晶体硅太阳电池铝背场的印刷与研究

1 学生毕业设计（论文）题 目 晶体硅太阳电池铝背场的印刷与研究学 院 光伏工程学院专 业 光伏材料加工与运用班 级 零八光伏（九）班姓 名 代术华学 号 2085110944 指导教师 张志华完成日期 2010 年 9 月 28 日2 目 录摘 要 1 1 引 言 1 2 原理及方法 2 2.1 印刷原理 2 2.1.1 丝网印刷的发展 . 2 2.2 印刷的方法 3 2.2.1 电池片丝网印刷的三步骤 . 3 3 比较研究 . 5 4 分析与讨论 8 5 结论 8 6 参考文献 97 致谢 . 10 3 晶体硅太阳电池铝背场的印刷与研究摘要 文章比较了两种不同铝浆在相同的烧结条件下， 得出两种不同铝浆的烧结情况， 通过电镜扫描分析了两种铝浆所含杂质元素及铝浆剖面情况，得出烧结平整性较好，颗粒较小与硅片接触较好以及不含其它杂质复合中心的铝背场，其电池的开路电压和波长光谱响应要好，该部分研究对工业化生产具有较大的参考价值。关键词 铝背场；开路电压；光谱响应1. 引言作为二十一世纪人类社会文明发展三大支柱之一的能源技术，愈来愈受到各国政府的重视，利用新材料﹑新技术解决当今世界的“能源危机”已势在必行。太阳能是取之不尽﹑用之不竭的能源，也是最清洁的能源。太阳电池是人类开发利用太阳能的最早手段，它是直接将太阳能转变成电能的特殊半导体器件，然后根据不同需要组成不同电压﹑电流和功率的装置。先前为了获得这种能源，电池电极多采用薄膜工艺。后来为了便于大规模自动化生产，人们将厚膜技术和工艺引入半导体领域，并且开拓了厚膜工艺的新应用。我国对太阳电池用浆料的研究和开发紧跟着国际先进水平的步伐，自 80 年代以来，我国引进了多条厚膜工艺作引出电极的生产线，而原先背场电极铝浆却仍然依赖于进口。近年来随着利用和开发太阳能领域工作的不断深入和扩张，以及太阳电池所具有的广阔应用市场。云南贵金属研究所研究的浆料在云南半导体器件厂使用完全取代了进口浆料，创造了明显的经济效益和社会效益。并且已经实现了产业化生产。制作铝浆的主要原料是铝粉和玻璃料，而太阳电池用铝浆的主要性能要求是接触电阻小﹑粘着力强和老化系数低。这些行性能指标能与使用的铝粉品质密切相关，制作铝浆通常要铝粉的平均粒度小﹑含氧量低﹑松装密度小﹑粉体球形度好等。因此，如何生产出满足太阳电池铝料用的铝粉已成为粉末研制的重要课题。随着现在太阳电池的材料以及制作水平的不断提高，太阳电池的少子寿命也不断增加，即少子的扩散长度不断增加，当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显。从现代的商业化太阳电池来看，为了降低太阳电池的成本，提高效率，色湖南工程厂家也在不断地减小硅片的厚度，以降低原材料的价格，为此为了提高太阳电池的效率，必须考虑降低电池背表面的复合速度，提高长波光谱响应。所以铝背场的好坏直接影响到太阳电池的输出特性。4 2．原理及方法2.1 印刷原理印刷原理是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙﹑聚酯﹑丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷油墨或浆料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上（刮刀有手动和自动两种） 。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图案部分穿过丝网，因此在承印物上只有图像部位有印迹。换而言之，丝网印刷实际上是利用油墨或浆料渗透过印版进行印刷的，这就是称它为丝网印刷而不叫蚕丝网印刷或绢印的原因，因为不仅仅蚕丝用作丝网材料，尼龙﹑聚酯纤维﹑棉织品﹑棉布﹑不锈钢﹑铜﹑黄铜和青铜都可以作为丝网材料。2.1.1 丝网印刷的发展在 20 世纪 70 年代早期，美国 Spectrolab公司首先将丝网印刷工艺引入地面用晶体硅太阳能电池的工业生产中，由于其成本低，生产率高，这种方法一直是晶体硅太阳能电池生产的标准式，直到 20 世纪 80 年代中期锂栅太阳能电池的出现，才有小部分晶体硅太阳能电池的生产不再使用丝网印刷的方法制作金属电极。