河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） I 太陽能電池片制造工藝 及 鋁背場 鈍化工藝的研究 摘 要 隨著社會的發(fā)展，人類對能源的需求變得多樣化，由于原始能源的獲取主要通過煤、石油、天然氣 等 石化能源，但是這些能源變得越來越少，同時還會造成環(huán)境的污染。近年來隨著人們對環(huán)境的重視，對新能源的需求變得越來大。 因此 光伏行業(yè)受到的極大重視，在短短的幾年里 便得 到迅速發(fā)展，我國光伏行業(yè)以每年 30%左右的增速發(fā)展。 作為一個新興的行業(yè)，有很多人對太陽能電池的生產還不了解。 本文的亮點是 ： 1） 系統(tǒng)的 介紹了太陽能電池片的制造工藝，從制絨工藝到最后的印刷燒結和檢測 ,為以后深入 學習打下基礎。 2）對比驗證了商業(yè)常用的兩種網版 (250、 280)和兩種漿料的優(yōu)缺點 及對一些常見問的分析 ，并得出在現(xiàn)有的商業(yè)燒結條件下 的最好 搭配， 并 對現(xiàn)實中的電池片 生產提供了 參考。 關鍵詞： 太陽能電池 ， 制造工藝 ， 鋁背場 ， 表面復合 ， 絲網印刷 技術河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） I Solar Sell Processing and Investagation of Al-BSF Passivation Quality ABSTRACT With the development of society, human demand for energy to diversify. As the primary energy, mainly through the acquisition of coal oil,gas,and other fossil fuels. But these energy sources become less and less. At the same time also cause environmental pollution. In recent years,as people focus on the environment.The demand for new energy sources have become increasingly large. Therefore, great attention by the PV industry. In just a few years, it has developed rapidly. Chinas PV industry annual growth rate of about 30% of the development. As an emerging industry. Many people do not understand the production of solar cells. The highlight of this article. 1) A systematic introduction to manufacturing processes for solar cells. From the system down to the final printing process and test fired. Lay the foundation for future in-depth study. 2) Comparative validation of the commercial version of two common network(250.280count) and draw on existing business with the best sintering conditions. The cells and production of reality to provide a reference. KEY WORDS: solar cell, processing, Al-BSF, surface recombination, screen-printing technology 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） II 目 錄 第一章 緒 論 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 太陽能電池發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 . 2 1.3 太陽能電池的分類與發(fā)展趨勢 . 3 第二章 晶體硅太陽能電池的生產工藝 . 6 2.1 太陽能電池的基本結構和工作原理 . 6 2.2 太陽能電池的輸出特性 . 7 2.3 單晶太陽能電池的制造工藝 . 10 2.3.1 制絨工藝 . 10 2.3 .2 擴散工藝 . 12 2.3 .3 刻蝕與鍍膜 工藝 . 13 2.3 .4 印刷燒結工藝 . 14 2.4 實驗背景和意義 . 18 第三章 實驗結果與分析 . 20 3.1 實驗硅片的選擇 . 20 3.2 網版的選擇實驗 . 20 3.3 鋁背場漿料的選擇實驗 . 25 結 論 . 30 參考文獻 . 31 致 謝 . 33 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 1 第一章 緒 論 1 .1 引言 太陽中蘊藏著人類取之不盡的能源。太陽不停地向宇宙空間中發(fā)送著巨大的能量。據(jù)計算，僅一秒鐘發(fā)出的能量就相當于 1.3億億 噸標準煤燃燒時所放出的熱量 1。與其他能源相比，太陽能不會產生有毒、有害氣體和廢渣，因而不污染環(huán)境。同時太陽光隨處都可以得，使用方便、安全；成本低廉，可以再生。太陽能優(yōu)勢與資源太陽能除去數(shù)量巨大之外，還能長期供給，理論計算太陽尚可維持數(shù)十億年之久，此外，太陽能隨處都有，不需開采和運輸，并且是沒有任何污染的清潔能源。這些都是它的獨特之處。但是，它的能量密度很低，只有 1w/m2，并且受氣候影響，具有不穩(wěn)定性，這些又給太陽能的利用帶來很大困難。在新能源中，當前太陽能發(fā)電的成本較高，大約是生物質發(fā)電（沼氣發(fā)電）的 7 12倍，風能發(fā)電的 6 10倍。但太陽能與其他新能源相比在資源潛力和持久適用性方面更具優(yōu)勢，從長遠前景來看，光伏發(fā)電是最具潛力的戰(zhàn)略替代發(fā)電技術。根據(jù)歐洲 JRC的預測，到 2030年太陽能發(fā)電將在世界電力的供應中顯現(xiàn)其重要作用，達到 10%以上，可再生能源在總能源結構中占到 30%； 2050年太陽能發(fā)電將占總能耗的 20%，可再生能源占到 50%以上，到本世紀后期，太陽能發(fā)電將在世界電能結構中占據(jù) 70%的位置，下圖是歐洲 JRC的預測 2。 圖 1-1世界能源趨勢圖 在世界各國發(fā)起的大規(guī)模國家光伏發(fā)展計劃和太陽能 屋頂計劃的刺激和河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 2 推動下，世界光伏工業(yè)上世紀末最后 10年的平均增長率為 20%，從 1991年的55兆瓦增長到 2000年的 287兆瓦。而進入新千年后，全球光伏組件的年均增長率更是高達 30%以上， 2003年全球的產量達到了 744兆瓦，光伏產業(yè)成為全球發(fā)展最快的新興行業(yè)之一。 