由于硅片减薄, 电池片在烧结过程中, 极易发生弯曲, 而弯曲的电池片在后续工序中容易破碎, 降低成品率, 增加电池生产成本[2]。因此, 减小薄片晶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。
1 铝背场的形成过程
晶硅太阳电池在烧结过程中依次经历三个区域, 即烘干区、烧结区和冷却区。在经过这三个区域过程中, 铝背场的形成大致可以分成如下六个阶段[3]。
(1) 有机熔剂熔剂挥发。此阶段温度在100℃~200℃范围内。由于铝浆通常由1~10μm的超细铝粉、玻璃粉、有机粘合剂以及有机熔剂四部分组成, 经过较低温度烘烤后, 铝浆中的有机熔剂大量挥发, 从而使印刷在硅片表面的铝浆成为一种多孔的结构, 如图1 (1) 所示。
(2) 铝熔化侵蚀硅片背表面。当温度升高到660℃时, 铝开始熔化。此时, 与硅片表面接触的液态铝在局部区域形成液态铝硅合金, 过程如图1 (2) 所示。
(3) 铝硅的质量传输。随着温度继续升高, 合金中的硅的含量逐渐变多, 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, 如图1 (3) 所示。
(4) 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%, 而且液态相贯穿整个硅片表面。
(5) 冷却阶段。此时合金中铝硅的质量传输方向和 (3) 阶段相反, 在硅片表面外延生长, 含有少量的铝, 形成硅的铝掺杂。
(6) 凝固阶段。当温度达到铝硅共晶温度5 7 7℃时, 铝硅合金形成共晶, 硅约占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2为经过HF酸以及HNO3腐蚀后的铝背场的扫面电镜照片[3]。 (如图1~2)
2 弯曲形成的原因
晶硅电池片弯曲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, 硅的线膨胀系数只有3.5×10-6k-1[4], 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。而弯曲的形成时间是在凝固阶段以后产生的, 因为, 在凝固阶段以前, 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。
R.J.Roark[5]采用简化的一维二层模型对弯曲度进行了分析, 弯曲的表达式如下:
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、铝背场和硅片的厚度、铝硅熔体共晶温度、铝背场和硅片的弹性模量和热膨胀系数。
3 目前解决弯曲的基本方法
3.1 铝背场湿重
云南师范大学太阳能研究所的申兰先[6]研究浆了铝背场湿重对电池片弯曲的影响, 实验在170μm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, 当铝浆厚度从27μm降至20μm时, 弯曲度由1 mm降为0.75 mm。德国康斯坦茨大学物理系的A.Schneider也对此进行了研究[7], 发现当铝浆印刷厚度由50μm降至30μm以下时, 电池片的弯曲都保持在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, 增加了电池片背表面复合。
3.2 烧结温度
目前关于烧结工艺对晶硅电池片弯曲的研究较少。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[8]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的影响, 实验以Al Si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。在高于Al Si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最大, 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;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。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。
3.3 冷冻法
Frank Huster[4]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 (100~200 Gpa) , 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%的差值。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℃过程中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, 而当冷却至室温时, 弹性变形导致0.4%的变化, 塑性变形则占到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3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
Mario Bahr[9]等比较了五种不同的铝浆, 研究了它们对电池电性能和弯曲的影响, 发现有一种铝浆, 在硅片厚度只有100μm时, 电池片弯曲度仅为2 mm, 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[10]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、玻璃体和添加剂等对电池片弯曲亦有影响。A.Schneider[7]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。
3.5 电极设计
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[7]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, 银覆盖率的增加会伴随着电池片光照面积的减小, 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[11]根据模型计算, 设计了一种优化的背接触结构。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[12]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, 电池电性能恶化。 (如图3)
4 结论
目前关于电池片弯曲的研究, 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的影响最大, 选择合适的浆料可以完全消除电池片的弯曲; (2) 铝浆湿重也可以明显改善电池片的弯曲, 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。
参考文献
[1]Verlinden P., Cost Analysis of Current Production and Strategy for Future Silicon PV Modules[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2012.
[2]Matsui T., Sai H., Saito K., et al.High-efficiency thin-film silicon solar cells with improved light-soaking stability[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2012.
[3]Mario B., Stefan D., Alexander L., et al.Comparison of Bow-Avoiding AlPastes for Thin, Large-Area Crystalline Silicon Solar Cells[J].Microscale Thermophysical Engineering, 2003, 7 (3) :207-219.
[4]Frank H., Aluminium back Surface Filed:Bow Investigation and Elimination[C]//20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, 2005:6-10.
[5]Roark Y., Formula for Stress and Strain[M].McGraw Hill, 1975:l13.
[6]申兰先, 刘祖明, 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) :69-71.
[7]Schneider A., Gerhards C., Fath P., et al.Bow Reducing Factors for Thin Screen Printed Mc-Si Solar Cells with AI BSF[C]//29th IEEE PVSC, 2002:19-24, 336-339.
[8]孙振华, 杨德仁, 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) :615-618.
[9]Mario B., Stefan D., Alexander L., et al.Comparison of Bow-Avoiding AIPastes for Thin, Large-Area Crystalline Silicon Solar Cells[C]//20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2005:635-638.
[10]Kim S., Shaikh A., Sridharan S., et al.Aluminium Paste for Thin Wafers[C]//19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2004:7-11.
[11]Kohn C., Faber T., Ktibler R., et al.Analyses of Warpage Effects Induced by Passivation and Electrode Comings in Silicon Solar Cells[C]//22th European Photovotaic Solar Energy Conference and Exhibition, Fiera Milano/Rho Milan, Italy, 2007.