丝网印刷电极是一种制作方便、简单的低成本高产出电极制备工艺，相关设备可以直接从厚膜微电子行业获得，目前国际大多数晶体硅太阳能电池生产厂家都都采用这种方法制作金属电极。使用其他制造技术如激光刻槽锂栅技术的还不到总产量的 10。但丝网印刷技术难以生产出高效率的晶体硅太阳能电池，其原因主要有以下几点丝网印刷工艺对金属电极栅线宽度的限制；金属浆料与硅之间相对高的接触电阻； 在烧结过程中因金属栅线厚度收缩而形成的较低的高度比 （ aspect ratio） （高度 |宽度） ，从而使得栅线具有较低的电导。另外，金属银浆的使用会增加丝网印刷工艺的成本，德国的Solar Centre Erfurt 设置了一种使用热熔浆料（ hot-melt ink）的丝网印刷电极设备，这种热熔浆料是 Ferro 公司生产的，在室温下是固体，其熔点为 50℃ 80℃，与常规丝网印刷所不同的是印刷时丝网被加热， 印刷完后由于温度低于熔点， 浆料立即变成固体， 省去了浆料在约 150℃时的干燥过程，并且由于浆料迅速干燥而避免了流淌，减少了浆料淌开，即减少了栅线的宽度，降低了遮光率。硅太阳能电池要通过 3 次印刷金属浆料，每次印刷的浆料首先被烘干，然后再红外链式烧结炉重进行烘烧，同时形成上下电极的欧姆接触，这种烘烧工艺是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺，背晶体硅太阳能电池生产厂家普遍采用。为了获得好的填充因子，一般的结深超过 0.3um，表面浓度高于 1020atoms/cm3, 这样的结深是为了防止杂质（如银浆、玻璃料、附加剂）渗透到 p-n 结的空间电荷区，以防止旁路电流的增加和结区的复合。高的磷表面浓度时为了获得低的电阻，然而短路电流不理想其因时顶层的高复合。为了改变这一情况，采用选择性发射结构可利于收集电流。为了防止在烧结的时候杂质进入空间电荷区而在5 电极的下面高渗透，这既有利于载流子的收集，又有利于减低表面复合速度，从而提高短路电流。广泛由于大规模工业生产的太阳能电池制造技术仍是丝网印刷技术，电池性能取决于硅片的电阻率和少子寿命，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在 590-630mV 之间，短路电流在 28-35mA/cm2之间，填充因子在 72-80 之间 。2.2 印刷方法丝网印刷通常有两种，即手工印刷和机械印刷。手工印刷是指从续纸到收纸，印版的上、下移动，刮扳刮印均为手工操作。机械印刷是指印刷过程由机械动作完成。其中又分为半自动和全自动印刷，半自动指承印物放入和取出由人工操作，印刷由机械完成；全自动是指整个印刷过程均由机械完成。2.2.1 电池片丝网印刷的三步骤1. 背电极印刷及烘干浆料 Ag/Al 浆 如 Ferro3398 使用的浆料是 银浆（ CN-33462）作用 易于焊接在太阳电池背面丝网印刷印上引出电极2. 背电场印刷及烘干P型半导体硅背电极6 浆料 Al 浆 如 FerroFX53-038 使用的浆料是 铝浆（ 6080 15Q、 15L）作用 收集载流子通过烧结穿透背面 PN结，和 P 型硅形成良好的欧姆接触。2. 正面电极印刷及烘干背电场P型半导体硅P型半导体硅正面电极7 浆料 Ag （如 PV147）正面电极有主栅线和副栅线组成。在太阳电池正面丝网印刷 银浆（ PV147） ，形成负电极。作用 收集电流。3. 比较研究本实验所采用的硅片由 Bayer 公司所生产的单晶 CZ硅片，电阻率约为 1～ 3Ω ㎝，用测厚仪进行测定， 在抛光之前硅片的厚度约为 280～ 300um， 两种铝浆分别为 RX和 KG标识，用同样的丝网将两种印刷在硅片上，同时放进链式烧结炉里进行烧结。之后，在 AM1． 