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太阳电池烧结炉烧结技术的改进


   
 

上          海 有 色 金 属

第 29 卷

文章编号 : 1005 - 2046 ( 2008) 04 - 0180 - 04

太阳电池烧结炉烧结技术的改进
张   , 朱伟国 , 钟建平 剑
( 上海超日太阳能科技股份有限公司 , 上海

  201406)

摘   : 针对目前太阳电池烧结炉的现状 , 分析存在的问题 , 提出技术改进的必要性 , 探讨 要 改进设计的思路 、方案 , 实现提高太阳电池转换效率的目标 。 关键词 : 太阳电池 ; 烧结炉 ; 转换效率 ; 控制方式 + 中图分类号 : TM91414 1     文献标识码 : A 太阳电池烧结技术是集半导体材料学、热力 。银电极是将太阳电池产生的光电子引出电
[2 ]

Preliminary Vie w of Innovations of Fritting Furnaces for Solar Cells ZHANG Jian , ZHU Wei2guo , ZHONG Jian2ping

( Shanghai Zhaori Solar Energy Science & Technology Co. , Ltd. , Shanghai 201406 , China)

Abstract : In view of the present situation , the existing problems with the cells are analyzed and

necessity for innovations pointed out . In order to improve the efficiency of the cells , new ideas and Key words : solar cells ; fritting furnace ; conversion efficiency ; controlling method

patterns for design ware explored.

0    前 言

1  烧结技术对太阳电池效率的影响
理论上讲 , 在太阳电池的制造工艺中 , 清洗 制绒 、等离子体刻边 、扩散制结和镀减反射膜等 工序决定了太阳电池的光电转换效率 , 而印刷 、 烧结等工序对太阳电池的光电转换效率有负面的 影响 。如果印刷 、烘干和烧结工艺水平较低或出 现问题 , 则会明显降低太阳电池功率输出的实际 转换效率 。太阳电池能否最大地输出功率 , 烧结 工艺 是一个非常重要的环节 。一套优秀的烧结 工艺要求在太阳电池烧结完成以后 , 既要有良好 的欧姆接触 , 又不能将太阳电池的 p2n 结烧穿 。 鉴于太阳电池制造使用的烧结炉采用的加热器件 为红外灯管 , 那么确保红外灯管光谱的稳定性就 成了烧结技术中的关键因素 。

学 、光学 、电力电子和自动控制等技术于一体的 一项高新技术 , 是晶体硅太阳电池 ( 以下简称太 阳电池) 制造工艺中的关键技术之一 。其原理是 利用红外加热技术将印刷在太阳电池表面的银电 极浆料及背面的铝背场浆料进行高温烧结 , 生成
Ag2Si 合 金 及 Al2Si 合 金 , 形 成 良 好 的 欧 姆 接



[1 ]

池体外的通道 , 需要有良好的导电性能 ; 铝背场 用于对 p 型 Si 基体吸杂 , 即 BSF 技术 。由于 μ 银电极和铝背场的膜层比较薄 , 只有 15 m 左右 对烧结炉的技术要求很高 。
收稿日期 : 2008208227

厚度 , 对烧结温度及烧结速度都非常敏感 , 所以

作者简介 : 张   (1970 - ) , 男 , 湖南岳阳人 , 工程师 , 主要从事半导体材料的研究 。Tel : 13641873440 。 剑

第4期
 

张  剑等 : 太阳电池烧结炉烧结技术的改进
18

181    
3

2  烧结炉现状
目前国内外太阳电池的烧结炉均采用温度信 号控制灯管加热功率的控制方式 , 对待烧结的太 阳电池进行加热 , 并辅以通新风的方法进行控 温 。我公司现有两台国产太阳电池烧结炉 , 采用 的是温度信号反馈的可控硅过零点触发控制方 [3 ] 式 。改进前的烧结炉加热控制原理如图 1 所示。 该两台设备安装调试完成投入生产后 , 实验 时选用的硅片 , 其主要技术参数如下 : CZ〈100〉 ρ Ω cm μ μ P 型 掺 硼 、 015 ~ 3 · 、 T 200 m ±20 m 、 制 , 而且所采用的温控仪精度较低 ( ± ℃ , 导 1 ) 致灯管上的加热功率有波动 , 从而灯管发出的光 谱不稳定 。所以对于始终匀速移动的同一片电池 电池的转换效率不高 。 ( 2) 由于采用过零点触发控制方式 , 炉内温 片上不同区域的烧结情况不一致 , 造成整体太阳 度超过目标值后灯管停止加热 , 所以先后放入的 太阳电池出现烧结情况不一致 , 造成不同太阳电 池的转换效率相差较大 , 即转换效率的离散性较 大。 于电池辐射能量在物体内部的衰减对工件进行加 <150mm ± 15mm 、 125mm ± 15mm 、少子寿命 6 0 L 0
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

