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太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析[1]


第 20 卷第 22 期 2008 年 11 月

系 统 仿 真 学 报? Journal of System Simulation

Vol. 20 No. 22 Nov., 2008

太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析
孙国辉1,2,晏石林1,陈 刚1
(1.武汉理工大学理学院, 武汉

430070;2.万向集团技术中心, 杭州 311121)

摘 要: 在太阳电池的生产中,由于硅材料与各种电极浆料热膨胀系数不匹配,导致太阳电池在烧 结过程中产生残余应力,严重影响到产品质量和成本。采用有限元法对电池电极烧结过程进行数 值模拟研究,分析由于硅与电极热膨胀系数不匹配引起的弯曲问题以及电池片烧结过程中产生的 残余应力分布情况。讨论了硅片层厚度和铝背场厚度对电池片弯曲度的影响,并对电池片在不同 弯曲度下的应力状态进行了分析,对如何提高产品的成品率提出了改进措施。 关键词:一次能源(48060) ;太阳电池;铝背场;热应力 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1004-731X (2008) 22-6103-03

Numerical Simulation on Sintering Process of Solar Cell Electrode and Aluminum-Alloyed Back Surface Field
SUN Guo-hui1,2, YAN Shi-lin1, CHEN Gang1
(1. School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. WanXiang Group Technical Center, Hangzhou 311121, China)

Abstract: In the production of the solar cells, since the mismatch of heat expansion coefficients between silicon and various electrode materials, the residual stresses thus caused during the sintering process have significant influence on the quality and the cost of the products. Numerical simulation was carried out on the sintering process of the cell electrode by the finite element method, to analyze the bend problem and to obtain the distribution of residual stress. The impact was discussed on the thicknesses of silicon material and aluminum-alloyed back surface field on the bend level of the cell, and the stress state of cells under different bend levels was investigated, hence advanced measures to enhance finished product rate were proposed. Key words: primary energy; solar cell; aluminum-alloyed back surface field; thermal stress



言1
由于太阳电池具有能量无穷无尽、无污染、能在用电的

积在硅片表面上铝的厚度对电池特性的影响, 他们是通过用 丝网印刷一层相对厚的和相对薄的铝浆在硅片上, 然后在相 同的温度下进行烧结, 比较不同厚度铝背场对电池特性的影 响。 由于硅片和电池电极热膨胀系数不匹配, 在电池片烧结 工艺中产生残余应力,使电池片发生弯曲,导致部分电池片 在焊接工艺和封装过程中碎裂。针对这一问题,本文采用有 限元法对电池电极烧结过程进行数值模拟研究, 分析由于硅 与电极热膨胀系数不匹配引起的弯曲问题以及电池片烧结 过程中产生的残余应力分布情况。 讨论了硅片层厚度和铝背 场厚度对电池片弯曲度的影响, 并对电池片在不同弯曲度下 的应力状态进行了分析, 对如何提高产品的成品率提出了改 进措施。

现场发电等优点, 所以自从五十年代太阳电池作为能源应用 于宇航技术以来,太阳电池的技术得到非常快速的发展[1-2]。 现在太阳电池的种类已有很多, 但是晶体硅太阳电池一直占 主导地位。从现在的商业太阳电池来看,为了降低太阳电池 的成本,提高效率,生产厂家在不断减小硅片的厚度,以降 低原材料的价格。然而,薄片技术的发展对设备和工艺提出 了更高的技术要求: 一方面要求硅片在切割过程中减少产品 破损率; 另一方面要求从硅片到电池片的生产工艺包括丝网 印刷和烧结过程能提高成品率[3]。 从上个世纪80年代以来, 许多研究者对电池片的烧结温 度以及铝背场厚度对电池片性能的影响做了大量的研究, 试 图通过实验研究量化实验与理论之间的关系。J.D. Alamo [4] 等人研究了铝背场峰值温度(650~825℃之间)对铝背场背 表面复合速度的影响, 研究结果表明峰值温度对铝背场背表 面复合速度的影响不大。Amick[5] 等人研究了在烧结之前沉

1

分析模型与参数
分析所取硅片几何尺寸为 125mm x 125mm,铝背场和

硅片层厚度分别为 8?m 和 220?m。由于上电极电丝网的覆 盖面积小,且成栅状,对电池片弯曲的影响可不考虑。电池 片简化为硅铝层合板, 采用非线性层合壳单元 shell181 模拟, 银电极宽 2mm,厚 30?m,采用三维梁单元 beam188 模拟。 本文采用的有限元分析软件是 ANSYS 10.0,电池片的几何 结构模型和有限元分析模型分别如图 1 和图 2 所示。

收稿日期:2007-07-10 修回日期:2008-07-22 作者简介:孙国辉(1963-),浙江杭州,研究生,高工,研究方向为太阳 电池工艺力学;晏石林(1963-),湖北武汉,博士,教授,研究方向为复 合材料工艺力学;陈刚(1976-),湖北武汉,博士,讲师,研究方向为计 算材料学。

? 6103 ?