[12]Kriinzl A., Schneider A., Different Aspects of Back-Surface Field (BSF) Formation for Thin Multi-crystalline Silicon Wafers[J].Asian J.Energy Environ, 2004, 5 (4) :275-283.
硅电池片 篇2
太阳能电池组件即多个单体太阳能电池互联封装成为组件。它是具有外部封装及内部连接、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置。单个太阳能电池往往因为输出电压太低，输出电流不合适，晶体硅电池本身又比较脆，难以独立抵御外界恶劣条件。因而在实际使用中需要把单体太阳能电池进行串、并联。并加以封装，接触外连电线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件。也称光伏组件。
硅太阳能电池可分为：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池。这三大类。下面且看江苏启澜激光科技有限公司为你意义分解硅太阳能电池组件的区别和作用。
单晶硅太阳能电池，是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，其转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的热加工处理工艺基础上。
非晶硅薄膜太阳能电池所采用的硅为a-Si。其基本结构不是pn结而是pin结。掺硼形成p区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层。
突出特点：材料和制造工艺成本低；制作工艺为低温工艺（100-300℃），耗能较低；易于形成大规模生产能力，生产可全流程自动化；品种多，用途广。
存在问题：光学带隙为1.7eV→对长波区域不敏感→转换效率低；光致衰退效应：光电效率随着光照时间的延续而衰减；解决途径：制备叠层太阳能电池，即在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉一个或多个p-i-n子电池制得；生产方法：反应溅射法、PECVD法、LPCVD法；反应气体： H2稀释的SiH4；衬底材料：玻璃、不锈钢等。
多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。
常用制备方法：低压化学气相沉积法（LPCVD）；等离子增强化学气相沉积（PECV）液相外延法（LPPE）；溅射沉积法；反应气体SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4；↓（一定保护气氛下）
硅电池片 篇3
1 焊接工艺及其主要影响因素
焊接是进行晶体硅太阳能组件生产的关键和核心工艺, 正确合理的焊接工艺是得到质量合格的光伏组件的保证。焊接, 主要包括单焊和串焊, 在对晶体硅太阳电池实施单焊或者是串焊等焊接方式的过程中, 不仅仅要对电池片本身的质量进行考虑, 此外还要注重以下几个方面因素的影响:
(1) 温度。温度会对焊接工艺造成一定的影响, 主要表现在预热温度以及冷却温度和焊接温度三个方面。在进行电池片焊接工艺的过程中, 对电池片焊接之前和接受焊接过程中的存在的温差高低会对焊接工艺造成重要的影响。主要的影响表现在焊接质量以及在电池片中残余的内应力, 会使得生产的产品的合格率降低。要是焊接的温差很低, 则会造成电池片焊接不牢固的问题影响质量, 相反, 要是温度过高, 很容易造成电池片的劈裂而使整个电池片报废。进行预热处理就是为了防止这种温差过低或者是过高对电池片焊接工艺带来的不利影响, 提高焊接的质量。
(2) 压力。焊接压力指的是指焊接过程中对焊带操作施加的压力。要是施加的压力过大很容易造成电池片的破损, 施加压力过小则可能出现虚焊的问题, 因此需要对压力做出合理的控制。针对具体的空间太阳电池进行焊接操作, 要结合时间和工艺的需要对焊接点的压力承受度和抗拉强度进行测试, 以降低焊接时对电池片的破坏和提高产品的合格率。
(3) 时间。焊接时间的长短应该依据焊接操作的温度需要进行适当的调整。一般而言, 在稳定的压力和合理的温度条件下, 焊接的压力和温度与需要的时间之间呈现正相关关系, 也即是焊接的温度越高、压力越大, 则整个焊接工作需要的时间就越短, 反之则越长。在稳定的压力和合理的温度条件下, 长时间的进行焊接操作可能导致焊接的电池片的破碎, 而时间过短则可能出现虚焊或者是脱焊问题的出现影响焊接的质量和效率。
2 电池片传统焊接工艺及其局限性
晶体硅太阳能电池片的焊接方式主要有手工和自动两种。
(1) 手工焊接由工人手持电烙铁进行电池片的焊接工作, 需要正反两面轮流进行焊接。在焊接工作开始之前要有制作专门的负责安放电池片的凹槽, 以提高焊接的效率和起到稳定电池片的作用。正面焊接完成后将其放置在凹槽里在进行串焊操作, 完成对电池片电极和电池片引线的焊接工作。
