烧结原理及调温机理

烧结原理烧结原理 及及 调温机制调温机制 2014.9 王志强 烧结原理 烧结的目的 干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接 触 。 烧结的作用 烧结的主要作用是 Ag浆料溶解 SiNx减反射膜，形成 Ag-Si电极接触； H原子由 表层向内部扩散（ H同时会逸出），钝化体内杂质和缺陷；形成 AlSi 合金背表电 场。 烧结原理 烧结对电池片的影响 （铝背场、正面电极）； 铝背场的烧结是使浆料中的有机溶剂完全挥发，并形成良好的铝硅合金及铝 层。铝在硅中是作为 P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提 高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。 相对于铝背场的烧结，正银的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表 现在串联电阻和并联电阻，即 FF的变化。 烧结原理 -背场烧结机理 背铝简介； 对铝浆的技术要求 1、提高开压，即形成良好的铝背场 p-p结； 2、有良好的烧结窗口，能形成良好的欧姆接触， 3、能对硅片有效地吸杂，从而提升效率； 4、化学稳定性好，具有良好的导电性能； 铝的性能 1、熔点 660.37℃ ，具有良好的导热性、导电性和延展性。 2、在空气中其表面会形成一层致密的氧化膜，隔绝与氧、水继续作用。 3、对光的反射性能良好 烧结原理 -背场烧结机理 背铝的烧结过程； 1、干燥浆料，燃尽浆料中的有机组分； 2、 660℃ ， Al/Si 开始熔化成液相； 3、 700℃ ，熔融的 Al/Si开始相互传递形成互溶液体； 4、 825℃ ，最高温度时 Al/Si互溶液体完整地覆盖硅片表面； 5、冷却时， Si快速的从 Al/Si互溶液中移回硅片表面，形成 p的背电场（ BSF） ； 6、当温度冷却至 577℃ 以下时， BSF会覆盖一层致密的铝硅合金层 过程解析 Al与 Si形成 BSF（ back surface field）（ P），具有较高的电位。 当跃迁电子遇到 BSF时，会倾向往 n区移动，进而提高电流。 烧结原理 -正银烧结机理 银浆简介； 银浆的组成成分 Ag浆料主要包含导电材料、玻璃料 Glass frit、有机粘合剂、有机溶剂，其 中导电材料主要是 0.1至十几微米的银颗粒，占浆料总质量的 60～ 80 ，玻璃料 主要是氧化物 PbO、 B2O3、 SiO2 、 BiO3、 ZnO粉末，占浆料总质量的 5～ 10。 银浆的功能 导电材料即银粉，因为相比于其它贵金属，银粉的电导率高、化学稳定性好 ，因此被用作导电功能相； 玻璃料在 Ag/Si 金属 –半导体接触的形成过程中起重要作用。首先，玻璃粉对 减反射膜的侵蚀作用能保证获得良好的机械接触；其次，玻璃粉还是银重结晶在 硅发射极表面的媒介物质，在低于 Ag/Si 低共熔点的温度下，可以获得接近理想 的 Ag/Si 欧姆接触； 有机相其分散作用使浆料获得所需的流变性能。 烧结原理 -正银烧结机理 正银烧结理论机理 1、干燥在 150℃ 时，挥发浆料中所有的溶剂；（否则在高温 烧结时溶剂产生的气泡将会造成裂缝） 2、烧出在 300-400℃ 进行烧出过程，烧除掉浆料中的有机粘结剂。 3、烧结在 700-800℃ 时，烧结后使银栅粘附在硅片表面 烧结原理 -正银烧结机理 正银的烧结过程 1、丝网在硅片上印刷正银 烧结原理 -正银烧结机理 2、有机组分挥发， 450℃ 正银中的玻璃成分开始熔化 烧结原理 -正银烧结机理 3、熔融的玻璃开始侵入 SiNx层，银则逐渐融入玻璃成分中 烧结原理 -正银烧结机理 4、 670-700C，玻璃穿透 SiN层后，开始侵蚀 Si的表层，产生腐蚀坑 PbOSi →PbSiO2 烧结原理 -正银烧结机理 5、在冷却时，熔融玻璃中过量的 Ag析出成 Ag颗粒， 并嵌在 Si的表面，在腐蚀坑处结晶，形成电流传导的途径 烧结原理 -正银烧结机理 一、银晶粒析出的过程是怎样 二、银晶粒在腐蚀坑处结晶，形成电流传导的途径 则其有怎样的传导机制 烧结原理 -正银烧结机理 银晶粒的析出机理 1、玻璃料中的 Ag2O与 Si发生化学反应 ￿ Ag2OSi → AgSiO2 2、 Ag和被腐蚀的 Si 同时融入玻璃料中。