第 20 卷第 22 期 2008 年 11 月 y

Vol. 20 No. 22





仿







Nov., 2008

o 电极

x 电丝网 硅片 铝背场

图 3 电池片的弯曲变形云图

图 1 电池片结构模型

图 4 电池片中硅材料层第一主应力分布云图

由于不同生产厂家生产的电池片中硅片层和铝背场厚 度不一,电池片的成品率也存在较大差异。本文通过讨论硅 片层厚度和铝背场厚度对电池片弯曲度的影响, 并分析电池 片在不同弯曲度下的应力状态, 探索减小电池片弯曲度以提 高成品率的改进措施。
图 2 电池片有限元分析模型

图 5 给出了硅片层厚度与电池片弯曲度的关系曲线, 从 图中可以看出, 随着硅片层厚度的增加电池片弯曲度逐渐减 小,硅片层厚度与电池片弯曲度基本呈线性关系。硅片层厚 度为 200? m 时, 电池片弯曲度为 2.66mm, 当硅片层厚度增 加为 250? m 时, 对应的电池片弯曲度为 1.73mm。 也就是说, 硅片层厚度对电池片弯曲度的影响较大,硅片层厚度增加 10%,电池片弯曲度减小 14%。
2.8 2.8

烧结工艺是将印刷在电池片正面电极, 背面电极以及 背电场集中在一起通过烧结炉烧结完成其表面电接触。 丝 网印刷电极浆料通常采用三种,即银浆、铝浆和银/铝浆。 银的尖峰烧结温度在 720-830℃之间,铝的尖峰烧结温度 在 720-750℃之间, 银铝电极的尖峰烧结温度在 625-850℃ 之间。银—硅合金最低共熔点温度为 830℃,但适宜的烧 结温度需要由实验决定 [6]。 电池片烧结过程可分为升温过 程和降温过程, 升温过程材料处于熔体状态不会产生残余 应力,本文中不予考虑;降温收缩时产生的应力使得电池 片发生弯曲,本文考虑降温过程为从温度 830℃降温到室 温。表 1 给出了硅、铝和银的弹性模量、泊松比和热膨胀 系数。
表 1 硅、铝和银的弹性模量、泊松比和热膨胀系数 材料参数 硅 铝 银 弹性模量/GPa 144 70 62 泊松比 0.3 0.3 0.3 热膨胀系数/℃-1 3.5e-6 5.6e-6 5.4e-6

2.6 2.6
电池片弯曲度(mm)
2.4 2.4 2.2 2.2 2.0 2.0 1.8 1.8 1.6 1.6

200 200

210 220 230 240 210 230 240 220 硅片层厚度(μm)

250 250

图 5 硅片层厚度与电池片弯曲度的关系

2

结果与讨论
图 3 给出了电池片烧结后的弯曲变形云图, 从图中可以

图 6 和图 7 分别给出了硅片层厚度与第一主应力最大 值、 第三主应力最大值的关系曲线, 曲线也基本呈线性关系。 随着硅片层厚度增加,第一主应力逐渐减小,硅片层厚度为 200? m 时,第一主应力为 23.9MPa,当硅片层厚度增加到 250? m 时,对应的第一主应力减小到 19.1MPa。随着硅片 层厚度增加,第三主应力绝对值也逐渐减小,硅片层厚度为 200? m 时,第三主应力为-29.7MPa,当硅片层厚度增加到 250? m 时,对应的第三主应力变为-27.1Mpa。 ? 6104 ?

