第一篇：晶體硅太陽(yáng)電池片彎曲度研究進(jìn)展-索比光伏網(wǎng)

晶體硅太陽(yáng)電池片彎曲度研究進(jìn)展

摘要：在介紹鋁硅相圖、鋁背場(chǎng)形成過(guò)程以及鋁背場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了絲網(wǎng)印刷晶體硅太陽(yáng)電池彎曲度產(chǎn)生的原因，介紹了目前國(guó)內(nèi)外解決晶體硅太陽(yáng)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佳方法。

關(guān)鍵詞：鋁硅相圖 鋁背場(chǎng) 彎曲度

1.引言

目前，晶體硅仍然是最主要的太陽(yáng)電池材料，市場(chǎng)份額約為90％。太陽(yáng)電池生產(chǎn)成本的50％以上來(lái)自于硅材料，減薄硅片是電池生產(chǎn)廠商降低生產(chǎn)成本的主要手段之一。硅片的厚度從最初的300μmμm到現(xiàn)在的200μm，并且向150μm或更薄化發(fā)展，且工藝基本上都采用絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)來(lái)制備。由于硅片減薄，燒結(jié)過(guò)程中，電池片容易發(fā)生彎曲，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)成本。因此，減小薄片晶體硅太陽(yáng)電池彎曲度已經(jīng)成為太陽(yáng)電池發(fā)展急需解決的問(wèn)題。目前，國(guó)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(chǎng)的形成過(guò)程

2.1 鋁背場(chǎng)的形成過(guò)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(chǎng)成分變化，介紹鋁背場(chǎng)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(yáng)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)部分組成。對(duì)應(yīng)這三個(gè)組成部分鋁背場(chǎng)的形成過(guò)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100~200℃。生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池的鋁漿通常由1到10μm的超細(xì)鋁粉、玻璃粉、有機(jī)粘合劑以及有機(jī)溶劑四部分組成。在烘干階段，鋁漿中的有機(jī)溶劑大量揮發(fā)，從而使印刷在硅片表面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)粘合劑粘結(jié)在硅片的表面，鋁漿的印刷量一般在0.7mg/cm2，厚度在40μm左右；

第二階段，鋁融化侵蝕硅片表面，如圖3（2）所示，溫度在鋁的熔點(diǎn)660℃，如圖1中的第一個(gè)平臺(tái)。此時(shí)，接觸硅片表面的液態(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(kāi)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，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(jiàn)圖3（3）所示。

圖1：傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池片燒結(jié)曲線

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)合金相中硅的含量達(dá)到最高，接近30%，且液態(tài)相貫穿整個(gè)硅片表面；

第五階段，冷卻階段，此時(shí)合金中鋁硅的質(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)合金中的硅向硅片表面?zhèn)鬏?，在硅片表面外延生長(zhǎng)，含有少量的鋁，形成硅的鋁摻雜；

圖3：鋁背場(chǎng)的形成過(guò)程

圖4：鋁背場(chǎng)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℃，對(duì)應(yīng)相圖中的6點(diǎn)，此時(shí)，鋁硅合金中硅的成分達(dá)到共晶成分，約占12%，形成完整的鋁背場(chǎng)，同時(shí)在鋁硅合金前表面外延生長(zhǎng)了一層再結(jié)晶的鋁。圖4為經(jīng)過(guò)HF酸以及HNO3腐蝕后的鋁背場(chǎng)的掃面電鏡照片[1]。

3.彎曲度形成的原因

3.1彎曲度形成的原因

太陽(yáng)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)23×10-6k-1[2]，硅的線膨脹系數(shù)只有3.5×10-6k-1，隨著溫度的降低，鋁硅的收縮遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅片的收縮，使硅片表面承受一種壓應(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)?，在第六個(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)力難以在硅片表面加載，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[3]采用簡(jiǎn)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：

（1）

其中，其中δ為彎曲度；L為電池片寬度；αSi，αAl，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(cè)試溫度；dSi，dAl，分別為硅層和鋁層的厚度；ESi，EAl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.目前解決彎曲度的基本方法

4.1鋁背場(chǎng)濕重

云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所的申蘭先[4]研究了鋁漿濕重對(duì)電池片彎曲度的影響，實(shí)驗(yàn)在170μm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27μm降至20μm時(shí)，彎曲度由1mm降為0.75mm。德國(guó)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30μm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35μm以下時(shí)，電池片的電性能開(kāi)始惡化，主要由于鋁層厚度影響鋁背場(chǎng)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(chǎng)，部分硅片表面沒(méi)能形成鋁背場(chǎng)，增加了背表面復(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。浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孫振華[6]通過(guò)在快速熱處理爐中模擬鋁背場(chǎng)燒結(jié)過(guò)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577℃為分界點(diǎn)，將降溫過(guò)程分為高溫段和低溫段。研究結(jié)果表明，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(guò)程對(duì)彎曲度的影響遠(yuǎn)小于降溫過(guò)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，表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高，當(dāng)峰值溫度超過(guò)800℃以上時(shí)，彎曲度急劇增加，見(jiàn)圖6；對(duì)于保溫時(shí)間對(duì)彎曲度的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)比無(wú)預(yù)處理，鋁熔化前的保溫處理，電池片的彎曲度減小了，鋁熔化后的保溫則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。這表明，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，則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^(guò)程的低溫段和高溫段對(duì)電池片彎曲的影響相反造成的。

圖5：升溫速率對(duì)電池片彎曲度影響

圖6：燒結(jié)溫度對(duì)電池片彎曲度影響

圖7：不同溫度保溫對(duì)電池片彎曲度影響

4.3冷凍法

Huster[2]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(guò)三種方式來(lái)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(zhǎng)度變化也可以忽略。因此，只能通過(guò)鋁層的被拉伸來(lái)彌補(bǔ)這1.1％的差。Huster[2]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℃鋁層發(fā)生的是彈性變形，當(dāng)溫度從300℃冷卻至150℃時(shí)，開(kāi)始發(fā)生部分塑性變形，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(chǎng)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50℃，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(guò)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)達(dá)到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)成本。

4.4漿料成分

Mario Bahr[7]等比較了五種不同的鋁漿，研究了它們對(duì)電池電學(xué)性能和彎曲上的影響，發(fā)現(xiàn)有一種鋁漿，在硅片厚度只有100μm時(shí)，電池片彎曲度僅為2mm，而且電池效率沒(méi)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(shuō)明鋁背場(chǎng)可以滿(mǎn)足薄片電池背表面鈍化的要求。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(kāi)發(fā)了一種不含鉛的鋁漿，這種鋁漿中加入了特殊的添加劑，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.Schneider[5]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)電池片彎曲的影響要大。可惜，這些研究都只是公開(kāi)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)

圖9：C.Kohn設(shè)計(jì)的背電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

上述的簡(jiǎn)化模型中，沒(méi)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.Schneide[5]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成本。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(chǎng)不能覆蓋硅片整個(gè)表面，從而使得背表面復(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(guó)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，選擇合適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(kāi)始惡化；（3）冷凍法主要是使鋁背場(chǎng)繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形而減少?gòu)澢鹊?，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是適合工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)電池片的電性能無(wú)影響，缺點(diǎn)是增加了工藝步驟，增加了生產(chǎn)成本；（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(chǎng)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部分電性能。

需要說(shuō)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(jiàn)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，比如超細(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

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