(2) 自动焊接工艺。自动焊接工艺自动焊接具有效率高、焊接质量好、成品质量一致和人员使用少的优点, 但是其缺点主要表现在一次性的资金投入过大。而且对不同需要的焊接操作工艺和程序也是有所差别的。自动焊接与传统的人工焊接技术相比较最明显的区别是自动焊接采用的是串焊的方式, 而人工焊接需要先进行单面焊接然后在进行串焊操作。此外, 实施自动焊接只需要人工定时的进行上料工作, 其它时间由焊接机自动完成。
3 新型焊接工艺
随着硅片厚度逐渐变薄和电池面积的变大, 使得焊接中电池破片的概率变大, 加大了生产的成本, 所以很对的新型焊接工艺被引进晶体硅太阳能电池焊接操作中, 下面介绍几种新技术。
(1) 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。其原理是借助光学系统量激光束聚焦在需要焊接的区域, 在短时间内在焊接区形成高度热源区, 实现焊接物的熔化并形成牢度的焊点。脉冲激光焊接是进行晶体硅太阳能电池焊接最常用的方法, 它可以将激光束直接照射到需要焊接的材料表面, 释放热源材料吸收后发生熔化, 然后将热力进行传导直到材料相互接触焊接在一起。
(2) 半导体激光器则是一种无须接触进行晶体硅太阳能电池片焊接工作的焊接方法, 具体操作方式是在时空上输入热量定义并保证太阳能电池自身的热应力最小的前提下来进行焊接。在操作中, 半导体激光器能够在一个闭环控制回路内部实现对高温计的控制, 确保焊接时输入的热量的稳定和控制符合焊缝操作的热量输入需要, 具有高效益和高效率的优势。
(3) 超声波金属焊接主要的操作原理是利用高频振动波传达到需要进行焊接操作的金属表面, 通过加压的方, 使得两个需要进行焊接的金属面进行相互摩擦而在分子层之间实现熔合。使用超声波金属焊接主要是具有焊接的速度快捷、的能源消耗以及导电性稳定、焊接后机械强度高以及避免和降低热应力的影响等优点;主要的缺点表现在不能进行厚度高于五毫米的金属焊接工作、焊接过程需要加压操作很焊接位不能过大。其主要应用在非晶硅太阳能电池焊接操作中。
(4) 导电胶是一种经过固化或者是干燥后具备导电性的胶黏剂, 其主要的构成是基体树脂与导电粒子填充物, 二者组合在一起形成了导电通路, 进而实现对被粘材料的导电操作, 导电胶的制备工艺不是很复杂而且简单易操作, 完全可以代替电池片焊接中的焊料, 提升焊接的效率和质量。应用导电胶作为焊接的工艺材料其主要的优点有降低电池破片的发生、减少虚焊问题以及减薄电池片厚度。
目前晶体硅太阳能电池在进行焊接时采取的方式主要是以自动或者是手动的方式, 而对上述提及的三种焊接工艺不是很常使用。分析来看制约其应用的核心因素还是集中表现在自动化称呼以及焊接效果和电池片成本等三个方面。
4 结论
太阳能发电无辐射, 无噪声, 绿色环保是未来的良好选择。对晶体硅太阳电池进行焊接是进行电池封装流程中很关键的一个步骤, 焊接工艺技术的成熟与否以及电池片自身质量的高低都对实际焊接的效果和组件的生产成本带来很大的影响。随着晶体硅电池片的厚度的减薄和面积增大, 在保证焊接效果以及实现对成本控制的前提下, 新型的无接触的焊接技术会更广泛的应用到现代的晶体硅太阳能电池焊接中。
摘要：太阳能发电技术实施的关键是太阳能电池组件, 而组件发挥作用的核心是对电池片的焊接。焊接质量和技术操作的好坏直接关乎到组件的质量以及其使用的时间长短, 所以, 对晶硅太阳能电池片进行焊接工艺的管理和研究具有很现实的意义和作用。
晶体硅柔性电池封装材料以及应用 篇4
首先, 现在我们面临着能源危机:据专家估算, 以现在的能源消耗速度, 可开采的石油资源将在几十年后耗尽, 煤炭资源也只能供应人类约200年。进入21世纪能源问题已成为世界关注的一个重大问题。同时, 随着环境污染的日趋严重, 也促使人们努力去开发新能源, 特别是可再生能源。风能潮汐能等虽属可再生能源, 但受地理环境等条件的限制。唯有太阳能辐射到地球的每个角落, 因而成为21世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。
其次, 现代社会应是节约型的社会, 而社会生活也应是节约能耗的生活。温家宝总理也于2005年6月30日提出并强调加快建设节约型社会的方针。而太阳能作为一种“取之不尽, 用之不竭”的新型环保能源已成为世界各国能源研究工作中的一个重要课题。
第三柔性电池具有很大的开发前景。如今量产的太阳能电池里, 95%以上是硅基的, 而剩下的不到5%是由其它材料制成的, 柔性太阳能电池便是其中一部分。柔性太阳能电池的优势包括:成本低、重量轻、可弯曲。为满足柔性太阳能电池日益扩大的市场需求, 大部分厂商都在计划提高产能, 包括美国First Solar、富士电机, 美国Nanosolar、三洋电机、美国United Solar Ovonic, LLC、英国G24 Innovations Limited在内的多家公司, 均计划建设发电量在100MW以上的工厂。
本文主要分析了传统电池和柔性电池的制备工艺之间的区别, 柔性电池的具有的优势以及柔性电池的应用。
二、传统封装技术和柔性电池的对比—整理一下结构图最好自己重画一下
经过太阳能电池的实际使用, 各国研究人员逐渐意识到太阳能电池的封装材料对电池的光电转换效率、使用寿命都有很大的影响。未来寻找理想的封装材料, 人们做了大量的研究工作, 目前在太阳能晶体硅封装已经形成了相对成熟的封装工艺, 在原材料的选用上也相对成熟。