看出电池片变形呈对称分布, 从电池片中心向外变形逐渐增 大,最大变形量为 2.21mm。图 4 给出了电池片中硅片层第 一主应力分布云图, 硅片层中第一主应力值较高的区域出现 在银电极粘接区的端部,最大值为 21.7MPa,这与实验观测 微裂纹的发生区域一致。

第 20 卷第 22 期 2008 年 11 月

Vol. 20 No. 22

孙国辉, 等: 太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析
24 24
25 25

Nov., 2008

24 24
第一主应力(MPa)
200 200 210 210 220 220 230 230 240 240 250 250

第一主应力(MPa)

23 23 22 22 21 21 20 19

23 23 22 22 21 21 20 20 19 19 18 18
6 6 7 7 8 8 9 9 10 10

20 19
硅片层厚度(μm)

铝背场厚度(μm)

图 6 硅片层厚度与第一主应力最大值的关系
-26 -26

图 9 铝背场厚度与硅片层第一主应力的关系
-25 -25 -26 -26

第三主应力(MPa)

第三主应力(MPa)
200 200 210 210 220 220 230 230 240 240 250 250

-27 -27 -28 -28 -29 -29 -30 -30

-27 -27

-28 -28 -29 -29 -30 -30 -31 -31 -32 -32
6 6 7 7 8 8 9 9 10 10

硅片厚度(μm)

铝背场厚度(μm)

图 7 硅片厚度与硅片第三主应力最大值的关系

图 10 铝背场厚度与硅片层第三主应力的关系

总的来说,随着硅片层厚度增加,电池片弯曲度减小, 硅材料中残余应力也逐渐减小,硅片层厚度增加 10%,电池 片弯曲度减小 14%, 第一主应力减小 8%, 第三主应力减小 3%。 图 8 给出了铝背场厚度与电池片弯曲度的关系曲线, 从 图中可以看出, 铝背场厚度与电池片弯曲度具有良好的线性 关系。随着铝背场厚度的增加电池片弯曲度增加,铝背场厚 度为 6?m 时,电池片弯曲度为 1.68mm,当铝背场厚度增加 到 10? m 时,对应的电池片弯曲度为 2.74mm。
3.0 3.0

3

结论
本文采用有限元法对电池片烧结过程进行了数值模拟

研究,分析了电池片中硅材料层残余应力的分布情况,并讨 论了硅片层厚度和铝背场厚度对电池片弯曲度和残余应力 的影响,得到以下结论。 1)电池片的烧结工艺可导致电池片发生弯曲,硅片层 中第一主应力值较高的区域出现在银电极粘接区的端部, 这 与实验观测微裂纹的发生区域一致。 2)硅片层厚度对电池片弯曲度的影响较大,随着硅片层厚 度增加,电池片弯曲度减小,硅片层中残余应力也逐渐减小。 3)铝背场厚度的改变对电池片弯曲度和残余应力水平 的影响较大, 建议在不影响电池片电性能和其他功能的情况 下,电池片在制备过程中应尽量减小铝背场厚度。

电池片弯曲度(mm)

2.5 2.5

2.0 2.0

1.5 1.5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

参考文献:
[1] [2] 谢建. 太阳能利用技术[M]. 北京: 中国农业大学出版社,1999: 13-16. 施正荣. 晶体硅太阳能电池的现状和发展[C]// 中国第七届光伏会 议论文集. 中国杭州,2002: 23-26. [3] [4] 刘祖明. 晶体硅太阳电池及其电子辐照研究[D]. 四川大学, 2002: 60-61. J D Alamo, J Eguren, A Luque. Operating limits of Al-alloyed high-low junctions for BSF solar cells. [J]. Solid-State Electronics (S0038-1101), 1981, 24(5): 415-420. [5] J A Amick, F J Bottari, J Hanoka. The effect of aluminum thickness on solar cell performance [J]. J. Electrochem. Soc (S0013-4651), 1994, 141(6): 1577-1585. [6] 申兰先. 薄晶体硅太阳电池及其电极系统的研究[D]. 云南师范大 学, 2006: 23-25.

铝 背 场 厚 度 ( μ m)

图 8 铝背场厚度与电池片弯曲度的关系

图 9 和图 10 分别给出了铝背场厚度与硅片层第一主应力 最大值、第三主应力最大值的关系曲线。从图中可以看出, 曲线同样具有良好的线性关系。随着铝背场厚度的增加硅片 层第一主应力增加, 第三主应力减小。 铝背场厚度为 6? m 时, 硅片层第一主应力最大值为 18.7MPa,第三主应力最大值为 -31.3MPa;当铝背场厚度增加到 10? m 时,对应的硅片层第 一主应力增加到 24.7MPa,第三主应力减小到-25.9MPa。分 析结果表明,铝背场厚度的改变对电池片弯曲度和残余应力 水平的影响较大,建议在不影响电池片电性能和其他功能的 情况下,电池片在制备过程中应尽量减小铝背场厚度。 ? 6105 ?


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