作為一個發(fā)展中國家，我國能源工業(yè)面臨著經濟增長、環(huán)境保護和社會發(fā)展等多重壓力。我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，煤炭占商品能源消費的 76%。傳統(tǒng)化石能源消耗過程的尾氣排放，已成為我國大氣污染的主要來源。盡管如此，已經探明的常規(guī)能源剩余儲量 (煤炭 、石油、天然氣等 )，以及可開采年限均十分有限 (圖 1-2)，同比世界，中國的能源形勢更加嚴峻 3。因此開發(fā)利用太陽能等可再生能源、實現(xiàn)能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展更顯迫切、意義也更為重大 。 圖 1-2 世界和中國各種能源儲備比較 1.2 太陽能電池發(fā)展歷史 和現(xiàn)狀 太陽電池的歷史可以追溯到 19世紀。 1839年， 19歲的法國年輕科學家埃德蒙 .貝克勒（ A E Becqurel）在其父親的實驗室電解槽中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應， 1883年， Charles Fritts描述了第一個用硒制造的光生伏特電池，1941年， Ohl提出了硅 p-n結光伏器件 4。太陽電池發(fā)展的一個重要里程碑則是 1954年，美國貝爾實驗室制出了第一個實用的硅擴散制備 p-n結太陽電池，并很快將光電轉換效率提高到 10%。 經過近半個世紀的發(fā)展，太陽電池已從最初的單晶硅電池發(fā)展到今天的多晶硅、非晶硅、化合物半導體太陽電池、薄膜光電池、聚光電池、有機光電池及化學光電池。經歷了第一代晶硅太陽電池，第二代薄膜太陽電池，第三代高效太陽電池的研究。近幾年，全世界太陽能電池的生產量平均每年增長近 40%，美國和日本相繼出臺了太陽能研究開發(fā)計劃。隨著光伏技術及應用材料的飛速河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 3 發(fā) 展，光電材料成本不斷下降，光電轉換效率逐漸升高，太陽能光伏發(fā)電將會越來越顯現(xiàn)出優(yōu)越性 5。最近的光伏發(fā)電行業(yè)調查表明，到 2010年，光伏發(fā)電產業(yè)的年發(fā)展速度將保持在 30%以上。光伏發(fā)電產業(yè)的年銷售額將從 2004年的 70億美元增加到 2010年的 300億美元。到 2010年太陽能光伏發(fā)電成本將降低到可與常規(guī)能源競爭的程度。 2002年到 2003年，我國開始實施光明工程項目。 “ 中華人民共和國可再生能源法 ” 于 2006年 1月 1日生效，在能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃中明確提出：到 2020年可再生能源在能源構成的比例中要達到 10%左右。中國可再生能源的利用和發(fā)展已引起全世界的廣泛關注。未來太陽電池會朝大面積化和高效化的方向發(fā)展。各地電池的效率如下 6 ，澳大利亞新南威爾士大學高效單晶硅電池和多晶硅電池效率分別達到 24.7%、 19.8%。非晶硅薄膜電池通過雙結、三結迭層和 Ge-Si合金層技術，通過克服光衰減其實驗室穩(wěn)定效率已經突破 15%、 CdTe電池效率達到 15.8%、 CIS電池效率 18.8%。在我國單晶硅高效電池效率達到 19.79%；大面積（ 55cm2）刻槽埋柵電池效率達到 18.6%，多晶硅電池效率達到 14.5%；在多晶硅薄膜 電池方面，采用快速熱 CVD技術在非活性硅襯底上制備的多晶薄膜電池效率達 14.8%。 1.3 太陽能電池的分類與發(fā)展趨勢 迄今為止，人們已經研究了 100多種不同材料、不同結構、不同用途和不同型式的太陽電池。常見的有結構分類法、材料分類法和用途分類法等，其中按基體材料分類的方法最為常見。太陽電池與光伏組件按基體材料分類如 下圖 7。 圖 1-3 太陽能電池按基體材料分類 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 4 目前，已經商品化大規(guī)模生產的太陽電池主要是晶體硅電池和各種薄膜電池，下圖為 1999-2006年全球各種商品化太陽電池產量的比例。 圖 1-4 1999-2006 年全球商品化太陽電池產量比例 從該圖可以看出： 1. 晶體硅太陽電池（包括單晶硅、多晶硅、片硅、帶硅等太陽電池）始終是商品化太陽電池的主流產品。占據(jù)著超過 90%以上的市場份額； 多晶硅太陽電池 一直是晶體硅太陽電 池的主流產品，但近年來單晶硅的份額有所回升， 這主要是由于中國廠商大量生產單晶硅太陽電池導致的。 經過數(shù)年的發(fā)展，晶體硅電池的生產工藝趨向穩(wěn)定，已經成功占據(jù)光伏電池的絕對主導地位，在未來的 10 15年內 仍將是 主流產品 8。 2. 帶硅及片狀 硅太陽電池可以節(jié)省硅材料的切片損 失，但由于其生長技術未取得突破 （生產率低、效率低、表面粗糙，需特殊工藝處理等） 因而其產量增長不大，到 2006年僅占全球總產量的 2.6%。 3. 各種薄膜太陽電池（包括非晶硅、碲化鎘、硒銦銅等太陽電池）所占的比一直在 6%左右徘徊，但近幾年薄膜太陽能電池得到較快發(fā)展，如下圖 圖 1-5 薄膜硅與晶體硅趨勢圖 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 5 分析 主要原因是因其成本低廉，到 2007年底薄膜電池產量達 400MW，市場占有率達 12%， 從長期來看，薄膜電池有望取代晶體硅電池成為主流 。 綜上所述，晶體硅電池在未來相當長的一段時間仍然是市場的主流產品，而晶 體硅電池的發(fā)展方向可以概括為： “大片、薄片、高效 ”。晶體硅太陽電池生產技術與工藝發(fā)展預測： (1) 規(guī)模化生產：為降低成本，產能將持續(xù)擴大，大規(guī)模生產是降低成本，提高生產效率的有效途徑。 (2) 大片、薄片、高效 大片、薄片：目前電池主流產品為 156 156 220（ 200），少數(shù)工藝領先的企業(yè)已經實現(xiàn)了 180m厚硅片的大規(guī)模生產， 210 210的超大硅片和160m甚至更薄的硅片生產工藝也會同步開發(fā)。硅片減薄將有效降低原料和生產成本，提高產率，但同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要是碎片率，以及在大面積硅片 上實現(xiàn)均勻加工的技術；而厚度減薄也對電池的表面鈍化工藝提出了更高的要求。 高效：目前商業(yè)化提高效率的主流思路可以概括為 “ 淺結、密柵 ” ，即大幅度提高擴散后的方塊電阻（從 40 提升到 80 120）以減少死層，提高上表面鈍化工藝水平以獲得極高的短波響應，同時，增加柵極數(shù)量，降低由于方塊電阻提高引起的串聯(lián)電阻升高，維持 FF水平。為此可能采用的特殊工藝包括：噴涂源鏈式擴散、選擇性發(fā)射極（即在電極印刷處提高擴散濃度，以保證電極的歐姆接觸，也可以通過選用含磷的銀漿實現(xiàn)）。另外，背場和絨面也將進一步改進。硼背場有望取代 鋁背場，由于硼的擴散濃度可以比鋁高一個數(shù)量級，可以增強 背場 強度，提高鈍化水平；絨面結構改進，獲取更低的反射率（如用于多晶的 RIE 絨面技 術） 9 。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 6 第二章 晶體硅太陽能電池的生產工藝 2.1 太陽能電池的基本結構和工作原理 一般說來，凡是能將太陽光能轉換為電能，并有電壓，電流輸出的裝置，就可以定義為太陽電池， 一般的晶體太陽能電池 結構如圖所示 10。 