晶體硅太陽(yáng)電池鋁背場(chǎng)的印刷與研究

1、學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目晶體硅太陽(yáng)電池鋁背場(chǎng)的印刷與研究學(xué) 院光伏工程學(xué)院專業(yè)光伏材料加工與運(yùn)用 班 級(jí)零八光伏（九）班 姓名代術(shù)華 學(xué)號(hào)2085110944 指導(dǎo)教師 張志華 完成日期 2010年9月28日 目 錄摘 要11 引 言12 原理及方法22.1印刷原理2絲網(wǎng)印刷的發(fā)展22.2印刷的方法3電池片絲網(wǎng)印刷的三步驟33 比較研究54 分析與討論85 結(jié)論86 參考文獻(xiàn)97 致謝10晶體硅太陽(yáng)電池鋁背場(chǎng)的印刷與研究摘要：文章比較了兩種不同鋁漿在相同的燒結(jié)條件下，得出兩種不同鋁漿的燒結(jié)情況，通過(guò)電鏡掃描分析了兩種鋁漿所含雜質(zhì)元素及鋁漿剖面情況，得出燒結(jié)平整性較好，顆粒較小與硅片接觸較好以及

2、不含其它雜質(zhì)復(fù)合中心的鋁背場(chǎng)，其電池的開(kāi)路電壓和波長(zhǎng)光譜響應(yīng)要好，該部分研究對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有較大的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：鋁背場(chǎng)；開(kāi)路電壓；光譜響應(yīng)1. 引言作為二十一世紀(jì)人類社會(huì)文明發(fā)展三大支柱之一的能源技術(shù)，愈來(lái)愈受到各國(guó)政府的重視，利用新材料新技術(shù)解決當(dāng)今世界的“能源危機(jī)”已勢(shì)在必行。太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的能源，也是最清潔的能源。太陽(yáng)電池是人類開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的最早手段，它是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能的特殊半導(dǎo)體器件，然后根據(jù)不同需要組成不同電壓電流和功率的裝置。先前為了獲得這種能源，電池電極多采用薄膜工藝。后來(lái)為了便于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，人們將厚膜技術(shù)和工藝引入半導(dǎo)體領(lǐng)域，并且開(kāi)拓了厚膜工藝的新

3、應(yīng)用。我國(guó)對(duì)太陽(yáng)電池用漿料的研究和開(kāi)發(fā)緊跟著國(guó)際先進(jìn)水平的步伐，自80年代以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了多條厚膜工藝作引出電極的生產(chǎn)線，而原先背場(chǎng)電極鋁漿卻仍然依賴于進(jìn)口。近年來(lái)隨著利用和開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能領(lǐng)域工作的不斷深入和擴(kuò)張，以及太陽(yáng)電池所具有的廣闊應(yīng)用市場(chǎng)。云南貴金屬研究所研究的漿料在云南半導(dǎo)體器件廠使用完全取代了進(jìn)口漿料，創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。制作鋁漿的主要原料是鋁粉和玻璃料，而太陽(yáng)電池用鋁漿的主要性能要求是接觸電阻小粘著力強(qiáng)和老化系數(shù)低。這些行性能指標(biāo)能與使用的鋁粉品質(zhì)密切相關(guān)，制作鋁漿通常要鋁粉的平均粒度小含氧量低松裝密度小粉體球形度好等。因此，如何生產(chǎn)出滿足太陽(yáng)電

4、池鋁料用的鋁粉已成為粉末研制的重要課題。隨著現(xiàn)在太陽(yáng)電池的材料以及制作水平的不斷提高，太陽(yáng)電池的少子壽命也不斷增加，即少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度不斷增加，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度與硅片的厚度相當(dāng)或超過(guò)硅片厚度時(shí)，背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽(yáng)電池特性的影響就很明顯。從現(xiàn)代的商業(yè)化太陽(yáng)電池來(lái)看，為了降低太陽(yáng)電池的成本，提高效率，色湖南工程廠家也在不斷地減小硅片的厚度，以降低原材料的價(jià)格，為此為了提高太陽(yáng)電池的效率，必須考慮降低電池背表面的復(fù)合速度，提高長(zhǎng)波光譜響應(yīng)。所以鋁背場(chǎng)的好壞直接影響到太陽(yáng)電池的輸出特性。2原理及方法2.1印刷原理印刷原理是把帶有圖像或圖案的模版被附著在絲網(wǎng)上進(jìn)行印刷的。通常絲網(wǎng)由尼龍聚酯絲綢或