普通硬衬晶体硅组件的封装原材料:
钢化玻璃
采用低铁钢化绒面玻璃 (又称为白玻璃) , 厚度3.2mm, 在光伏电池光谱响应的波长范围内 (320nm-1100nm) 透光率达91%以上, 对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射, 透光率不下降。抗机械冲击强度好, 防冰雹、抗风压良好, 表面透光性≧91%, 弯曲度不超过0.2%。
EVA
一种热融胶粘剂, 常温下无粘性而具抗粘性, 以便操作, 经过一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化。透光性能和耐侯性能要求比较高, 作用:封装的电池片, 防止外界环境对电池片的电性能造成影响, 同时增强组件的透光性, 将电池片, 钢化玻璃, TPT粘接在一起, 具有一定的粘接强度, 具有良好的抗紫外线能力。
TPT
用在组件背面, 作为背面保护封装材料, 对阳光起反射作用, 对组件的效率略有提高,
其材料的特点电气绝缘、阻燃性, 卓越的耐候性, 增强组件的抗渗水性, 与EVA、接线盒有良好的粘接性能。
铝合金边框
铝合金表面必须经过钝化处理——阳极氧化, 表面氧化层厚度大于12μm。用于封装的边框应无变型, 表面无划伤, 要保证长达25a的使用寿命。
接线盒
组件的正、负极从TPT引出后需要一个专门的接线盒来实现与负载的连接运行。具有防老化和抗紫外辐射特性, 能确保组件在室外使用25a以上不出现老化破裂现象。
其主要功能是保护玻璃边缘, 铝合金结合硅胶打边加强了组件的密封性能, 大大提高了组件整体的机械强度 (抗风压, 雪压要求) , 便于组件的安装, 运输 (设计要便于安装, 与建筑一体化) 。
封装示意图:
由于非晶硅太阳能电池做成柔性的组件是很常见的, 美国UNI-SOLAR公司, 目前的国内的津能-unisolar都在做非晶硅柔性电池的封装, 但是目前存在的成本问题, 其成本及售价还是相对比较高, 因为电池片是通过国外进口才能购得, 而最近几年随着晶体硅的快速发展, 以及产业链的成熟度越来越高, 所以相对于硅片的价格持续走低, 用晶体硅做柔性电池的趋势越来越受到关注, 晶体硅的转换效率比非晶硅要高的多, 如果能实现柔性封装的技术, 将来在柔性太阳能的领域将是会有很大的发展空间。
但是基于晶体硅电池的特点, 电池片薄而脆的, 只有0.18mm厚, 容易断裂, 对于做成柔性电池的是很大的挑战, 但是通过技术上是能实现的, 那么在工艺与原材料的选择与普通的晶体硅封装和非晶硅的柔性电池的封装是有很大区别的。
晶体硅柔性太阳能组件的封装材料:
ETFE
ETFE的化学名称是乙烯-四氟乙烯共聚物, 是一种独特的热塑性氟聚合物。ETFE综合了优良的机械性质、良好的加工性、以及杰出的绝缘性和耐化学性。它不含有任何增塑剂或粘合剂, 因此, 能够完全体现出氟树脂的优异性能。
ETFE具有杰出的耐候和抗老化能力, 抗拉强度强, 拉伸率在420, 透光率高96%, 与EVA的粘接强度好, 优良的耐热性、耐化学性、不粘性和杰出的绝缘。作为太阳能电池封装材料的窗口, 非常适合。
EVA
其性能同晶体硅的封装使用的EVA, 各项性能指标如下, 良好的抗拉强度, 可见光透射率≥87%, 断裂伸长率良好≥650;粘接强度良好, 耐辐照性好, 吸水率低;耐热性、耐湿性、抗冲击性、霰弹袋冲击性能、紫外线截止率98.5%。
背板:环氧树脂版
此种材料具有良好的粘附力, 环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在, 使其对各种物质具有很高的粘附力。收缩性低, 环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的, 没有水或其它挥发性副产物放出。力学性能好。电性能, 固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。化学稳定性, 通常, 固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。适当地选用环氧树脂和固化剂, 可以使其具有特殊的化学稳定性能。具有突出的尺寸稳定性和耐久性。耐霉菌性能好, 可以在苛刻的热带条件下使用。
迷彩布
迷彩布材料成分:65%棉和35%聚乙烯, 结构组成:毛线/斜纹织物, 其特点:防水, 防油, 防缩水, 防火设计, 防皱, 抗菌, 防辐射以及抗静电。用于太阳能电池组件的辅材封装, 可以起到便携, 按照设计裁剪, 使组件组合形式多样化, 并适合军事装备使用。
三、柔性电池在军事装备中的应用
太阳能作为一种新型能源受到各国不变的重视而发展迅猛, 但在军事装备中应用则起步较晚, 这主要是因为太阳能电池的转换率较低, 造价居高不下, 电池板笨重易碎。随着技术上的飞跃, 太阳能电池性能不断提高, 价格也不断下降, 使其可能成为数字化部队装备的立项电源。而晶体硅做成柔性电池, 可不但提高了转换效率, 同时也提高了便携性, 成本偏低, 避免了电池片从国外采购的瓶颈。