圖 2-1 典型晶體硅 PN 結太陽電池示意圖 從圖中可以看出 它由在表面上形成的 PN結及正、背面引出電極構成。還包括減反射層、表面鈍化層等結構 。 太陽電池是利用太陽光照射在半導體晶片 p-n結上，產生光生伏特效應，直接將太陽能轉化為電能的裝置。 其 工作原理是：能量大于半導體禁帶寬度的光子被半導體吸收后，可以產生光生載流子，當所產生的光生電子空穴對由半導體 p-n結所形成的內建電場分開到兩極時，在電池的兩極分別堆積正負電荷，形成電池的端電壓，當接有外電路時便有電流產生。 p-n結的正面有減反射膜和金屬負電極，背面有金屬正電極。這種現(xiàn)象稱為光生伏特效 11。（ Photovaltic Effect），簡稱為 “ 光伏效應 ” 。 典型的硅太陽能電池的結構和能帶圖 2-2所 示 。 摻有施主雜質的半導體常溫下導帶中的電子數(shù)比摻雜前增多，稱為 n型材料，摻有受主雜質的稱為 p型材料，常見的太陽電池實質上是個面積很大的 p-n結二極管。當太陽光照射到太陽電池上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被太陽電池吸收或透過。被吸收的光，有一些轉換成熱能，另一些能量大于半導體禁帶寬度的光子，穿過減反射膜進入半導體中。在 n區(qū)，耗盡區(qū)和p區(qū)中同硅原子價電子碰撞，將能量傳給價帶的電子，使電子躍遷到導帶，而河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 7 在價帶留下一個空穴，產生了電子一空穴對。這樣，光能就以產生電子一空穴對的形式轉變?yōu)殡娔堋Ｓ捎谠?p型和 n型交界面兩邊形成了勢壘電場，能將電子驅向 n區(qū)，空穴則被驅向 p區(qū)。在 n區(qū)中，光生電子一空穴對產生以后，光生空穴便向 p-n結邊界擴散，一旦到達 p-n結邊界，便立即受到內建電場作用，被電場力牽引作漂移運動，越過耗盡區(qū)進入 p區(qū)，光生電子 (多子 )則被留在 n區(qū)。 p區(qū)中的光生電子 (少子 )同樣地先因為擴散、后因為漂移而進入 n區(qū)，光生空穴 (多子 )留在 p區(qū)。如此便在 p-n結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分除抵銷勢壘電場外，還使 p型層帶正電， n型層帶負電，當有負載接入時，就產生光生電流 (通過電極來收集 )。由 于工藝的發(fā)展，通常在背面制作鋁背場 (BSF： Black surface field)，減少背表面的復合，同時由于重摻雜形成的高低結增加了光生載流子的收集， 提高 了太陽電池的電流電壓。于是就形成了圖 2-2圖 所示的 n+pp+的結構。 （ a）結構圖 （ b）能帶圖 圖 2-2 硅太陽能電池的結構和能帶圖 2.2 太陽能電池的 輸出特性 在效理想情況下，被光照的太陽電池的正負電極間接有負載時，就有直流電輸出。便可以看作是一個恒流源與理想二極管的并聯(lián) 組 11。等效電路圖如 圖 2-3所示。 圖 2-3 太陽能電池等效電路 由 圖 知光電池工作時共有三股電流：光生電流 Iph， 流過理想二極管的電河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 8 流即暗電流為 ID+Ish， ， 流過負載 R的電流 I， 它們有如下?lián)Q算關系 I=Iph-ID-Ish=Iph-I0（ eq（ V+IRs） /AkT-1） -IRs+V/Rsh （ 2-1） 式中 Iph： 光生電流， ID：二極管電流， I0：二極管反向飽和電流， A： 二極管因子 ， q： 電子子電荷， k：玻爾茲曼常數(shù)， T（ k）太陽電池 p-n結溫度 ，Rs和 Rsh分別為太陽電池串、并聯(lián)電阻。并聯(lián)電 阻 Rsh由各種漏電流引起例如，因電池邊緣沾污而引起的漏電流，沿著位錯和晶粒間界的不規(guī)則擴散而形成的漏電流和沿著在電極金屬化處理后由微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細小橋路的漏電流 )，而串聯(lián)電阻心則由擴散薄層的電阻、基片的體電阻、金屬電極和太陽電池問的接觸電阻和金屬電極的體電阻等四者構成 12。 不論是 太陽 能電池還是一般的化學電池，其輸出特性一般都是用如下圖所示的電流 電壓曲線來表示 圖 2-4 太陽能電池的負載特性曲線 由上圖 光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽能電池的四個重要的輸出參數(shù)。 1) 開路 電壓 Voc 當太陽電池外接開 路時 （ R=+） 。 可得到太陽電池的有效最大電壓，即開路電壓 Voc。在開路狀態(tài)下，流經太陽電池的凈電流為 0。在方程 (2-1)中，令 I=0， Rs=0可得到： Voc=AKT/qln(Iph/I0+1) 從中可以看出， Voc的大小與以下因素相關： (1) 光生電流 I舭可以看出， I0的改變量有限，其對 Voc的大小影響也較小。 (2) 向飽和電流 I0在太陽電池中， I0的變化通常可達幾個數(shù)量級，所以它對 Voc的影響非常大。而 I0決定于太陽電池的各種復合機制，所以通常 Voc的河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 9 大小可以用柬檢測太 陽電池的復合大小。 2) 短路電流（ Isc） 當太陽電池的輸出電壓為 0，即外接電路短路時，流經太陽電池體內的電流為短路電流 Isc，對于理想太陽電池，短路電流就等于光生電流 Iph，所以短路電流的大小和以下幾個因素相關聯(lián) 7 ： （ 1）太陽電池的面積。通常在分析時利用短路電流密度概念 Jsc，即單位面積上流過的電流，單位為 A/cm2。 （ 2） 光照強度以及光譜分布。 （ 3）太陽電池的減反射、陷光效果和前表面柵線的遮擋面積。 （ 4）電子收集效率。這主要取決于表面鈍化效果以及少子壽命。如在非常好的表面鈍化和一致的電子 。 空穴 對產生率條件下，短路電流密度為： Js = qG（ Ln+Lp） 式中 G為電子 -空穴產生率， Ln、 Lp分別為電子和空穴擴散長度。 3) 填充因子（ FF） 在光電池的伏安特性曲線任一工作點上的輸出功率等于該點所對應矩形面積，其中只有一點是輸出最大功率，稱為最佳工作點，該點的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓 Vop和最佳工作電流 Iop。 填充因子定義為： FF = VopIop/VocIsc = Pmax/ VocIsc 它表示了最大輸出功率點所對應的矩形面積在 Voc和 Isc所組成的矩形面積中所占的百分比 （ 如 下 圖 2-5） 。特性好的太陽能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽能電池，也就是 Voc， Isc和 FF乘積較大的電池。對于有合適效率的電池，該值應在 0.70 0.85范圍之內 ，一般高的開路電壓可得到高的填充因子 。 圖 2-5 太陽能電池的 I-V曲線和工作點 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 10 4) 太陽能電池的能量轉化效率 表示入射的太陽光能量有多少能轉換為有效的電能。