5、金屬網(wǎng)制作而成。當(dāng)承印物直接放在帶有模版的絲網(wǎng)下面時(shí)，絲網(wǎng)印刷油墨或漿料在刮刀的擠壓下穿過(guò)絲網(wǎng)中間的網(wǎng)孔，印刷到承印物上（刮刀有手動(dòng)和自動(dòng)兩種）。絲網(wǎng)上的模版把一部分絲網(wǎng)小孔封住使得顏料不能穿過(guò)絲網(wǎng)，而只有圖案部分穿過(guò)絲網(wǎng)，因此在承印物上只有圖像部位有印跡。換而言之，絲網(wǎng)印刷實(shí)際上是利用油墨或漿料滲透過(guò)印版進(jìn)行印刷的，這就是稱它為絲網(wǎng)印刷而不叫蠶絲網(wǎng)印刷或絹印的原因，因?yàn)椴粌H僅蠶絲用作絲網(wǎng)材料，尼龍聚酯纖維棉織品棉布不銹鋼銅黃銅和青銅都可以作為絲網(wǎng)材料。絲網(wǎng)印刷的發(fā)展在20世紀(jì)70年代早期，美國(guó)Spectrolab公司首先將絲網(wǎng)印刷工藝引入地面用晶體硅太陽(yáng)能電池的工業(yè)生產(chǎn)中，由于其成本低，生產(chǎn)

6、率高，這種方法一直是晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)式，直到20世紀(jì)80年代中期鋰柵太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)，才有小部分晶體硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)不再使用絲網(wǎng)印刷的方法制作金屬電極。絲網(wǎng)印刷電極是一種制作方便、簡(jiǎn)單的低成本高產(chǎn)出電極制備工藝，相關(guān)設(shè)備可以直接從厚膜微電子行業(yè)獲得，目前國(guó)際大多數(shù)晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠家都都采用這種方法制作金屬電極。使用其他制造技術(shù)如激光刻槽鋰柵技術(shù)的還不到總產(chǎn)量的10%。但絲網(wǎng)印刷技術(shù)難以生產(chǎn)出高效率的晶體硅太陽(yáng)能電池，其原因主要有以下幾點(diǎn)：絲網(wǎng)印刷工藝對(duì)金屬電極柵線寬度的限制；金屬漿料與硅之間相對(duì)高的接觸電阻；在燒結(jié)過(guò)程中因金屬柵線厚度收縮而形成的較低的高度比（aspect r

7、atio）（高度|寬度），從而使得柵線具有較低的電導(dǎo)。另外，金屬銀漿的使用會(huì)增加絲網(wǎng)印刷工藝的成本，德國(guó)的Solar Centre Erfurt 設(shè)置了一種使用熱熔漿料（hot-melt ink）的絲網(wǎng)印刷電極設(shè)備，這種熱熔漿料是Ferro公司生產(chǎn)的，在室溫下是固體，其熔點(diǎn)為5080，與常規(guī)絲網(wǎng)印刷所不同的是印刷時(shí)絲網(wǎng)被加熱，印刷完后由于溫度低于熔點(diǎn)，漿料立即變成固體，省去了漿料在約150時(shí)的干燥過(guò)程，并且由于漿料迅速干燥而避免了流淌，減少了漿料淌開(kāi)，即減少了柵線的寬度，降低了遮光率。硅太陽(yáng)能電池要通過(guò)3次印刷金屬漿料，每次印刷的漿料首先被烘干，然后再紅外鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐重進(jìn)行烘燒，同時(shí)形成上下電極

