一种晶体硅太阳能电池烧结方法与流程

1.本发明涉及太阳能电池的制备方法领域，特别是一种晶体硅太阳能电池烧结方法。


背景技术：

2.烧结工艺作为晶体硅太阳能电池生产过程中的最后一道工序，涉及光学、热学和半导体材料等多门学科，主要研究金属材料与硅材料之间的熔合、扩散问题。由于正电极的银栅线和铝背场(bsf)比较薄，且属于不同的金属材料，正反两面形成合金的温度存在很大差别。目前，工业生产晶体硅电池用的烧结炉为银－铝共烧型。因此，把握好烧结温度及烧结时间，使硅与金属浆料之间形成良好的欧姆接触，是制造高效晶体硅电池的关键技术。对于晶体硅太阳能电池的烧结工艺，有研究提出了银硅烧结过程的动力学模型，且在许多文献中都论证了该模型的正确性。在晶体硅太阳能电池的产业化发展过程中，链式烧结炉和管式烧结炉是技术最为成熟的烧结设备，其中，美国despatch公司的烧结炉和美国thermal processingsolutions公司的tps链式烧结炉占据了国际主要市场。在烧结工艺方面，广泛采用高温快速烧结，其工艺简单，便于规模化生产。目前被普遍认同的烧结曲线有平台型和陡坡型。
3.快速烧结工艺是将印刷在电池片表面的金属电极在烧结炉内快速烧结形成良好的电接触。金属浆料经烘干排焦后，收缩为固状物并黏附在硅片上，而浆料中玻璃粉具有腐蚀氮化硅膜的作用，使金属浆料直接与硅接触。所谓的烧结过程是，金属电极和硅片相互形成合金的过程，当金属电极材料与硅材料加热到共晶温度时，硅原子以一定的比例扩散到熔融态的合金材料中。当温度降低，系统开始冷却形成再结晶层，已经扩散到金属电极材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，即在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层。若该外延层内含有足量且与原晶体材料导电类型相同的杂质成分，则金属与晶体硅形成欧姆接触。
4.由于烧结工艺的优劣直接影响太阳能电池的光电转换效率，选择合理的烧结工艺显得尤为重要。陡坡型曲线的温度上升缓慢，平台型曲线的温度先平缓后突然上升，具体选择哪种烧结工艺曲线，一定要结合烧结炉的特性和工艺特点，特别要考虑扩散后方块电阻的高低。平台型烧结曲线的烧结炉具有快速升温和维持恒温的能力，同时，高方阻浅结结构与平台型烧结曲线较匹配。对于tsp链式烧结炉，其硬件性能不具备一定的优势，平台型烧结曲线不一定是理想选择。
5.因此，需要对晶体硅太阳能电池烧结方法进行进一步的改进。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种晶体硅太阳能电池烧结方法，能够提高太阳能电池的光电转化率。
7.选用2批各200片p型单晶硅，尺寸为156mm x 156mm，电阻率为0.5～3.0ω
·
cm，厚
度为(200
±
20)μm，扩散后方块电阻为(65
±
3)ω，少子寿命大于6μs，氮化硅膜厚为80～8 5nm，折射率为2.00～2.05。样品经过清洗制绒、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃(去p sg)、镀减反射膜(pevcd)、印刷电极、背场等常规生产工艺流程后进行烧结。其中，背面电极印刷选用儒兴rx-61041银浆，背电场印刷选用儒兴rx-8252x铝浆，正面电极印刷选用三星pa-sf8521银浆。
8.为达到上述发明的目的，提供了一种晶体硅太阳能电池烧结方法，包括以下步骤：
9.s1：设置烧结炉传送履带匀速将印刷有铝浆和银浆的电池片送入烧结炉中，分别按照平台型和陡坡型烧结工艺曲线进行温度设置，为便于对比两种种烧结工艺，烘干区的温度保持一致，只对烧结区的温度进行优化调整，特别是后区需快速升温，实现从平台型向陡坡型的转变；要说明的是，tps链式烧结炉的前7个温区只有上灯管输出功率的比例，且与对应温区的温度设置有关，这里不做具体规定；后2个温区的温度由上、下灯管输出功率的比例共同控制，对电池片正面和背面进行协调性烧结，需对其进行具体设定；
10.s2：实际温度的测试：由于烧结炉各温区的设定温度与炉内实际烧结温度存在一定的差别，可认为设定的烧结温度只是一种表面现象，因此烧结工艺要了解炉内实际的温度；为准确掌握tps烧结炉的实际烧结温度，实验借助温度测试仪获取炉内实际烧结温度，烧结炉内实际温度确实不等同于工艺设定温度，且差别较大，但与对应的温度设定基本吻合，陡坡型烧结曲线对应温度高于平台型烧结曲线的对应温度；陡坡型烧结曲线的温度持续上升，表明炉内温度持续升高，电池片充分加热，金属浆料与硅在液态时充分熔合、扩散，然后进入冷却区快速降温，最终形成良好的欧姆接触；而平台型烧结曲线中低温持续时间较长，直到后区时才突然升温，炉内实际温度并未达到工艺所需的烧结温度，导致电池片在高温区的时间较短，使金属与硅不能充分熔合并形成良好的欧姆接触；此外，烧结温度过低致电池片欠烧，出现短路电流不理想、串联电阻过大，最终影响电池的填充因子和光电转换效率的提升。