目前国内的军队也大力推进信息化建设, 数字化装备开始装备部队, 美军所面临的单军作战负载过重的问题也正是我们军队所面临的, 甚至难度更大, 如果完全依赖充电电池作为数字化装备, 这种的负重不适合中国士兵的体质。柔性电池组件在军队中的使用前景光明, 并能解决负载过重的瓶颈。
四、总结
本文总结了柔性电池的和普通电池加工工艺上的区别以及采用的主要原材料的性能;并分析了柔性电池的主要优势。并结合现在的实际情况分析了柔性电池在建筑中应用的应用方法等。
参考文献
《并网型太阳能光伏发系统》崔荣强 赵春江 吴达成
无机硅电池生产缺陷及其改进措施 篇5
太阳能电池组件是光伏发电系统的关键, 组件工作寿命是决定光伏发电系统成功与否的重要因素。只有通过对太阳能电池组件生产工序中出现的缺陷进行分析, 才能改进太阳能电池组件的生产材料、设计及工艺程序, 进而提高太阳能光伏发电系统效率。
本文详细分析了银星能源光伏发电设备制造有限公司硅电池组件生产过程中出现的主要缺陷, 提出了用有机材料分子结构改善现有无机硅太阳能电池缺陷的措施。旨在改进组件生产工艺, 提高光伏发电系统发电效率。
1 硅材料电池
太阳能电池是基于“光生伏打效应”原理, 将太阳光通过半导体转变为电能的一种装置, 这种光电转换过程称为“光伏电池”。目前用于太阳能电池的半导体材料主要是Si, 其原子由带正电的原子核和带负电的电子组成, 半导体Si原子外层有4个电子, 按固定轨道围绕原子核转动。当吸收到能量引起激发后这些电子就会脱离轨道而成为自由电子, 并在原来位置上留下1个“空穴”, 通过掺入不同元素, 可分别形成空穴型半导体、电子型半导体, 分别用符号P、N代表, 即形成1个P-N结[1]。
2 主要缺陷分析及改进
光电转换是目前太阳能最重要的利用形式, 因Si片基体的易碎性, 且破损电池单元将直接影响到组件的输出功率和使用寿命, 同时为了降低Si材料消耗, 控制生产成本, 许多国家都在进行太阳能电池缺陷的相关研究[2]。
2.1 断栅
电池片有2种栅线:
a) 主栅线。2条较宽的银白线;
b) 细栅线。主要是将电池片负电荷收集汇向主栅线。断栅主要是指细栅线断裂, 如图1所示。断栅会使电流效率降低, 影响光谱响应特性, 降低电池片转换效率。如果在层压前没有将电池片分流, 在层压后, 电池片表面会出现沿栅线方向长短不一黑色线状痕迹的断栅情况。轻微断栅对组件影响不大, 可将组件归为低档产品出售, 但严重的, 就会影响电池片电流输出, 造成热斑效应, 进而影响到整个组件的电性能。
观察到的黑色线状断栅造成断栅的主要原因有:
a) 电池片本身缺陷。即生产电池片的丝网印刷参数没调好、丝网印刷质量不佳、网版堵塞或硅片切割不均等;
b) 电池片受外力破坏。如在电池片分选工序中, 作业者用力煽动电池片或取电池片之间发生摩擦。
2.2 气泡
气泡包括两种:
a) 层压时出现气泡;
b) 组件在外界使用过程中出现气泡。这里主要讲述前一种气泡 (见图2) , 在层压时产生的气泡影响组件的外观、工作效率和使用寿命。受光线和组件工作产生热量的影响, 气泡会形成连续通道。随着时间推移, 脱层缺陷出现使组件报废。
由于原材料本身、前道工序操作不规范或层压工艺等因素, 均可能造成层压气泡。现对可能造成组件气泡的原因做探索性分析总结:
a) 原材料方面。EVA胶膜材料本身不纯或因裁剪、放置时间过长而吸潮, 从而影响胶膜与玻璃的黏结力, 造成层压产生气泡;
b) 层压工艺方面。主要有:抽真空时间太短, 加压已不能把气泡赶出;层压压力不够;层压机内加热板温度不平衡, 使EVA局部提前固化;层压抽气时间过短或加热温度过高, 使EVA熔融过快阻隔了因热分解而产生的O2通过下室抽出;真空度抽不到位, 往往造成腔体内部含有残余气体, 降低层压质量[3];
c) 前道工序问题。组件内有异物存在, 使异物旁边有气体存在;汇流条过厚, 形成高低落差, 造成抽真空困难。
2.3 短路
组件短路电池片会造成I—V测试曲线不规则且在EL (电致发光, Electroluminescence) 测试中显示一团黑影[4], 使组件电压偏小, 实际功率与标称功率不符, 降低组件输出功率和填充因子。
造成短路缺陷的原因一般有以下几种情况:
a) 串焊过程中将电池片正负极接反;
b) 在焊接工序中, 焊锡过多导致电池片正负极被焊锡漫过产生短路;
c) 有异物如焊带或其它导电杂物直接连接电池正负极造成。
2.4 裂片
组件裂片有显裂和隐裂两种。显裂可通过铺设工序中的镜检检查出来, 也可通过EL检测显示。通常显裂是由于电池片遭受大的应力造成。隐裂较小, 影响组件电流输出, 从而使组件甚至光伏阵列的输出功率降低, 而且在外界机械载荷下会增大隐裂范围, 导致电池片出现开路性破坏。隐裂较大时, 会产生热斑效应, 导致整个电池片有1块失效区, 加速组件老化[5]。
由于工序本身所出现的弊端、焊接方面或后道工序的外力因素均有可能造成电池片裂片, 因此很难寻求统一的规律或得出确切性答案, 现对可能造成电池片裂片的原因做探索性分析总结:
a) 组件本身弊端。因电池片和焊带温度膨胀系数及承受扭曲负荷能力不同, 使焊带产生的应力作用在电池片上;进行手工焊接时, 单焊、串焊不同时完成, 电池片将会热变形2次, 大大增加了隐裂电池片的产生;
