晶体硅太阳电池片弯曲度研究进展

1、晶体硅太阳电池片弯曲度研究进展摘要：在介绍铝硅相图、铝背场形成过程以及铝背场结构的根底上，阐述了丝网印刷晶体硅太阳电池弯曲度产生的原因，介绍了目前国内外解决晶体硅太阳电池弯曲度的几种方法，最后提出改变浆料成分是解决弯曲度的最正确方法。关键词：铝硅相图铝背场弯曲度1. 引言目前，晶体硅仍然是最主要的太阳电池材料，市场份额约为90 %。太阳电池生产本钱的50 %以上来自于硅材料，减薄硅片是电池生产厂商降低生产本钱的主要手段之一。硅片的厚度从最初的300卩m卩m到现在的200卩m ,并且向150卩m或更薄化开展，且工艺根本 上都采用丝网印刷和烧结来制备。由于硅片减薄，烧结过程中，电池片容易发生弯曲，

2、而弯曲的电池片在后续工艺中容易破碎，降低成品率，增加电池生产本钱。 因此，减小薄片晶体硅太阳电池弯曲度已经成为太阳电池开展急需解决的问题。目前，国内外关于薄片晶体硅弯曲度已经有一系列报告。2. 铝背场的形成过程2.1铝背场的形成过程为了更好的了解弯曲度产生的原因，本文将结合电池片传统烧结曲线、铝硅合金相图以及烧结时背场成分变化，介绍铝背场形成的微观机制，如图1-3所示。图1为传统晶体硅太阳的电池烧结曲线，该曲线主要由烘干区、烧结区以及冷却区3个局部组成。对应这三个组成局部铝背场的形成过程可以分成六个阶段：第一阶段，有机溶剂溶剂挥发，如图3 (1)所示，温度范围100200 C。生产晶体硅太阳电

3、池的铝浆通常由1到10卩m的超细铝粉、玻璃粉、有机粘合剂以及有机溶剂四局部组成。 在烘干阶段，铝浆中的有机溶剂大量挥发，从而使印刷在硅片外表的铝浆成为一种多孔的结 构，该多孔的结构由有机粘合齐U粘结在硅片的外表，铝浆的印刷量一般在0.7mg/cm2 ,厚度在40 m左右；第二阶段，铝融化侵蚀硅片外表，如图3 (2)所示，温度在铝的熔点 660 C,如图1中的第一个平台。此时，接触硅片外表的液态铝沿着相图中的红线即液相线随着温度的升高由 2点开始向上移动，在硅片的局部区域形成液态铝硅合金；第三阶段，铝硅的质量传输，随着温度由相图中的 2点移至3点，合金中的硅的含量逐 渐升高，铝硅进行着质量的传输

4、， 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，见图 3 3所示。k>r电也和£匸1:9習十11口|1甲?M b f-ll阳*T ?|77*CBOOTOO'SWLARZvOMwww solafzoom COJ B5图1:传统太阳能电池片烧结曲线Atomic WXhzwM4ww.«olarzconi QOQOO 0OQ-O o o & o 5 o i 0 o 9 o图2 :铝硅二元相图第四阶段，峰值温度阶段，在此阶段，铝硅液态合金相中硅的含量到达最高，接近30%，且液态相贯穿整个硅片外表；第五阶段，冷却阶段，此时合金中铝硅

5、的质量传输方向和第三阶段相反，合金的成分沿液态线由4点向3点移动，液态合金中的硅向硅片外表传输，在硅片外表外延生长，含有少 量的铝，形成硅的铝掺杂；T 二 MFCMk4r申 dJU Sun at atoning1 2.T=7fflTC亠_严.APST WCS*LARZi?OM#ww solarzcom.cam图3 :铝背场的形成过程图4:铝背场的扫描电镜照片第六阶段，凝固阶段，温度在铝硅共晶温度577 C,对应相图中的6点，此时，铝硅合金中硅的成分到达共晶成分，约占12%，形成完整的铝背场，同时在铝硅合金前外表外延生长了一层再结晶的铝。图 4为经过HF酸以及HNO3腐蚀后的铝背场的扫面电镜照片

6、1。3. 弯曲度形成的原因3.1弯曲度形成的原因太阳能电池晶体硅片弯曲度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 X 10-6k-12，硅的线膨胀系数只有 3.5 X 10-6k-1 ,随着温度的降 低，铝硅的收缩远远大于硅片的收缩，使硅片外表承受一种压应力，从而产生弯曲度。而弯曲度的形成时间是从第六个阶段以后产生的，因为，在第六个阶段以前，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外表加载，只有当铝硅液相转变成固体状态以后，才能承受这种应力，从而产生弯曲度。3.2弯曲度的理论模型R.J. Roark