冷却时，玻璃料中多余的 Si向外延 伸生长在基体上， Ag晶粒在玻璃料中多余的 Si上外延生长在基体上， Ag晶 粒则在 Si表面随机生长。 3、在烧结过程中，在 450℃ 时，玻璃料开始熔化并覆盖在 Ag颗粒表面，在 600℃ 时， Ag颗粒被熔融的玻璃料所包围。随着温度的升高，当 Ag颗粒分布 于熔融的玻璃料中时， Ag颗粒表面与玻璃料发生离子交换，并在 Ag颗粒表 面形成一层 Ag-Pb-Si液态相；当玻璃料熔透 SiNx层后，开始与硅 n区接触， 并继续发生氧化还原反应 2PbOSi→SiO22Pb 升温过程中，大量的 Ag粒子溶解于玻璃料之中；冷却过程中，过饱和的 Ag 粒子析出并结晶生长，在 Si表面形成倒金字塔状的 Ag晶粒。 烧结原理 -正银烧结机理 烧结完成后，电池片副栅侧面剖析图 烧结原理 -正银烧结机理 电流传输机制 人们对电流传输机制尚不明确。目前普遍认同的有以下两种形式 机制一由银晶粒和发射极的直接接触来传导 机制二银晶粒和发射极之间由传输媒介来传导电流 烧结原理 -正银烧结机理 一由银晶粒和发射极的直接接触来传导 在整个穿透 SiNx区域， Ag晶粒和 Si表层直接接触的面积约占 10 电流是通过这些 Ag晶粒直接传导至银栅形成电流传输的 烧结原理 -正银烧结机理 二银晶粒和发射极之间由 传输媒介 来传导电流 ① 、若银颗粒和发射极之间存有极薄的玻璃层，则电流可藉由此媒介来传导 ； ② 、若银颗粒和发射极之间存有较厚的玻璃层，则电流可藉由此媒介和玻璃 中金属沉积物传导。 传输媒介 1、玻璃层 2、析出的金属沉积物 调温机制 -烧结炉介绍 目前烧结曲线主要有两种陡坡式、平台式 烧结曲线需要借助烧结炉来完成；目前我们公司使用的烧结炉型号主要有 BTU（ 1 、 2代）、 TPS、 Despatch、 REHM。 WS05使用 TPS烧结炉，为平台式烧结。 平台式曲线温度突然上升部分对快速升温和稳定性要求较高，所以和浅结高方阻 结构匹配度较高 一般在烧结炉硬件性能达不到标准要求时，才会选择陡坡式烧结 调温机制 -烧结炉介绍 下面我们着重了解 TPS烧结炉 TPS烧结炉分为烘干段和烧结段两个部分，共九个温区。 烘干段为前三个温区、三温区等长，加热管数量分别是 4、 3、 3，顶层单 层红外加热 ,共三个测温点 ； 烧结四区至九区、长度不等， 最后 两个温区共 4个测温点 , 热电偶分别位于炉带左右两侧的硅片上下区域（各两个热电偶） 辐射控 温，八、九温区烧结温度分配可通过底部灯管功率微调 调温机制 -烧结炉介绍 1、烘干段 设定温度 330-280℃ ，实际温度 150-170℃ ；灯管辐射加热，辅 助热风加热，硅片在此温区持续 30s左右； 2、预烧段 设定温度 570-520℃ ，实际温度 400-450 ℃ ；使背电场和背电极 升高到所需温度，同时烧出浆料中的有机组分，硅片在此温区持续 20s左右 3、烧结段 设定温度 750-950℃ ，实际温度 780-825℃ ；此区决定了烧结过程 中银硅合金的形成，对正面电极和背电场以及 Rs， FF影响非常大。必须在极短时 间内使基片达到共晶温度，硅片在此温区持续 5s左右。 4、冷却段 采用水冷和风冷相结合的方式，硅片在此区域持续 10s左右 调温机制 -烧结炉介绍 烧结的气流方向与硅片的行进方向相反，即气流由高温区域向低温区域流动 ，这就会产生一个携带高热的气相氛围。 气相氛围会产生一个气相烧结过程，对于烧结过程的温度均匀性、合金层的 形成有很大的影响，对此，人们有各自不同的观点，但是气相氛围的影响已不 容忽视 。 烧结气流 调温机制 -时机选择 一般情况下，为了不轻易打破烧结炉的热量交换这一平衡，烧结温度不应该 作太大的调整。除非出现以下状况，我们才会来调节烧结温度进行优化 1、外观异常； 2、电性能异常； 3、扩散方阻的变化； 4、前道工艺的变更； 5、浆料的升级和更换； 温度调整时，我们首先要做的就是对测试结果的观测和分析，先参考电性能 ，观察 Isc、 FF及 Rs的变化，再观察 Rsh和 Irev是否异常，最后去参考外观是否异 常 调温机制 -温区选择 调节烧结温度时，我们对温区的选择可按以下步骤进行 1）如果是铝背场出现翘曲、铝苞等外观问题，在工艺条件匹配的情况下，一般 是烧结炉内峰值温度偏高（ TPS现在的峰值温度在 780-825℃ ），这时优先降低 8区和 9区 的温度，当效率明显下降时适当回调温度，再结合 4、 5、 6、 7区配合调节； 2）如果 Isc、 FF和 Rs的出现异常，则首先调节 9区， 8区配合调节，可以理解为 9 区粗调， 8区微调； 调节温度时，建议一次只动一个温区，这样既可以保证效率又不影响外观。 