b) 焊接方面。选用的焊带硬度较大, 在电烙铁走过后, 产生应力较大;过高焊接温度和过长焊接时间, 使电池片产生变形;焊接平台预热温度设置不达标, 使电烙铁与电池片之间有过大温差或使电池片冷却速度过快, 使应力堆积在太阳能电池内部造成裂片;焊接操作时, 有焊锡渣、堆锡现象, 在抽真空时电池片受力被压碎;
c) 层压方面。主要是层压机参数设置不当, 层压过早、层压压力过大或玻璃纤维布有EVA (乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物) 残留, 经层压后导致电池片裂片。
3 改进措施
通过对宁夏银星能源光伏发电设备制造有限公司太阳能电池组件生产中出现的缺陷进行分析, 总结原因, 提出采用有机材料改善其缺陷的措施。
从自然界植物的光合作用原理入手, 研究植物在光合作用过程中叶绿体内光合色素分子受光激发产生电子及电子传递机理。并提取该物质, 替代Si电池原材料。在自然光照条件下, 聚光色素分子将捕获的光能传递给中心的1对叶绿素A组成反应中心色素P, 反应中心色素P吸收光子后, 在常态下色素分子处于能量的最低态—基态, 当吸收光子后, 引起原子结构中电子重新排列, 克服正电荷束缚, 低能电子从基态跃进激发态P+, 释放1个电子, 形成空穴。被激发电子通过传递电子链移交给原初电子受体Q, 使其被还原带负电Q-, 而次级电子供体C以同样原理吸收光子释放电子补充给反应中心色素, 使其还原P, 次级电子供体被氧化带正电C+。研究找出吸收传递光的有机材料、电子供体材料、电子受体材料, 然后将有机材料制作成光—电转换器件, 应用到有机太阳能发电中。
课题组研究的有机太阳能电池材料还具有容易进行分子水平上的裁减和设计等特点, 如果能在光电转换性能上取得进一步突破, 将能在生产实践中得到广泛应用, 其市场前景将十分巨大。从材料角度讲, 目前需做的是从廉价易得原料出发, 提取并合成上述所提出的有机化合物并制作成光—电转换器件, 才能从根本上解决Si电池组件生产出现的缺陷, 这也是课题组正在研究的方向。
4 结语
传统硅电池组件生产除了会出现提到的缺陷, 硅电池片材料还有加工工艺复杂、材料要求苛刻且不易进行大面积柔性加工、某些材料的有毒性、成本资源限制等缺点。有机太阳能电池材料化学结构易修饰, 制备提纯加工简便, 可制成大面积柔性薄膜器件, 拥有低成本和和资源分布广的优势。
参考文献
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晶体硅太阳电池用电极设计的研究 篇6
随着光伏行业及其它相关产业的快速发展,降低太阳电池的成本成为当今业内重要的一项课题。低成本的硅材料,提供高转换效率和高产能制造工艺的原材料是降低成本的关键因素。提高转换效率的新工艺新技术有很多,诸如新型用气体完成而不是化学药品的制绒方法等新技术的改进和适用于更细的细栅宽度的导电浆料的替代,多晶电池的效率变得越来越高。本文通过几组实验数据来讨论不同的丝网设计与浆料特性的匹配数据,从而得出最优的印刷质量和最佳电池效率。
1 丝网印刷技术的描述及特性
利用感光材料通过照相制版的方法制作丝网印版(使丝网印版上图文部分的丝网孔为通孔,而非图文部分的丝网孔被堵住)。印刷时通过刮板的挤压,使油墨通过图文部分的网孔转移到承印物上,形成与原稿一样的图文。丝网印刷设备简单、操作方便,印刷、制版简易且成本低廉,适应性强。(图1)
丝网印刷的网版由网框、丝网和掩膜图组成。掩膜图指印太阳能电池正、背面用作电极的图案,即图文部分。本文涉及太阳能电池正面用的图案,由主栅线和与其相垂直的细栅线组成,起到收集电子的作用。
2 实验
2.1
本次实验主要是在多晶电池正面设计并试用3种不同型号的丝网与相应的银浆相匹配,不同型号的丝网指细栅线宽、细栅根数两种特性。最终确定性能最佳的丝网。
2.2
分2次完成,每次选取同一硅锭相邻位置的P型多晶硅片100片,分成二批,完成绒面制备、N型层扩散(方块电阻:60-80欧姆/方块)、湿法刻蚀、减反射膜的沉积(膜厚:800-850A)。
2.3
印刷流程有印刷背面电极、烘干、印刷背面铝浆、烘干和正面银浆的印刷和烧结六道工序,完成浆料的烘干和浆料与硅片的烧结,以达到良好的欧姆接触。烘干的作用是在设定150-300°的烘干箱内对印刷后的浆料进行干燥,使得有害物质得到很好的挥发。再通过烧结,把印刷到硅片上的电极在高温下烧结成电池片,最终使电极和硅片本身形成欧姆接触,从而提高电池片的开路电压和填充因子2个关键因素参数,使电极的接触具有电阻特性,达到生产高转效率电池片的目的。烧结过程中有利于PECVD工艺所引入H离子向体内扩散,可以起到良好的体钝化作用。
2.4 浆料的主要参数如下:
黏度:又称触变性。单位:Pa.S。实际范围在280-360之间。黏度与流动性成反比,黏度越低,流动性越大,可在一定程度上保证印刷的质量。浆料黏度过大,透墨性差,印刷时易产小孔。
固含量:实际范围在88%-92%之间,直接影响电池的电池效率。
2.5 丝网图案的主要参数变化范围:
3 实验结果
丝网REF与A即不同细栅的根数之间的对比。从理论上计算,细栅根数越多,总的遮光面积增大,大大降低光生载流子的数量,即电池的短路电流会明显下降,但接触电阻会有所提升。通过计算,细栅根数增加造成的遮光面积增加了4%-5%,预计短路电流会同等比例地降低。实验结果表明,短路电流降低了2.33%。具体数据如表2:
图2和图3是两种丝网的短路电流和填充因子的变化趋势。
从实验数据上及变化趋势看,开路电压持平,短路电流低了0.019A,填充因子增加了0.34%,转换效率提升0.05%。
4 讨论
可以看出,正面电极细栅的根数和宽度变化都会不同程度地影响太阳电池的电性能。细栅的根数越多,太阳电池的短路电流会明显下降,但接触电阻会有所提升,最终的效率有0.05%的优势。而随着细栅宽度的变小,总的遮光面积相应减小,进而大幅提升光生载流子的数量,即电池的短路电流会提升,但接触电阻会下降,最终电池的效率保持不变。
5 结论
通过本次实验得出了丝网A的优势较为明显,即正面电极增加了细栅的根数,虽然遮光面积变大了,短路电流降低了,但填充因子提升较多,最终电池效率提高0.05%。我会在以后的工作中进一步探索正面电极图案的优化方案以得到更高的电池转换效率。
参考文献
[1]晶体硅太阳能电池的丝网印刷技术,应用材料公司,《绝色科技》。
[2]G.Schubert,Diploma Thesis,Department of Physics,University of Konstanz,2002
[3]单晶硅太阳电池丝网印刷烧结工艺研究,高鹏。
硅电池片 篇7
芬兰Picosun公司近日宣布该公司与其合作伙伴成功研发出一种高效硅纳米棒太阳能电池新技术, 不仅能提高太阳能电池的能效, 还可降低生产成本。
新型太阳能电池的能源转换效率可达到9%以上, 并具有良好的长期稳定性。该公司主要是利用硅纳米棒材料, 在较廉价的玻璃等基板上培养硅纳米棒“森林”。这样首先可减少硅的使用量, 从而降低成本, 其次还可显著提高太阳能电池的能源转换效率。
与传统的二维薄膜太阳能电池相比, 新型太阳能电池的碳纳米棒“森林”三维结构表面活性更高, 光吸收效率也明显提高。此外, 这种太阳能电池的PN结位置更接近表面, 可以提高少数载流子的迁移率, 从而提高太阳能电池产生的电量。
硅太阳电池扩散方阻均匀性研究 篇8
方块电阻是衡量扩散质量是否符合工艺要求的重要指标之一。在工业化生产中,扩散后的硅片需要测试5个方块电阻(即硅片中间和4个角共5个点)来检验扩散质量。与此同时,通过测试出来的5个方块电阻,用式(1)来计算方阻的不均匀度
对于扩散工序,最大的问题是如何提高扩散的均匀性。扩散的均匀性直接体现在硅片扩散后PN结结深的差异性上,均匀性好则结深的差异性小,反之亦然[2]。而不同的结深对应的烧结温度也是不一样的。换个角度来说,同样的烧结条件对于扩散均匀性好的电池片,其欧姆接触就会好,短路电流、填充因子等电性能参数也会比较稳定。这样,电池片的转换效率也就更稳定。并且,电池片与电池片之间的电性能参数一致性好,也有利于组件的稳定性和防衰减性,从而提高了太阳电池的使用寿命。因此,如何来提高扩散的均匀性就显得非常有必要。文中通过理论结合实际,从各个方面讨论了改善方阻均匀性的方法,对于提高生产质量有着重要的指导意义。
1 扩散质量检验
在太阳能电池的生产中,对扩散层的质量有一定的要求。由于考虑到测量扩散层的结深成本较高,一般通过测量方块电阻来检验。
方块电阻的定义是表面为正方形的扩散薄层,在电流方向上所呈现出来的电阻。在平均电导率一定的情况下,方块电阻值越大,则结深就越浅;方块电阻值越小,则结深就越深。生产中,广泛采用四探针测试仪来测量方块电阻[3,4]。
2 影响扩散均匀性的因素
对于管式扩散炉而言,影响扩散均匀性的因素分两类。第一类是设备方面,主要有恒温区温度的控制、炉门密封性、石英保温挡板、匀流板的设计、石英舟的结构、排风口位置、源瓶恒温水槽的温度稳定性等。第二类是工艺方面,主要有硅片绒面的质量、扩散工艺气体流量、各种反应气体的比例、扩散时间和温度设定、源瓶液位、恒温水槽温度设置、废气排放流量与炉内的平衡压强等。因为这些因素相互影响,使得生产中的工艺优化显得更加困难[5]。下面从各个方面分别讨论影响扩散均匀性的因素。
(1)表面氧化层
杂质磷在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数,因此氧化层具有阻挡杂质磷向硅中扩散的能力[6]。利用这一性质,在扩散步骤前通入一定量的氧气,在硅片表面上制作出一层二氧化硅薄膜,氧化层能减缓磷扩散的速度,使其扩散更加均匀。因此,可以用对比实验进行验证,使用同一批片源,分别各取400片实验片,同样的前道工序,同一个扩散炉,同样的扩散工艺,A组在扩散前加入通氧步骤,B组则无。扩散完成后,分别取炉口、炉中和炉尾各1片电池片,分别测试每片5点方块电阻并计算其不均匀度,最后结果如表1所示。
从表1中可以明显看出,扩散前加入通氧步骤的A组实验片,测试的5个点的方阻值都比较均匀平稳,而扩散前没有通氧的B组,无论是炉口、炉中还是炉尾的方阻值波动性都较大,故证明了理论推测是正确的。
(2)小氮与氧气的流量比例
在扩散工艺中,一般会在扩散时往石英管内同时通入小氮和氧气。然后再分别讨论小氮与氧气的流量是否会对扩散方阻的均匀性产生影响。扩散的化学反应方程式为[7]