7、3采用简化的一维二层模型对弯曲度进行了分析，弯曲度的表达式如下:亦4+6佥+4虫卄虽分 +鼻生 牡 心 E* d# E五S*LARZi£W(1)wwA.solarzc0m 其中，其中S为弯曲度；L为电池片宽度；a Si, a Al，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, dAI，分别为硅层和铝层的厚度；ESi, EAI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、铝层和硅层的厚度、铝硅熔体共晶温度、铝层和硅层的弹性模量和热膨胀系数。4. 目前解决弯曲度的根本方法4.1铝背场湿重云南师范大学太阳能研究所的申

8、兰先4研究了铝浆湿重对电池片弯曲度的影响，实验在170卩m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，当二道铝 浆厚度从27m降至20m时，弯曲度由1mm降为0.75mm。德国康斯坦茨大学物理系的 A.Schneider也对此进行了研究5，发现当铝浆印刷厚度由 50降至30 i m以下时，电池片的 弯曲度都保持在1mm以下，但是当印刷厚度降至35 i m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，局部硅片外表没能形成铝背场，增加了背外表复合。4.2烧结温度目前关于烧结工艺对电池片弯曲度的研究较少。

9、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6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度的影响，实验以AlSi共晶点温度577C为分界点，将降温过程分为高温段和低温段。研究结果说明，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，如图5所示。在高于 AlSi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，说明该 温度段下降温速率对电池片弯曲的影响更大，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

10、高，当峰值温度超过800 C以上时，弯曲度急剧增加，见图6;对于保温时间对弯曲度的影响，发现比照无预处理，铝熔化前的保温处理，电池片的弯曲度减小了， 铝熔化后的保温那么使电池片 弯曲度增大，且预处理温度越高，弯曲度的增速越快，如图7。这说明，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，那么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。LARZWM SQlarzoam.cofn图5:升温速率对电池片弯曲度影响ww w.ol arzaom

11、图6 :烧结温度对电池片弯曲度影响LO»#LARZWMwww fiolarzcom com图7 :不同温度保温对电池片弯曲度影响4.3冷冻法Huster2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(100-200Gpa ),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。Huster2发现，当电池片从共晶温度冷却至室温时，在共晶温度到300 C铝层发生的是弹性变形，当温度从300 C冷却至150 C

12、时，开始发生局部塑性变形，当冷却至室温时，由于弹性变形导致0.4%的变化，塑性变形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 50C,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到达1.1 %，电池片恢复平整，图6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本钱。4.4浆料成分Mario Bahr7等比拟了五种不同的铝浆，研究了它们对电池电学性能和弯曲

13、上的影响， 发现有一种铝浆，在硅片厚度只有100卩m时，电池片弯曲度仅为2mm ,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外表钝化的要求。S.Kim等8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，这种铝浆中参加了特殊的添加剂，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、铝浆中的玻璃体和添加剂等对电池片弯曲亦有影响。A.Schneider5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

14、响要大。可惜，这些研究都只是公开了结果，关于其微观机制和原理未作介绍。4.5电池设计rnnnnnnj AS l g11L.OUUUU solarzoom.fjCim图9: C.Kohn设计的背电场结构上述的简化模型中，没有考虑前接触前电极和栅极对电池片弯曲的影响。实际上，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.Schneide5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，银覆盖率的增加伴随着光入射面积的减小，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本钱。

15、C.Kohn等9根据模型计算，设计了一种优化的背接触结构，如图9所示。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10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外表， 从而使得背外表复合增加，电池性能恶化。5. 结论目前关于弯曲度的研究，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度的影响最大，选择适宜的浆料可以完全消除电池片的弯曲度；2铝浆湿重也可以明显改善电池片的弯曲度，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

16、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，增加了生产本钱；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局部电性能。需要说明的是，目前，关于浆料成分对电池片弯曲度的影响，只见了研究结果，关于其微观机制和原理未作介绍，后期可着重从铝浆成分，比方超细铝粉直径大小，粘结剂、玻璃粉成分和比例这方面对其进行系统研究。本文作者杨江海，蒋忠伟，叶雄新，祁嘉铭，孙小菩，彭华 单位：东莞南玻光伏科技参考文献【1 】。 Mario Bahr, stef

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