即： =（太陽能電池的輸出功率 /入射的太陽光功率） 100% =（ Vop Iop/Pin S） 100% = VocIscFF/Pin S 其中 Pin是入射光的能量密度， S為太 陽能電池的面積，當 S是整個太陽能電池面積時， 稱為實際轉換效率，當 S是指電池中的有效發(fā)電面積時， 叫本征轉換效率。 轉換效率越高，表示在單位面積上單位輻照強度下能產生更多的電能。其大小與 Voc、 Isc、 FF息息相關。以上的四個參數(shù)是參考太陽能電池好壞的標準，在實際的應用中以上參數(shù)還受工作環(huán)境的溫度的影響，其溫度系 數(shù)的參考數(shù)值為：電壓溫度系 ： -3.2mv/ ；電流溫度系數(shù)： 0.065mA/ ；轉換效率溫度系數(shù)： 6.710-3/ 。 2.3 單晶太陽能電池的制造工藝 太陽能電池片的制造工藝在整個光伏產業(yè)鏈 中屬于中間環(huán)節(jié)，商業(yè)化的單晶硅電池品均效率可達到 17.3%以上，其一般的工藝過程如下 1 ：去表面損傷層 2 ：表面織構化 3 ：擴散前預清洗 4 ：擴散 5 ：去邊結6 ：去磷硅玻璃7 ：制減反膜8 ：制被電極9 ：烘干10 ：制被場11 ：烘干12 ：制前電極 13 ：燒結 14 ：檢測包裝 圖 2-6 單晶電池片制造工藝 注： 1-3稱制絨工藝； 4稱超凈工藝； 5-7稱 K+P工藝； 8-13稱印刷工藝 2.3.1 制絨工藝 目的： 去除硅片表面的雜質殘留，制做能夠減少表面太陽光反射的 陷光結構。晶體硅太陽電池一般是利用原始硅棒經過線切割成硅片，由于在硅片切割過程中鋼線的作用，使得硅片表面有一層 10 20m的損傷層，如 不 將其去除，會形成高的表面復合率。 在太陽電池制備時首先要將硅片表面的油脂河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 11 及損傷層去掉 ， 這可以用氫 氧化鈉溶液 (33%的氫氧化鈉水溶液 )腐蝕和一些有機溶液來實現(xiàn) 13。表面織構化的目的是在硅表而形成陷光結構，使光經過多次反射和吸收。 硅單晶是一種金剛石結構的晶體 ，晶體結構如下。 圖 2-7 單晶硅晶體結構圖 圖 2-7所示由 ABCDCFGH八個硅原子組成的一個空間立方陣， abcdef六個原子是它的面心，這是一個面心立方晶胞。以 R為一個頂角的另一個面心立方晶胞 （ 未畫出 ） 與上述晶胞在對角線 BH上有 1/4的間隔，并以 R原子為中心，由 bce、 cde、 dae、決定的晶面也為 （ 111） 。利用某些腐蝕液對不同晶面的擇優(yōu) 腐蝕，可以在 （ 100） 面上腐蝕出有 4個 （ 111） 面對正方錐來，這種正方錐就是絨面的基本結構。 對于（ 100）的 p型直拉硅片，最常用的擇優(yōu)化學腐蝕劑是 NaOH或 KOH和乙醇的混合溶液，在 80 90 左右的溫度下，進行化學反應。由于生成物 Na2Si03溶于水而被去除，從而硅片被化學腐蝕 14。由于 NaOH或 KOH腐蝕具有個向異性，可以制備成絨面結構，因為在硅晶體中，（ 111） 面是原子最密 排面，腐蝕速率最慢，所以腐蝕后 4個與晶體硅（ 100）面相交的（ 111）面構成了金字塔型的結構， 加入的乙醇可改變單晶硅 (100)晶向腐蝕速率和各向異性因子的數(shù)值 ，其中化學反應式為 2NaOH十 Si十 H20=Na2Si03+2H2 絨面結構，使得硅片表面的反射率大大降。 絨面的微觀結構和反射率下降原理如下 2-8圖： 由于絨面結構，使得硅片表面的反射率大大降低，表面呈黑色 ， 為提高絨面制作的效果（攪蓋率、均勻性和大小），可以在腐蝕液中加入一些添加劑，如加入乙醇或異內酵是為了降低溶液的表面張力，改善溶液和硅片的潤濕性使反應產生的氫氣氣泡快速離開，有助于金子塔的長大。加入含有 PO43-、 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 12 HPO42- 、 CO32-、 HCO3-等離子的化臺物， 是因為這些這些離子能起到降低反應活化能的作用，使金字塔的大小更均勻 15。 制絨工序的好壞不能僅僅從反射率的好壞來考慮，同時還要考慮對后續(xù)工藝的影響，若 金字塔太小 ， 會使印制的漿料小能很好地流入金字塔的底部 ， 造硅片表面和漿料留有空隙，惡化接觸；太大則會對印刷造成困難 。 （ a）絨面微觀結構圖 （ b）反射率降低原理圖 圖 2-8 絨面圖 2.3.2 擴散工藝 太陽能電池的核心是 p-n結，此擴散的目的便是 利用擴散爐形成一定的磷源梯度場和溫度場，將磷原子擴散 到 p型硅片中， 使前表面變成 n型，使 之成為一個 p-n結 。原理如下： POCl3液態(tài)源 通過氣體攜帶 POCl3分子進入擴散爐管，使之反應生成磷沉淀在表層。磷在高溫下滲透入硅片內部形成 n區(qū)，如圖 2-9 （ a） POCL3 液態(tài)源擴散原理圖 （ b）擴散后硅片截面示意圖 圖 2-9 擴散圖 其中的過 程是 在 800 900 時氮氣被通入到 POCl3液態(tài)當中。 飽和的氮氣隨著氧氣在擴散爐中從硅片表面流過 16： 4POCL3 + 5O2 = 2P2O5 + 6Cl2 生成的五氧化二磷在硅片表面形成一層磷硅玻璃 (SiO2-P)，磷 原子會從這 層向硅片深層擴散 ，形成 N區(qū)。反應式如下： 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 13 2P2O5 + 5Si = 4P + 5SiO2 工業(yè)生產太陽電池的擴散方塊電阻在 30 50口之間，均勻度越高 ，說明擴散的效果越好。表面磷摻雜濃度 約 在 11020個 cm3， 結深 0.4 0.6m。參雜濃度是一個折中的結果，這是因為 擴散濃度高，方塊電阻低同時可減小電極與硅 片的接觸電阻，但是這樣又會產生擴散死層，為提高太陽電池的短波相應，磷原子濃度又不需要太高，在之后的燒結工藝中銀漿大約穿透 0.3m的結深。現(xiàn)在工業(yè)太陽能發(fā)展趨勢為：淺結、密柵，高方阻。 2.3.3 刻蝕與鍍膜 工藝 刻蝕的目的便是去除因擴散而形成的邊緣 p-n結。完成擴散后，硅片周邊將不可避免地形成 p-n結，周邊 p-n結的存在將導致電池產生很大的旁路漏電。相當于在電池正負極間連有導線。因此在進行后續(xù)工藝前，必須對硅片周邊p-n結進行去除。當前工業(yè)生產中，周邊 p-n結的去除主要通過等離子刻蝕工藝完成。其原理為 采 用高頻輝光放電反應 使反應氣體激活成活性粒子（ CF4 CF3， CF2， CF， C，以及它們的離子），這些活性粒子與需要被刻蝕區(qū)域 的 Si/SiO2發(fā)生反應，形成揮發(fā)性生成物而被去除 17， 如下圖 2-10。當然過蝕和刻蝕不凈都會降低電池的效率，過蝕會使 p-n結的有效面積減少，相應的接受光照的面積便會減少；刻蝕不凈會使漏電增加，并聯(lián)電阻很小，同時電池使用時會使電池的溫度變得很高，如下圖 2-11。 在刻蝕和鍍膜之間還需要進行一次清洗， 原因有兩方面： 1.在擴散后硅片表面會形成磷硅玻璃 （ PSG） ， 它的存在會影響 硅片與電極間的電學接觸同時也是一層高復合區(qū)。 2.后面的鍍膜工藝需要一個清潔的表面 。 磷硅玻璃的去除工藝為，將刻蝕后的硅片放入 3% 8%濃度的 HF溶液中浸泡 3 5分鐘。反應式為 ： HF + SiO2 H2SiF6 + H2O 圖 2-10刻蝕原理圖 圖 2-11 過蝕圖（ a） 刻蝕不凈（ b） 鍍減反膜 （ PECVD） 目的為 在硅片前表面均勻的鍍上一層高效的減反射河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 14 膜，并對 sc-Si進 行體鈍化 18。 