11.进一步的，步骤s1中的烧结炉传送履带速度为609.6cm/min。
12.本发明一种晶体硅太阳能电池烧结方法跟现有技术相比具有以下优点：
13.陡坡型烧结工艺能使太阳能电池片正面栅线和背面电场与硅形成良好的欧姆接触，降低了硅与银浆、铝浆的接触电阻，增加了少数载流子寿命，改善了电池填充因子，增强了电池正面栅线收集电流的能力，最终光电转换效率有了一定的提升。
具体实施方式
14.以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。
15.选用2批各200片p型单晶硅，尺寸为156mm x 156mm，电阻率为0.5～3.0ω
·
cm，厚度为(200
±
20)μm，扩散后方块电阻为(65
±
3)ω，少子寿命大于6μs，氮化硅膜厚为80～8 5nm，折射率为2.00～2.05。样品经过清洗制绒、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃(去p sg)、镀减反射膜(pevcd)、印刷电极、背场等常规生产工艺流程后进行烧结。其中，背面电极印刷选用儒兴rx-61041银浆，背电场印刷选用儒兴rx-8252x铝浆，正面电极印刷选用三星pa-sf8521银浆。
16.设置烧结炉传送履带以609.6cm/min的速度匀速将印刷有铝浆和银浆的电池片送入烧结炉中，分别按照平台型和陡坡型烧结工艺曲线进行温度设置，为便于对比两种种烧
结工艺，烘干区的温度保持一致，只对烧结区的温度进行优化调整，特别是后区需快速升温，实现从平台型向陡坡型的转变。要说明的是，tps链式烧结炉的前7个温区只有上灯管输出功率的比例，且与对应温区的温度设置有关，这里不做具体规定；后2个温区的温度由上、下灯管输出功率的比例共同控制，对电池片正面和背面进行协调性烧结，需对其进行具体设定。
17.实际温度的测试：由于烧结炉各温区的设定温度与炉内实际烧结温度存在一定的差别，可认为设定的烧结温度只是一种表面现象，因此烧结工艺要了解炉内实际的温度。为准确掌握tps烧结炉的实际烧结温度，实验借助温度测试仪获取炉内实际烧结温度，烧结炉内实际温度确实不等同于工艺设定温度，且差别较大，但与对应的温度设定基本吻合，陡坡型烧结曲线对应温度高于平台型烧结曲线的对应温度。陡坡型烧结曲线的温度持续上升，表明炉内温度持续升高，电池片充分加热，金属浆料与硅在液态时充分熔合、扩散，然后进入冷却区快速降温，最终形成良好的欧姆接触。而平台型烧结曲线中低温持续时间较长，直到后区时才突然升温，炉内实际温度并未达到工艺所需的烧结温度，导致电池片在高温区的时间较短，使金属与硅不能充分熔合并形成良好的欧姆接触。此外，烧结温度过低致电池片欠烧，出现短路电流不理想、串联电阻过大，最终影响电池的填充因子和光电转换效率的提升。
18.对于tps链式烧结炉，采用陡坡型烧结工艺，电池片的各项电性能参数均优于平台型烧结工艺的。其中，开路电压、短路电流分别只有1ma和4ma的提升，提升不明显。最明显的改善是串联电阻、并联电阻以及填充因子，串联电阻降低0.49mω，并联电阻增大153.79ω，填充因子提高0.46％，最终电池片的光电转换效率也有了一定的提升，从18.70％提升至18.8 1％，提升了0.14％，平均单片的功率提升0.035w。这是由于陡坡型烧结温度较高，烧结后正面电极、铝背场结深增加，少数载流子的有效扩散长度增加而降低了其复合速率，少数载流子的寿命增加、短路电流得到提高。同时，良好的欧姆接触使电池串联电阻减小而并联电阻增加，有效改善了填充因子，从而获得较高的光电转化率。
19.通过实验对比和数据分析，得出采用陡坡型烧结工艺，电池片的各项电性能参数均优于平台型烧结工艺的。说明陡坡型烧结工艺能使太阳能电池片正面栅线和背面电场与硅形成良好的欧姆接触，降低了硅与银浆、铝浆的接触电阻，增加了少数载流子寿命，改善了电池填充因子，增强了电池正面栅线收集电流的能力，最终光电转换效率有了一定的提升。同时，说明陡坡型烧结工艺更适用于tps烧结炉，这对于工业生产中烧结工艺与设备匹配性研究有一定的参考。
20.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
21.在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。
22.在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
23.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
24.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。