电池片厚度与弯曲度影响

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。 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。二、 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。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 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 200μ m 时，电池片弯曲度为 2.66mm，当硅片层厚度增加为 250μ 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%。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200μ m 时，第一主应力为 23.9MPa，当硅片层厚度增加到 250μ 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 200μ m 时，第三主应力为 -29.7MPa，当硅片层厚度增加到 250μ m 时，对应的第三主应力变为-27.1Mpa 。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6μ m 时，电池片弯曲度为 1.68mm，当铝背场厚度增加到 10μ m 时，对应的电池片弯曲度为 2.74mm。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 6μ 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 10μ 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。三、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。