根據(jù)光學原理，為獲得最優(yōu)的減反射，沉積的減反射膜需滿足如下公式： nd=/4， 采 用 PECVD進行 SiNx： H膜制備， n即為沉積的 SiNx： H膜的折射率， d為沉積的 SiNx： H薄膜的厚度， 一般 為 0.550.6m。當制備的鈍化膜折射率為 2.0左右時，需沉積的 SiN： H薄膜厚度相應要求為 70 75nm。完成 S iNx： H減反射鈍化膜的制備，硅太陽電池的表面反射率可從制絨后的 14%左右，進一步降低至 3%以下。 鍍膜設備分管式和板式兩種，管式膜面致密，電池片效率比板式高出0.3%，但與板式相比膜面均勻度差，生產周期長等缺點，商業(yè)化生產大多采用板式鍍膜。 2.3.4 印刷燒結工藝 這一道工序 屬于電池片生產的最后一道工序。 此工序注重與前面工序的協(xié)調性。 目的：在電池上下表面各印上電極圖形，經燒結與硅片形成歐姆接觸。 絲網印刷原理示意圖 如下 2-12，絲網印刷由五大要素構成，即絲印網版、刮刀、漿料、工作臺以及基片 。 圖 2-12 印刷原理示意圖 絲網印刷基本原理是：利用絲網圖形部分網孔透漿料，非圖文部分網孔不透漿料的基 本原理進行印刷。印刷時在絲網一端倒入漿料，用刮刀在絲網的漿料部位施加一定壓力，同時朝絲網另一端移動。油墨在移動中被刮板從圖形部分的網孔中擠壓到基片上。由于漿料的粘性作用而使印跡固著在一定范圍之內，印刷過程中刮板始終與絲網印版和承印物呈線接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，由于絲網與承印物之間保持一定的間隙，使得印刷時的 絲網通過自身的張力而產生對刮板的反作用力 。由于回彈力的作用，使絲網與基片只呈移動式線接觸，而絲網其它部分與承印物為脫離狀態(tài)，保證了印刷尺寸精度和避免蹭臟承印物。當刷頭刮過整個印刷區(qū)域后抬起，同時絲網 也脫河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 15 離基片，工作臺返回到上料位置，至此為一個印刷行程 19。 1、印刷網版： 通常由尼龍、聚酯、絲綢或金屬網制作而成。 網版的主要參數(shù)為：張力，目數(shù)，絲經。現(xiàn)在絲網通常是尼龍制造，張力大約在 311.5N，太大會使彈性應變變小使網版易崩裂，太小又會降低印刷精度。 選擇絲網絲徑及目數(shù)時，要求網格的孔長為漿料粉體粒徑的（ 2.5 5）倍；目數(shù)越低絲網越稀疏，網孔越大，漿料通過性就越好；網孔越小，漿料通過性越差。 圖 2-13 網版外觀和絲網微觀圖 2、刮刀： 刮刀材料一般為聚胺脂橡膠或氟化橡膠，硬度范圍為 邵氏 A60 A90 ，刮板條的硬度越低，印刷圖形的厚度越大 。 刮刀材料必須耐磨，刃口有很好的直線性，保持與絲網的全接觸；刮刀一般選用菱形刮刀，它具有四個刃口，可逐個使用，利用率高 。如下 ： 圖 2-14 刮刀示意圖和實物圖 同時刮刀的速度對印刷圖形也有很大的影響。印刷速度的設定與印刷圖形和印刷用漿料的粘度決定。印刷圖形精密的或粘度較大的速度應當高些，一般正銀印刷可用 200 230mm/s，被鋁印刷可用 230 280mm/s。刮刀角度的設定也與漿料有關；漿料粘度值越高，流動性越差，需要刮刀對漿料的向下的壓力 越大，刮刀角度小；刮刀角度調節(jié)范圍為 45 75。在印刷過程中起關鍵作用的是刮刀刃口 2 3mm 的區(qū)域，隨著印刷時間，刮刀的刃會變的河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 16 不鋒利，也會降低印刷精度，這時需要更換刮條。 3、漿料： 漿料主要包含功能組分（導電材料、玻璃料 (Glass frit)）、有機粘合劑、有機溶劑。其中導電材料主要是大小為 0.1至十幾微米的銀顆粒，占漿料總重的 60%-80%左右；玻璃料主要是氧化物 (PbO、 B203、 Si02、 Bi03、 ZnO)粉末，占總重的 5 10%左右，在導體漿料中，功能組份一般為貴金屬或貴金屬的混合物 20。載體是聚合物在有機溶劑中的溶液。組份決定了成膜后的電性能和機械性能。載體決定了厚膜的工藝特性，是印刷膜和干燥膜的臨時粘結劑。功能組份和粘結組份一般為粉末狀，在載體中進行充分攪拌和分散后形成膏狀的厚膜漿料。燒結后的厚膜導體是由金屬與粘結組份組成的。漿 料的 一些特性有：粘度、可塑性、流動性、粘彈性、干燥性、觸變性。一般粘度過大會增加印刷的難度，相反過小又會降低漿料的可塑性，流動性小的易出現(xiàn)堵網現(xiàn)象。粘彈性越高越好，觸變性要適當，干燥性要求漿料在網版上的干燥越慢越好，在印刷道硅片上后干燥的越快越好。 4： 工作臺和 基片，要求有較好的平正度。同時印刷對周圍環(huán)境要求較高，如清潔度，溫度，濕度等。 燒結原理：固體顆粒具有很大的比表面積，具有極不規(guī)則的復雜表面狀態(tài)以及在顆粒的制造、細化處理等加工過程中，受到的機械、化學、熱作用所造成的嚴重結晶缺陷等，系統(tǒng)具有很高自由能 .燒結時，顆粒由接觸到結合，自由表面的收縮、空隙的排除、晶體缺陷的消除等都會使系統(tǒng)的自由能降低，系統(tǒng)轉變?yōu)闊崃W中更穩(wěn)定的狀態(tài)。這是厚膜粉末系統(tǒng)在高溫下能燒結成密實結構的原因。 標準燒結工藝需要經過低溫、中溫、高溫、冷卻四個階段 21 。燒結爐低溫溫度一般在 400 以內，中溫溫度為 300 700 ，高溫溫度為700 900 。典型的燒結曲線如 下圖 2-15 所示。 在低溫階段，漿料中的有機溶劑和有機粘合劑被蒸發(fā)或被燃燒。在中溫階段 。 銀玻璃料開始熔化， Ag顆粒開始聚合。在高溫階段， Ag、 Si及玻璃料成分發(fā)生反應，形成 AgSi接觸；冷卻時， Ag粒子在硅片表面結品生長。高溫驅動表面 H離予向硅片內部擴散。實際在硅片上發(fā)生的反應溫度遠低于燒結爐設定溫度，有學者研究 Ag與 Si的宴際晟佳反應溫度為 605 。 遠低于Agsi共品點溫 835 ，這可能是由于反麻體系中含有多相成分 (Ag、 Si、 Pb、Bi等 )而使合金熔點降低。實際的燒結爐各溫區(qū)溫度，需要綜合考慮 N層的擴散濃度、漿料成分、減反射膜厚度等諸多因素來設定，如果峰值溫度過低，河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 17 則有部分區(qū)域沒有結晶產生，造成 Rs變大， FF降低；同時燒結的時間影響著結晶顆粒的大小，若帶速過慢， Ag顆粒長大， 玻璃液相 腐蝕硅片加深，容易造成 p/n結穿透， Rsh明顯降低 12。 圖 2-15 典型燒結曲線 鋁背場的形成大致過程為： a） T 577 ，在 P型硅背面采用絲網印刷形成 Al漿層 b） 577 T660 ， Al漿層中的 Al已經全部熔化，形成 Al-Si合金溶液。 d）從最高溫區(qū)冷卻至室溫，從最高溫度冷卻到 577 是，熔體中的 Si含量下降到共晶狀態(tài)下的 12%， Si在硅片上進行外延生長，溶解在 Si、中的 Al外延生長形成 P+層，形成 BSF；當從 577 冷卻至室溫時，余下的共晶成分的熔體在 BSF附近固化，并且在表面形成氧化層 22。 通常 P+層越厚、均勻性越好， BSF作用更明顯。一般增加燒結時間可以使合金層厚度從正常的 3 4um增加到 6 7um， Voc有 4 6mV的提高， Rs略有降低，效率提升約 0.15% 0.20%。 