调温机制 -温度升降的选择 对于烧结温度来说，大家普遍关注的是烧结炉内实际的峰值温度，正银的烧结有 一个最佳烧结点（但是我们很难找到这个最佳点，只能凭借经验尽量使我们的烧结温 度接近最佳点），温度过高，存在过烧；温度太低，则会欠烧。 过烧和欠烧这两种情况都不是我们理想的烧结效果，我们可以根据电性能参数初 步判断是过烧还是欠烧。 过烧时，会消耗过多的银，银硅的混合层（未形成合金）能阻挡载流子的 作用，混合层会造成 Rs偏大； 欠烧时，银浆不能充分穿透减反射膜进入 N型层形成良好的欧姆接触同样 也会造成 Rs偏大。 我们该如何判断 过烧和欠烧 调温机制 -温度升降的选择 以上我们知道，不管是过烧还是欠烧， Rs都会偏大；那么我们就要结合 Rsh 或者 Irev来作出判断。 过烧时，银浆中的成分进入结区的可能性大，会造成部分短路， Rsh会偏小； 欠烧时， Rsh和 Irev相对理想，因此以此可帮助判断烧结状态。 但是在实际操作过程中，仅仅凭这些参数的组合特征并不能判断烧结状态，我 们需要尝试其他方法来判断 1）直接取一片烧结后电池片，重新烧结，观察参数变化，可用 EL辅助判断； 2）可大幅度升高或者降低 9区温度找出温度调节的大致方向，然后再一步步微 调。 在调节温度过程中，我们要关注后面电池片的背场外观情况，如果背场开始出现 起包，说明温度已经偏高。 当然，我们以上的调节是基于烧结炉各灯管正常工作的前提下进行的。 调温机制 -常见烧结不良 常见的烧结不良主要有翘曲、铝珠、铝苞，铝刺、白点、背场脱落等 以下为常见不良成因及对策 铝苞的成因较为复杂，我们单独讨论 调温机制 -常见烧结不良 铝苞 铝苞是指电池片烧结后背场的小凸起，小丘状，大的铝苞直径可达 1.5- 2mm，无金属光泽，色泽同烧结后的铝层一样。铝苞是实心的，其内容 物为铝硅合金。 产生铝苞的电池片在电性能上并无异常；但是相对于铝珠来说，铝苞难以去 除。理论上，铝苞与前处理（清洗、磷硅玻璃的去除、绒面质量）有关，我们 在这里不作讨论；就铝浆的应用方面，我们作如下总结 1、增加背场湿重可以减轻铝苞现象，但是增加湿重会导致翘曲的出现，会 出现这一矛盾，需要权衡； 调温机制 -常见烧结不良 2、铝浆使用前搅拌不充分也会导致铝苞；铝浆的主要成分是铝粉、无机粘合 剂和有机粘合剂。（我们可以这样理解铝粉是导电相，有机粘合剂负责烧结前 的粘结，烧结前全部挥发，无机粘合剂负责烧结后的粘结。）固体粉末均匀分散 在有机粘合剂中，如果搅拌不充分，则印刷固液相时，固体成分分布不均，烧结 后就会出现铝苞； 3、背场印刷后烘干不彻底（温度低或时间短），未使浆料中有机成分及时挥 发，待硅片进入烧结炉有机成分高温快速突然挥发，会局部聚集形成铝苞； 4、烧结温度过高也会导致铝苞的出现。烧结温度偏高 ,铝硅界面受热较多 ,铝硅 合金化温度超出最低共熔点，则合金中硅含量增加，即进入到铝中的硅增加，造 成凸起；这个时候降低烧结区温度会明显改善出现铝苞的情况； 5、铝浆本身的原因导致铝苞。铝浆中铝颗粒选择不当 , 有机相悬浮能力不够， 沉降速度过快；铝粉在有机相中分散不充分等等都有可能会增大铝苞出现的几 率。 调温机制 -温度稳定性的干扰因素 对于烧结，我们理想的状态就是烧结炉内温度稳定，片与片之间的效率波动尽可能 的小。 一个好的烧结工艺能发挥它的优势，首要条件就是保证其实际温度的稳定性，而影 响温度稳定性的干扰因素有很多；如 CDA、灯管状态及功率设定，有机排风等。 我们都知道，灯管是维持烧结炉炉内温度的唯一热源，而 CDA、有机排、炉壁、炉 带以及硅片都是吸热的，要维持温度的稳定，需要我们综合考虑这些影响因素 1）有机排和压缩空气（ CDA）的影响； 烧结炉内的温度传递和有机排风都离不开 CDA，理论上 CDA对第九温区温度的影响比 较大， CDA流量大，则单位时间带走的热量就多，对烧结效果影响较大；但是实际是否如此， 大家有兴趣可以尝试验证； 2）灯管的影响 烧结首先需要硬件的支持，而灯管则是重中之重，在温度异常时，我们要排查灯管 的工作状态，有必要的话及时更换灯管，保证烧结质量；这就要求我们对烧结炉的操 作界面有一定的了解；