表1  技术改进前生产的太阳电池的各项参数
Pmax/ Wp

平均值

3  存在的问题

( 1) 由于采用温度参数作为反馈信号进行控

4  改进的必要性

根据红外灯管加热的工作原理 , 红外线是由

VocΠ V

0159 0159 0159 0159 0159 0159 0159 0160 0159 0159 0159

I scΠ A

5107 5111 5114 5104 5118 5112 5112 5112 5111 5112 5111

2115 2120 2118 2119 2122 2119 2118 2123 2118 2117 2119

V mppΠ V

0147 0147 0147 0147 0147 0147 0147 0147 0147 0147 0147

ImppΠ A

4161 4171 4168 4163 4173 4170 4167 4169 4168 4165 4168

5  改进方案

μ ~8 s 、Bow ≤ μ 、[ 0 ] ≤ × atom/ cm 、C ] [ 50 m 1 10 16 3 ≤ × atom/ cm 。生产的太阳电池的平均转换 5 10 效率在 1417 %左右 , 太阳电池的转换效率分布 离散性比较大 , 最大离散度超过 316 % 。太阳电 池的相关参数见表 1 。 图1  改进前的烧结炉加热控制原理框图 热的 。为了得到加热一致性的效果 , 必须确保 灯管发射的红外光谱是一致的 , 也就是说灯管的 加热功率必须是稳定的 。所以 , 为了达到电池片 的稳定烧结 , 对烧结炉的烧结技术进行改进是非 常必要的 。
[4 ]

为了减小外界电网对烧结系统的干扰 , 可以 增加一个稳压变压器 。将温度信号反馈的可控硅

过零点触发控制方式改成无反馈信号的可调功率 控制方式 , 这样可以避免系统自身的电压波动 ; 调整灯管的加热功率 , 采用屏幕输入预设工艺参 数的方式实现即可 。为了控制炉内温度 , 可以采 用调节炉内气氛交换速率的方式来实现 。改进后 的烧结炉加热控制原理如图 2 所示 。

72120 73150 72120 72180 72160 73100 72110 73110 72190 72110 72165

FFΠ%

14145 14178 14165 14171 14192 14171 14165 14198 14165 14158 14171

η% Π

01013 01010 01012 01011 01010 01011 01012 01010 01012 01013 01011

Ω R sΠ

10116 62121 11186 17120 10187 41127 17163 13164 18173 21133 9177

Ω R shΠ

182    
 

上          海 有 色 金 属

第 29 卷

并且基本解决了温度控制问题 ; (3) 能根据实际情况调节所需要的加热功 率 , 使太阳电池的烧结达到最佳效果 。

6  改进效果
我公司的两台烧结炉经过技术改进以后 , 采 用与前述实验同一厂家 、同一批次 、规格相同的 硅片 , 其技术参数在同一范围内 , 并采用相同的 清洗制绒 、等离子体刻边 、扩散制结 、镀减反射 膜 、印刷和烘干工艺 , 采用新的烧结技术 , 在相 同的测试设备条件下 , 生产的太阳电池的平均转 换效率达到了 1612 % , 最大离散度也降到了约 2 % 。技术改进后生产的太阳电池的相关参数见 表 2。 频率 , 太阳电池的烧结可以得到较好的欧姆接 触 , 并减小了 p2n 结烧穿的几率 , 因而串联电阻 R s 减小 、并联电阻 R sh 增大 , 于是短路电流 I sc 增大 。 712   光电转换效率 η 随着 I sc 的增大 、 R s 的减小 、 R sh 的增大 , 太阳电池的实际最大输出功率 Pmax 也增大 , 因 而转换效率 η 也提高 。同时 , 由于加热光谱的 稳定 , 转换效率的离散度也变小 。比较表 1 和表 2 , 可以得到表 3 的结果 。
0133 - 0120 0153 76140 77110 75190 76150 76110 76150 76110 76170 77130 76170 76153
FFΠ%

图2  改进后的烧结炉加热控制原理框图    通过以上烧结技术的改进 , 可以满足以下工 艺要求 : ( 1) 减小因低精度温度反馈信号引起的电压 波动 ; (2) 消除超温情况下灯管停止加热的现象 ,

表2  技术改进后生产的太阳电池的各项参数
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
VocΠ V

平均值

7  结果分析

比较改进前后的太阳电池电性能的实验数据 ( 见表 1 和表 2) , 可以看出 , I sc 、 Pmax 、V mpp 、 η Impp 、 FF 、 、 R s 和 R sh 等参数都有不同程度 的改善 。下面着重讨论一下 I sc 、 R s 、 R sh 、η 和 FF 等参数 。
711   短路电流 I sc 与串Π 并联电阻 R s 、 R sh
改进前 改进后 Δ = 前后改变量 η Π% ave
14171 16123 + 1152