燒結好的銀硅，鋁硅的 SEM圖如下 ： 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 18 （ a） Ag -Si截面 （ b） Al-Si共融相圖 圖 2-16 鋁硅的 SEM 截面圖 2.4 實驗背景和意義 隨著生產技術的進步，晶體硅太陽電池的厚度不斷減薄，從早期的 325m 到 270m，再到 240 220m，而下一步的發(fā)展目標是 180 150m。隨著厚度的不斷變薄，硅片少子體壽命對電池效率的 影響逐步降低，這主要是因為隨著硅片厚度減薄，基區(qū)少子到達 p-n結所需距離變短，這就意味著，即便材料的少子壽命較低，仍然有足夠的擴散長度保證足夠多的少子被 p-n結收集。與之相對應的，電池片上下表面的復合速率對效率的影響逐步增長。改善表面鈍化的質量、降低表面復合速率已經成為提高電池效率的主要手段之一。目前工業(yè)上主要采用鋁背場進行表面鈍化 23。 2.4.1 復合機制 所有處在導帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會回到價帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個空的價帶能級中，所以，當電子回到價帶的同時也有效地消除 了一個空穴。這種過程叫做復合 24。在單晶半導體材料中，復合過程大致可以分為三種 1、 輻射復合 ，輻射復合是 LED 燈和激光這類的半導體器件的主要復合機制。然而，對于由硅制成的陸地用太陽能電池來說，輻射復合并不是主要的，因為硅的禁帶并不是直接禁帶，它使得電子不能直接從價帶躍遷到導帶。 2、 通過復合中心的復合 也被叫做肖克萊 -萊德 -霍爾或 SRH 復合，它不會發(fā)生在完全純凈的、沒有缺陷的材料中。一些雜質和缺陷的存在使禁帶中存在允許許能級，電子從導帶能級豫馳到缺陷能級然后豫馳到導帶，便完成了復合。 這是晶體太陽能電池的主 要復合形式。 3、 俄歇復合 在俄歇效應中，電子與空穴復合時，將多余的能量傳給第二個電子而不是發(fā)光，然后第二個電子通過發(fā)射聲子豫馳回到它初始所在的能級，便完成了一次復合。俄歇復合是重摻雜材料和被加熱至高溫的材料最主要的復合形式 。 2.4.2 鋁背場鈍化原理和提高效率的原因 1、 表面鈍化，降低背表面復合速率，提高少數(shù)載流子的收集率，提高開路電河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 19 壓。 BSF中鋁的濃度在 1 31018個 /cm-3，而在大部分 P型硅中，硼的濃度一般小于 21016個 /cm-3，因此在背表面形成 PP+的高低結阻止少數(shù)載流子在背表面復合 如下圖： 圖 2-17 電池片背表面 pp+結構圖 2、 作為背反射器，增加光程，提高短路電流。 3、 作為電極輸出端，降低接觸電阻，提高轉換效率。 4、 鋁吸雜，提高體壽命。 2.4.3 研究鋁背場的重要意義 鋁背場是晶體硅現(xiàn)代太陽電池普遍采用的，典型的背表面鈍化結構，經過多年的發(fā)展，鋁背場的生產工藝已經趨向成熟、穩(wěn)定，對鋁背場的各項研究也日益深化，這些都決定了在今后相當一段時間內鋁背場仍將被廣泛用于晶體硅太陽電池生產。然而，隨著工藝的不斷發(fā)展，更薄的太陽電池即將出現(xiàn)，這對鋁背場鈍化提出了更高的要求，進一 步研究鋁背場 鈍化 ，是高效太陽電池研究和生產中一個不可忽視的重要環(huán)節(jié)。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 20 第三章 實驗結果與分析 3.1 實驗硅片的選擇 實驗材料選擇 的硅片由 Hareon公司所生產的 p型 太陽能級直拉單晶硅片 電阻率在 0.5 3cm，尺寸為 125mm 125mm，厚度為 200200m。 a) 制絨 制絨采用標準堿腐蝕單晶絨面工藝，出絨率在 95%以上。絨面金字塔尺寸在3 6m之間。 b) 擴散 選擇單面擴散工藝，擴散后方塊電阻為 505/；少數(shù)載流子壽命在 20 50微秒之間。 c) 鍍減反射涂層 采用等離子體增強化 學氣相沉積氮化硅層工藝來形成表面減反射涂層，其厚 度在 80nm左右，鍍膜后硅片 lE面顏色呈現(xiàn)深藍色。 d) 印刷電極 采用的標準絲剛印刷背面銀電極和正面印刷銀電極的工業(yè)太陽電池生產流程。其中正面電極為 45條 12525m寬柵線， 2條 2.0mm寬的主線。 表 3-1 印刷前硅片的重要參數(shù) 制絨減重 擴散方阻 減反膜厚 制絨是否合格 K+P 是否合格 0.5 1.5g 505/ 78-85nm 合格 合格 由于以下的每個實驗都是在印刷段來完成的為保證每個實驗變量的單一性，所以在對傳到印刷段的硅片主要參考 上述的幾個參數(shù)，選擇實驗硅片組的以上參數(shù)要基本相似。 3.2 網版的選擇實驗 1）正柵網版的選擇 。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 21 由于本實驗的最終目的是探究鋁背場鈍化作用的 。 有上一節(jié)我們知道 背場 的印刷在第二道工序，也就是說在印被極和正極之間，為保證印刷 背場 前后其它二道工序的變化，我們對被電極和正柵的印刷參數(shù)和網版進行了固定。 表 3-2 印刷前硅片的重要參數(shù) 被電極印刷 正柵印刷 網版目數(shù) 增重范圍 最高烘干溫度 網版目數(shù) 增重范圍 最高烘干溫度 325 目 0.09 0.12g 150 325 目 0.18 0.22g 無 這兩道工序所用的漿料為 Ferro 公司所推出的 PV3347、 PV159A。 2） 背場 網版的選擇 不同網版具有不同的特性， 背場 網版的好壞對印刷出的 背場 的平整度，厚度，以及 背場 和被極接觸的好壞都有很大的影響，直接影響鋁背場的鈍化效果以及后面的電性能參數(shù) ，為了選擇最佳網版進行接下來的實驗，我們首先進行網版對比選擇實驗 。現(xiàn) 背場 印刷常使用兩種網版， 250目和 280目。 a) 物料準備如下： 表 3-3 物料、儀器及參數(shù)設置表 280 網版張力（ N) 250 網版張力（ N) 32.5 33 33 32.5 33 33 32.5 32 33 33 印刷機臺 意大利 Bacc ini Machine 印刷機，印刷時參數(shù)不變 燒結爐 意大利的 Despatch 九區(qū)快速燒結爐，主要參數(shù)如下 convery speed Dry1 Dry2 Dry3 Frn1 Frn2 Frn3 Frn4 Frn5 Frn6 235mm/min 370 375 380 510 560 610 620 780 910 注：所用的實驗片按上述實驗片選擇方法來取。 b）實驗步驟 方法如圖下： 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 22 圖 3-1 實驗方法示意圖 注： 次兩小組進行對比、收集電性參數(shù)及 Inline實時 數(shù)據(jù)和翹曲度，觀察外觀 c） 實驗結果的記錄和分析： 1 Inline實時 數(shù)據(jù) 的記錄和分析 收集及測量數(shù)據(jù)的儀器為：塞尺電子天平，塞尺的原理是通過不斷增加帶有厚度的標尺疊加起來來算出電池片的翹曲度。 表 3-4 不同網版的彎曲度數(shù)據(jù)記錄表 網版目數(shù) 彎曲度 /mm 平均值 /mm 250 2.05 1.9 2 1.983 280 1.45 1.4 1.45 1.430 表 3-5 不同網版的增重數(shù)據(jù)表 網版目數(shù) 增重（ g） 平均增重（ g） 250 0.9818 1.008 1.002 0.9973 280 0.8264 0.832 0.814 0.8239 注：網距： -1650m， 壓力： 95N 分析 ： 從以上的數(shù)據(jù)可以看出 280 網版 增重 可降低大約 0.17g， 且 明顯的降低電池片的翹曲度，平均降低可為 0.53mm， 這是因為目數(shù)大了，也就意味這單位面積上的網孔數(shù)多了，孔徑變小了。