5，25℃下进行测量，开路电压分别如下表所示之后， 分别在电镜 （电镜为云南省新材料重点实验提供） 下扫描分析两种铝背场样品，扫描位置为在铝硅交界处靠近铝的一边，扫描图如下副 栅 线 主 栅 线8 两种铝浆经烧结后，在电镜扫描下的剖面图如下9 从以上的测试图形来看， RX 的铝浆烧结之后较均匀，平整性好，而且其颗粒也小，致密，与硅片接触较好；而 KG铝浆颗粒较大，疏松，不平整，与硅片接触较差， 有的地方硅片与铝浆之间产生了很大的空洞。 但两者烧结后， 剩余在硅表面的铝的厚度相当，都约为 25nm。测得其结深约为 9～ 11um 分别测试两组电池片的光谱响应，如下图所示10 4. 分析与讨论由 shreesh 的结论可知，结深只与铝的厚度以及烧结的温度有关，表面浓度与烧结温度有关，所以两种铝浆进行相同印刷及相同烧结之后，背表面铝的浓度与结深相当，都约为 9～ 11um。所以从这个意义上来分析，两种铝浆形成铝背场的背表面浓度与结深对背表面的有效复合速度的影响是相当的。但从图一和图二元素分析可以看出，两种铝浆所含的成分打部分相同，基本上均是铝，还含有少量的相互扩散的硅原子和烧结时携带的氧原子，但是对于 KG铝浆来说，它除了含有以上几种原子外，还含有少量的其它元素成分 ，经测定， 含有少量的钾 元素，钾原 子在硅晶体禁 带中位置为0.35eV～ 0.26 eV ，这些钾元素充当复合中心，导致基区少子寿命降低。从图三和图四看， RX的颗粒小铝浆与硅片接触较好 KG颗粒大， 有的区域以硅表面间存在着较大的空隙，存在空洞，铝浆与硅片接触较差，这就使得有些区域没有形成铝背场。进一步从测试的光谱响应图五可以看出，在长波范围内， RX 的铝背场反应出来的长波光谱响应较好，而 KG得铝背场反应出来的长波光谱响应要差，由此可以看出，导致这两种电池长波光谱响应不一样的原因可能在铝背场背表面复合速度和 KG浆料引进了杂质元素， KG的背表面复合速度要大，而 RX的背表面的复合速度要小，导致 KG 的反向饱和电流要大， RX的反向饱和电流要小，从而影响 KG电池开路电压的提高。5. 结论通过比较两种铝浆在相同的情况下背表面的印刷及烧结情况， 背表面烧结后，11 铝浆颗粒大小﹑铝浆所含的杂质元素成分以及铝浆与硅片表面接触是否良好对电池输出特性有很大的影响，铝浆与别表面接触良好，不含有复合中心的杂质元素，表现出的长波光谱响应要好，反之，电池表现出来的长波光谱响应要差。这为提高工业化生产水平提供了一个很好的参数指导。6. 参考文献【 1】 JA.Amick, F.J.Rottari,and J.Hanoks, The effect of aluminum thickness on solar cell performance [J].J.Electrochem.Soc,vol.141.1994.15771585. [2] J.D.Alamoetal,Operating limits of Alalloyed hinghlow junctions for BSF solar cells[L].Solid State Electcon,vol.24,1981.415-420. [3] Shreesh Narasimha Ajeet Rohatgi,An Optimized Rapid Aluminum Back Field Techni que for Silicon Solar Cells[J].IEEE TRANSACTONS ON ELECTRON DEVICES.VOL.46,NO.7,JULY,1999.1364. 12 7. 致谢我要感谢， 非常感谢我的导师张志华老师。 他为人随和热情， 治学严谨细心。 在闲聊中他总是能像知心朋友一样鼓励你， 在论文的写作和措辞等方面他也总会以“专业标准”严格要求你， 从选题、 定题开始， 一直到最后论文的反复修改、 润色， 张老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导， 帮助我开拓研究思路， 精心点拨、 热忱鼓励。 正是张老师的无私帮助与热忱鼓励， 我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢张老师。