设备改进后 , 红外灯管发出的加热光波是恒 定的 ( 变化范围很小 ) , 能够比较精确控制光波

0160 0160 0160 0160 0160 0160 0160 0160 0160 0159 0160

I scΠ A

Pmax/ Wp

5130 5123 5129 5129 5121 5128 5129 5129 5115 5130 5126

表3  技术改进前后太阳电池转换效率的比较
η Π% max
14198 16139 + 1141

2143 2142 2141 2144 2138 2141 2142 2143 2139 2142 2142

V mppΠ V

η Π% min
14145 16106 + 1161

0149 0149 0149 0149 0149 0149 0149 0149 0149 0148 0149

ImppΠ A

差值 = η - η ) Π% max min

4198 4195 4195 4198 4188 4197 4195 4198 4188 5100 4195

16133 16126 16119 16139 15199 16119 16126 16133 16106 16126 16123

η% Π

η 离散度 = (η - η ) Π aveΠ% max min
2103 - 1157 3160

01009 01010 01011 01009 01010 01011 01010 01009 01012 01010 01010

Ω R sΠ

39160 26171 16171 65173 34164 19165 16109 19120 64198 28142 33117

Ω R shΠ

第4期
 

张  剑等 : 太阳电池烧结炉烧结技术的改进

183    

713   填充因子 FF

也就越高 , 转换效率随之越大 。FF 的计算公式 如下 : Pmax V mpp ×Impp FF = ×100 % = × Voc ×I sc Voc ×I sc 100 %

太阳电池 I2V 曲线如图 3 所示 。图中内外两 个矩形的 “面积”之比即为太阳电池的填充因子 FF 。小矩形的 “面积” ( 即太阳电池的输出功 率) 越大 , 太阳电池的 FF 就越大 , 输出的功率    当太阳电池的输出功率较高时 , 其 FF 就比 较大 。在外加负载的情况下 , 由于 R s 减小 , 电

池内部电压降减小 ; 而由于 R sh 增大 , 电池内 部的电流分流也减小 。于是 , 太阳电池的填充因 子的增量就变得非常大 。 综上所述 , 本次技术改进的效果是非常显著 的 。由于单片太阳电池功率的增加 , 而制造成本 不变 , 由此产生的经济效益也将是非常可观的 。

8    结 语
( 1) 烧结技术改进工程的实施 , 直接提高了

太阳电池功率输出的实际转换效率 , 具有可观的 经济效益 。 ( 2) 本方案对太阳电池烧结炉的设计 、制造 提供了一个改进的方向 。 参考文献 :
[1 ] 郑尧圣 . 远红外线加热技术及其应用 [ R ] . 合肥市科学技

术情报研究所 , 1979.
[ 2 ] [ 澳 ] 马丁· 格林 . 太阳电池 [M] . 北京 : 电子工业出版社 , 1987. [3 ] 莫正康 . 半导体变流技术 [ M] . 北京 : 机械工业出版社 , 1999. [4 ] 徐淦卿 . 远红外线辐射加热技术 [ J ] . 电子器件 , 1987 , (2) .

科技简讯

时点均价 铜 铝 铅 锌 锡 镍

时段均价 铜 铝 铅 锌 锡 镍

图3  太阳电池 I2V 曲线
2008 年 10 月 27 日 31 600 13 675 11 800 8 750 102 000 84 000 2008 年 9 月 25 日至 2008 年 10 月 25 日 42 421125 13 918113 11 178113 15 16215 130 703113 106 890163

上海有色金属网 10 月 SMM 价格比照
( 单位 : 元) 2008 年 09 月 25 日 56 675 15 180 17 850 14 000

环比Π%
- 44124 - 33189 - 32111 - 40143 - 15159 - 20186 - 15125 - 29131 - 2811 - 1515 - 3715 - 9191

2007 年 10 月 25 日 64 690 17 885 24 400 25 450 148 000 268 000 2007 年 9 月 25 日

同比Π%
- 51115 - 23154 - 51164 - 65162 - 31108 - 68166 - 35188 - 26141 - 40111 - 58103 - 61109 - 1212

150 250 141 000

2008 年 8 月 25 日 58 997127 16 472105 17 963164 14 125

至 2008 年 9 月 25 日

环比Π%

至 2007 年 10 月 25 日
66 162165 18 912106 25 317165 26 635129

同比Π%

154 215191 151 215191

( 上海有色金属网提供)

148 867165 274 735129


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