在印刷過程中，當其它參數(shù)一定時，漿料顆粒每次填充在網孔的數(shù)量變小了，所以透過網版的漿料就少了。漿料少了，燒結后鋁背場的厚度就薄了，在電池的冷卻過程中由于鋁背場的熱膨脹系數(shù)與硅的不同而造成的翹曲度減小，因為鋁背場的量變少相 應的應力變小而形成翹曲度減小。 這說明 280 網版可通過降低增重量來減小電池片的翹曲度，以減少在生產過程中的碎片率；同時增重的減小也減小了漿料的河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 23 用量，節(jié)約了成本。但是否 280 網版真的比 250 網版好呢？ 我們還得分析電池片的電性能參數(shù)。 2 電性能參數(shù)的記錄和分析 實驗結果采用德國 BERGER公司的 SCLoad三通道程控光伏電池片伏安曲線模擬測量儀進行測 量 (processor controlled three channel measuring and loadSimulation device for registration of IV curves of PV solar celis according to DIN EN 60904 1： 1993， IEC 904 1)。下 面顯示了 兩組 燒結后電池片測試結果的數(shù)據(jù)圖： 1） 整體效率對比圖 NCell0 . 1 7 00 . 1 7 30 . 1 7 50 . 1 7 82 5 0 - 1 2 8 0 - 1O p e r a t o rN C e l lO p e r a t o r 2 5 0 - 1 O p e r a t o r 2 8 0 - 1 0 . 1 7 4 5 5 80 . 1 7 4 7 9 60 . 1 7 4 3 1M e a n0 . 0 0 1 7 4 40 . 0 0 1 4 90 . 0 0 1 9 4 7S t d D e v8 . 8 7 5 e - 50 . 0 0 0 1 0 60 . 0 0 0 1 4 2S t d E r r M e a n0 . 1 7 4 3 8 30 . 1 7 4 5 8 60 . 1 7 4 0 3 1L o w e r 9 5 %0 . 1 7 4 7 3 20 . 1 7 5 0 0 50 . 1 7 4 5 8 9U p p e r 9 5 %0 . 1 6 2 7 9 30 . 1 6 3 3 3 80 . 1 6 2 7 9 3M i n i m u m0 . 1 7 7 4 5 60 . 1 7 7 1 4 20 . 1 7 7 4 5 6M a x i m u m386197189O b s e r v a t i o n sV a r i a b i l i t y S u m m a r y f o r N C e l lV a r i a b i l i t y C h a r t f o r N C e l l 圖 3-2 電池效率整體對比圖 分析： 效率 為電池片生產中最重要指標之一，通過兩組電池片整體效率對比圖來看 250網版要比 280網版的好些，平均效率高出 0.05%，說明了在現(xiàn)有的燒結工藝下， 250網版印刷的鋁背場對電池片的鈍化效果較好。我們也可以從電池片的其它電性能參數(shù)，如下： 2） 其它電性能參數(shù)對比圖 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 24 圖 3-3 電池片的 Uoc、 Isc、 FF、 Rs整體對比圖 分析： 從開路電壓 Uoc和填充因子 FF來看 250網版要比 280要好， 鋁背場鈍化效果可以根據(jù)以下三個因素進行評定 25： （ 1）鋁背場的結深 （ 2）鋁背場的摻雜濃度 （ 3）鋁背場的均勻性 鋁背場的結深越深，摻雜濃度越大，表面越平整，其鈍化效果越好。 其中鋁背場的結深和鋁背場的印刷質量有關， 增加鋁的印刷質量可以提高鋁背場的結深 ，實驗結果和理論一致， 250 網版鈍化效果好于 280 網版。至于短路電流 Isc 和 Rs，雖與鋁背場有關 但也與正柵燒結和印刷的好壞有較大的關系。所以在此次分析中我們只從 Uoc 和 FF 來判斷鈍化的效果。 3 燒結前后 背場 外觀 燒結前 背場 與被極接觸的好壞同樣影響了電池片的電性能參數(shù)，如出現(xiàn)漏硅現(xiàn)象便會影響被電極對載流子的收集，使短路電流下降。燒結后對電池片的觀進行觀察主要考慮以下缺陷，如：是否有鋁包和鋁珠，粘結性是否良好，鋁背場龜裂是否嚴重。因為這些缺陷不僅會降低 效率還會對后面的組裝過程帶來問題。 表 3-6 背場外觀對比表 網版 外觀品質 250 燒結前后背場平滑，背場與背極接觸良好，粘結力合格 280 燒結前后背 場與背極接觸良好無漏硅等不良現(xiàn)象，燒結后有少量的鋁包出現(xiàn)，且有淺顯的龜裂狀況，粘結力合格 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 25 分析： 分 從外觀品質來看 250 網版要優(yōu)于 280 網版。 280 網版出現(xiàn)少量鋁包和輕微龜裂現(xiàn)象分析原因是，由于背場的漿料較少，并不能很均勻的全部潤濕電池背面，所以燒結后會出現(xiàn)輕微龜裂狀況，同時漿料少會造成漿料不能全部覆蓋線切割所留下的凹槽和少量制絨絨面，從而在漿料下留有氣體，造成燒結時膨脹，引起鋁包。 綜上所述： 250 網版在生產正常電池片時要優(yōu)于 280 網版印刷的鋁背場，所以在下面的實驗中對鋁背場的印刷都采用 280 網版。 3.3 鋁背場 漿料的選擇實驗 不同的 背場 漿料，由于成分不同，相對于需要的燒結工藝也不同，現(xiàn)有兩種不同的 背場 漿料 儒興 8252X，儒興 6080； 為了探究那一款漿料更能在現(xiàn)有的燒結工藝條件下能夠有較好的鋁背場鈍化作用 和較好的電性能。因此 做了這個實驗。 1) 物料選擇及實驗燒結工藝的確定： 根據(jù)選片要求選取一組電池片，共 400片，分四組 ； 網版采用 250網版，實驗方法如下 圖 ： 一組 400 片前半組 200 片使用漿料 6080 - 2 2 R 4印刷背場后班組 200 使用8252 漿料印刷背場 圖 3-4 實驗方法圖 不同的漿料應有相應的燒結工藝。 由于燒結溫度的設定較復雜，不僅僅考慮鋁背場燒結的好壞，還要考慮正柵燒結情況和前面工序的 影響，所以燒結工藝是不經常動的，下面的燒結工藝是工廠里經過多次調配而得，所以只能選擇一個較好的漿料來與之對應。 實驗燒結溫度工藝的選擇如下表 表 3-7 燒結參數(shù)設置表 Converyor Dry1 Dry2 Dry3 FRN1 FRN2 FRN3 FRN4 FRN5 FRN6 233mm/min 330 335 340 510 560 610 620 780 930 2） 實驗結果的記錄和分析。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 26 a） 電性能參數(shù)的記錄和分析 0 . 1 70 . 1 70 . 1 70 . 1 70 . 1 70 . 1 80 . 1 80 . 