根据式(2),从理论上来说小氮和氧气的比例应该是2:1。小氮在扩散工艺中是最重要的一种气源,它的流量大小直接影响着扩散的质量。如果流量过大,在扩散预淀积时可能造成表面浓度过高,甚至在扩散后硅片表面会出现合金点;如果流量偏小,扩散反应管内杂质源浓度不够,就会导致扩散的不均匀。所以,小氮流量的最佳值应该是兼顾前后两者的平衡点。在生产调试中,由于三氯氧磷是通过氮气携带进入石英管内的。这时,三氯氧磷的流量主要由源温和小氮流量来决定,因此在小氮中实际携带的磷源流量较难计算,一般通过不同流量的实验来寻找一个小氮的最佳流量值。
下面设计一个实验来验证小氮流量偏小的情况下,扩散均匀性是否会发生变化。由于小氮流量的减少,势必会造成方块电阻的增大,这里先不考虑这点,只关注方阻均匀性变化。还是选用同一批片源各400片,同样的前道工序,同一个扩散炉,C组在正常生产工艺的基础上小氮流量减少至600 ml/min来制作;D组实验片用正常生产的工艺制作,小氮流量为1 000 ml/min。扩散完成后从炉口到炉尾,每隔20片取1片电池片,然后分别测试5点方块电阻并计算不均匀度,最后结果见图1。横坐标为石英管恒温区相对炉口的位置,定义为每20片电池片间隔为1个单位长度,值越小就是越靠近炉口。
从图1的实验数据中可以看出,正常工艺制作的D组实验片,检验的20片片内均匀性都明显好于C组,并且整体均匀性曲线也更加平滑稳定。而C组的20片单片片内均匀性较差,整体波动也大,特别是炉口位置更明显,说明炉管内杂质源气体不够,导致扩散源气体与硅片反应不均匀。
从另外一个角度来看,如果氧气的比例太小,三氯氧磷热分解产生的五氯化磷就不能充分分解,对硅片和石英管都有腐蚀性。如果氧气比例过大,就会造成硅片表面的磷硅玻璃过厚,对后面的扩散再分布影响就大。因此,氧气的流量决定了三氯氧磷的反应程度以及磷硅玻璃产生的厚度,这两者都对方块电阻有影响。所以,小氮与氧气的流量比例也会关系到扩散均匀性。
(3)扩散温度
扩散系数是描述杂质在硅中扩散速度的一个重要参量,用字母D表示[8]
式中,D0为本征扩散系数;E为扩散激活能;k为波尔兹曼常数;T为温度。从数学表达式上来看,扩散系数主要由温度决定。扩散温度越高,扩散系数就越大,扩散速率就越快,而扩散速率越快,扩散均匀性和重复性也就越难以得到控制。但是扩散温度又不能太低,因为三氯氧磷热分解需要大于600℃的温度,温度越高,化学反应就越完全,而且扩散温度低了,扩散时间相对就得更长,生产周期就要延长,扩散的均匀性和重复性就差。所以,扩散温度的设定需要考虑温度的变化对杂质的固溶度、扩散系数和杂质源的热分解速度的影响,尽量减少在扩散过程中温度波动对扩散结果的影响[9]。
(4)各区温度分布
通常,管式扩散炉的恒温区会按炉口到炉尾被等分为5个区。在生产进片时,炉尾的硅片总是比炉口的先进入到炉管内;而在出片时,炉口的硅片则比炉尾的先被运出炉管。这就导致了同一炉的硅片,扩散反应时间的不一致。另外,在进出炉炉门打开的时候,炉口区域由于受到外界温度的影响,其损失的热量是最多的,所以炉口区域需要的升温时间也就相对较长。因此,虽然是同一炉生产的硅片,其扩散时间和温度都是不一样的,从而导致了片与片之间的方阻不均匀。在炉口区域设置较高的温度对其进行温度补偿可以改善炉口到炉尾的片间方阻均匀性。
(5)炉内压强
扩散炉内的压强主要由大氮流量和排风量的大小决定,而炉内压强会影响到炉内温度和气氛的稳定性,从而影响扩散的均匀性。小氮携带的磷源从炉尾进气管进入炉内,然后保护气体大氮把磷源从炉尾输送到炉口。这样就不难理解,如果大氮流量太小,可能会导致输送到炉口的氮气中,磷源的浓度太低了,最后就会造成整炉硅片的片间不均匀。另外一方面,由于炉口的电池片靠近排风口,所以炉口位置的工艺气体相对更不稳定,因此电池片的均匀性也就更难以得到保障。一般来说,如果炉口的电池片均匀性较差,也有可能是因为炉口的排风量过大引起的。因此对于生产调试而言,大氮流量和排风量要配合着调,炉内压强的最佳值应该是能够使输入输出达到动态平衡,这样才能使炉管内的气体浓度更加平衡和均匀,硅片上的掺杂浓度也就更加均匀。
(6)绒面质量
制作单晶硅太阳电池的第一道工序是清洗制绒,绒面的质量同样也可以影响到扩散的均匀性。制绒的方向是改善绒面的均匀性。如果硅片表面的金字塔绒面细小而均匀,在扩散炉内硅片表面与工艺气体的接触反应也就会更加均匀,扩散出来的方阻均匀性也就更好。
(7)其他因素
影响到扩散均匀性的因素还有很多,譬如说在炉口和炉尾放置匀流板,对于扩散反应气体的均匀分流也会有积极的作用,使进入到扩散管内的化学反应气体更加均匀,有效提高扩散的均匀性。另外还需定期清洗石英管,然后重新升温饱和后生产的电池片均匀性一般都会有好转。总之,影响扩散均匀性的因素错综复杂,任何一个细节的变化,都有可能影响到扩散杂质的分布,想要提高均匀性必须要全方面的考虑。
3 结论
提出了方阻均匀性对于电池片效率的影响,从理论角度出发,讨论了如何提高扩散均匀性的各种方法,以对比实验证明了方法的有效性。好的扩散均匀性能使后道烧结工艺更有可控性,单片的效率更高,而且整体的电性能也更稳定。因此,提高扩散均匀性对于生产太阳电池是非常有必要的,上述方法对于优化工业生产中的扩散工艺具有一定的指导作用。
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