1 8Run Chart of NCell29 58 87 145 203 261 319 377S a m p leR u n C h a r t o f N C e l l 圖 3-5 整體 效率走勢圖 從上圖 效率走勢來看新?lián)Q網版后的前幾片 效率偏低，可能是換網版后檫試網版、增重不穩(wěn)定等因素造成，因此 為真實的反應不同漿料對電性能的影響 可將這幾片去掉 。去掉后的電池效率的比較圖如下 NCell0 . 1 6 50 . 1 7 00 . 1 7 56080 8252O p e r a t o rN C e l lO p e r a t o r 6 0 8 0 O p e r a t o r 8 2 5 2 0 . 1 7 3 2 8 20 . 1 7 3 3 3 20 . 1 7 3 2 2 7M e a n0 . 0 0 2 9 0 90 . 0 0 2 4 5 30 . 0 0 3 3 4 7S t d D e v0 . 0 0 0 1 5 20 . 0 0 0 1 7 70 . 0 0 0 2 5 4S t d E r r M e a n0 . 1 7 2 9 8 30 . 1 7 2 9 8 30 . 1 7 2 7 2 6L o w e r 9 5 %0 . 1 7 3 5 8 10 . 1 7 3 6 8 20 . 1 7 3 7 2 8U p p e r 9 5 %0 . 1 4 3 5 4 50 . 1 6 3 3 30 . 1 4 3 5 4 5M i n i m u m0 . 1 7 8 1 0 10 . 1 7 8 1 0 10 . 1 7 7 8 3 5M a x i m u m366192174O b s e r v a t i o n sV a r i a bi l i t y S um m a r y f or N C e l lStd Dev- 0 . 0 0 0 500 . 0 0 0 50 . 0 0 10 . 0 0 1 50 . 0 0 20 . 0 0 2 50 . 0 0 30 . 0 0 3 56080 8252O p e r a t o rV a r i a bi l i t y C ha r t f or N C e l l 圖 3-6 去除異常點效率比較圖 從 上 圖去除前幾片 后 的 不同漿料效率對比來看，兩種漿料的電池片的效率基本相同，也就是說兩種 漿料對效率的貢獻上是相差不多的，也就是說兩種漿料對硅片的鈍化作用相同。我們也可從以下兩方面得到驗證。其它重要河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 27 電性能參數(shù)的對比 如下： Isc5 . 3 55 . 4 05 . 4 55 . 5 05 . 5 56080 8252O p e r a t o rV a r i a b i l i t y C h a r t f o r I s c 圖 3-7 開路電壓和短路電流對比圖 從上圖看出 Uoc 和 Isc 也基本相同，也證明兩種漿料在發(fā)揮鈍化和其它作用上 相當。 b） 電致發(fā)光 測試分析 通過 EL（ Electroluminescence） 圖像的分析可以有效地發(fā)現(xiàn)硅片、擴散、鈍化、網印及燒結各個環(huán)節(jié)可能存在 的問題 ,對改進工藝、提高效率和穩(wěn)定生產都有重要的作用，因而太陽電池電致發(fā)光測試 儀被認為是太陽電池生產線的“ 眼睛 ”。 太陽電池的電致發(fā)光亮度正比于少子擴散長度，正比于電流密度 ，也就是說鈍化作用好的電池片，少子擴散長度較長 ，亮度較高。兩組不同的漿料進行 EL 圖觀察， 下圖為兩組電池片中抽取的兩片電池的 EL 圖。 a 儒興 6080 b 儒 興 8252X 圖 3-8 兩種漿料的 EL 對比 Uoc0 . 6 1 80 . 6 2 00 . 6 2 20 . 6 2 40 . 6 2 60 . 6 2 80 . 6 3 06080 8252O p e r a t o rV a r i a b i l i t y C h a r t f o r U o c河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 28 從圖上分析兩種漿料的電池片亮度較好且均勻，無明顯燒結缺陷。說明兩種漿料都能很好的適應當前的燒結工藝。下圖為燒結后 儒興 6080 的電池片剖面圖 圖 3-9 電池片截面 SEM 圖 從上圖的 SEM圖可看出鋁背場燒結后的微觀結構，由外至內分布著四個層： Al漿層； Al-Si合金層； BSF層；體 Si層，因為 BSF在 SEM圖上不清晰，故無法準確判斷 BSF在圖中的起始位置。鋁背場常見的缺陷有鋁包和鋁珠出現(xiàn)，原因： 一是在液體和氣體界面的表面張力過高引起，這可以通過添加 Pb或 Mg等添加 劑以犧牲太陽電池的其它性能為代價來減少 Al漿的表面張力，或者通過低溫高溫燒結辦法來解決，具體辦法是在 Al漿烘干后在 530 下熱處理，然后再在鋁層以上印刷 Ag-Pd，在 700 以下熱處理 10分鐘，也可以在 N2中采用快冷阻止鋁珠形成。二是漿料中的有機溶劑或者氣體在燒結的過程中局部受熱不均或者揮發(fā)不完全形成的，形成的工藝條件可能是：（ 1）絨面造成印刷后的鋁漿沒有完全接觸硅片表面，硅片和漿料之間留有空氣；（ 2）燒結后產生鼓包為不均勻印刷的漿料太薄；（ 3）網版引起漏漿；（ 4）硅片表面不潔凈，印刷后被直接覆蓋在 Al漿 以下，漿料攪拌時間過長導致發(fā)熱，有機溶劑揮發(fā)使?jié){料中產生了很多氣泡。 3，在外觀方面的對比 表 3-8 燒結后電池外觀對比表 漿料 8252X 6080 外觀品質 燒結后背場接觸良好， 少量 鋁包 燒結后無龜裂，接觸良好， 少量 鋁包 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 29 表 3-9 燒結后電池片翹曲度的對比表 漿料類型 彎曲度 /mm 平均值 儒興 6080 1.30 1.55 1.45 1.40 1.40 1.42 儒興 8252X 2.00 2.10 2.05 2.35 2.00 2.10 從 以上兩 表中可看出 6080 在彎曲度上比的 8252 有 0.59mm 的降低 ，其它外觀相當，彎曲度的降低有助于減少電池片制造過程中的碎片率，所以從這一點說儒興 6080 性能要比 8252X 要優(yōu)越。 綜合次試驗整體來看在現(xiàn)有的燒結工藝下，選用儒興 6080 鋁背場漿料既能得到很好的鈍化效果以得到 好的電池效率還能較好的減小電池片的翹 度。所以這次試驗儒興 6080 是一個較好的 背場 漿料。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 30 結 論 ： 1. 250 網版在電池電性能上要好于 280 網版， 如電池效率、開路電壓、和短路電流， 但 280 網版在減少電池片的翹曲度上有明顯作用 。 2. 在選用 背場 漿料上 儒興 8252X， 儒 興 6080 在現(xiàn)有的燒結工藝下都能得到較好 的電性能參數(shù)，也就是說兩種漿料都能有較好的鈍化作用 。但 儒興 6080 能得到更好的電池外觀。 3. 綜合考慮，在試驗中采用 250 網版和 儒興 6080 在現(xiàn)有的燒結工藝條件下能得到較好的鈍化作用和電池性能參數(shù)及電池外觀。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文） 31 參考文獻 1 北京華研世紀產業(yè)咨詢有限公司 中國產業(yè)發(fā)展研究中心 . 2009-2012年太陽能光伏行業(yè)發(fā)展預測與投資分析 .2009.8: 83 88 2 S.R.Wenham M.A.Green M.E.