8、的歐姆接觸，這種烘燒工藝是高效晶體硅太陽(yáng)能電池的一項(xiàng)重要關(guān)鍵工藝，背晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠家普遍采用。為了獲得好的填充因子，一般的結(jié)深超過(guò)0.3um，表面濃度高于1020atoms/cm3,這樣的結(jié)深是為了防止雜質(zhì)（如銀漿、玻璃料、附加劑）滲透到p-n結(jié)的空間電荷區(qū)，以防止旁路電流的增加和結(jié)區(qū)的復(fù)合。高的磷表面濃度時(shí)為了獲得低的電阻，然而短路電流不理想其因時(shí)頂層的高復(fù)合。為了改變這一情況，采用選擇性發(fā)射結(jié)構(gòu)可利于收集電流。為了防止在燒結(jié)的時(shí)候雜質(zhì)進(jìn)入空間電荷區(qū)而在電極的下面高滲透，這既有利于載流子的收集，又有利于減低表面復(fù)合速度，從而提高短路電流。廣泛由于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池制造技術(shù)仍是

9、絲網(wǎng)印刷技術(shù)，電池性能取決于硅片的電阻率和少子壽命，由絲網(wǎng)印刷技術(shù)生產(chǎn)的晶體硅電池的開(kāi)路電壓在590-630mV之間，短路電流在28-35mA/cm2之間，填充因子在72%-80之間%。2.2印刷方法絲網(wǎng)印刷通常有兩種，即手工印刷和機(jī)械印刷。 手工印刷是指從續(xù)紙到收紙，印版的上、下移動(dòng)，刮扳刮印均為手工操作。 機(jī)械印刷是指印刷過(guò)程由機(jī)械動(dòng)作完成。其中又分為半自動(dòng)和全自動(dòng)印刷，半自動(dòng)指承印物放入和取出由人工操作，印刷由機(jī)械完成；全自動(dòng)是指整個(gè)印刷過(guò)程均由機(jī)械完成。 2.2.1電池片絲網(wǎng)印刷的三步驟1.背電極印刷及烘干P型半導(dǎo)體硅背電極漿料：Ag/Al漿 如Ferro3398使用的漿料是銀漿（CN

10、-33462）作用：易于焊接在太陽(yáng)電池背面絲網(wǎng)印刷印上引出電極2.背電場(chǎng)印刷及烘干背電場(chǎng)P型半導(dǎo)體硅漿料：Al漿 如FerroFX53-038使用的漿料是鋁漿（608015Q、15L）作用：收集載流子通過(guò)燒結(jié)穿透背面PN結(jié)，和P型硅形成良好的歐姆接觸。2. 正面電極印刷及烘干P型半導(dǎo)體硅正面電極副柵線主柵線漿料：Ag （如PV147）正面電極有主柵線和副柵線組成。在太陽(yáng)電池正面絲網(wǎng)印刷銀漿（PV147），形成負(fù)電極。作用：收集電流。3. 比較研究本實(shí)驗(yàn)所采用的硅片由Bayer公司所生產(chǎn)的單晶CZ硅片，電阻率約為13，用測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)定，在拋光之前硅片的厚度約為280300um，兩種鋁漿分別為RX

11、和KG標(biāo)識(shí)，用同樣的絲網(wǎng)將兩種印刷在硅片上，同時(shí)放進(jìn)鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐里進(jìn)行燒結(jié)。之后，在AM15，25下進(jìn)行測(cè)量，開(kāi)路電壓分別如下表所示：之后，分別在電鏡（電鏡為云南省新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)提供）下掃描分析兩種鋁背場(chǎng)樣品，掃描位置為在鋁硅交界處靠近鋁的一邊，掃描圖如下：兩種鋁漿經(jīng)燒結(jié)后，在電鏡掃描下的剖面圖如下：從以上的測(cè)試圖形來(lái)看，RX的鋁漿燒結(jié)之后較均勻，平整性好，而且其顆粒也小，致密，與硅片接觸較好；而KG鋁漿顆粒較大，疏松，不平整，與硅片接觸較差，有的地方硅片與鋁漿之間產(chǎn)生了很大的空洞。但兩者燒結(jié)后，剩余在硅表面的鋁的厚度相當(dāng)，都約為25nm。測(cè)得其結(jié)深約為911um分別測(cè)試兩組電池片的光譜響應(yīng)，如

12、下圖所示：4. 分析與討論由shreesh的結(jié)論可知，結(jié)深只與鋁的厚度以及燒結(jié)的溫度有關(guān)，表面濃度與燒結(jié)溫度有關(guān)，所以兩種鋁漿進(jìn)行相同印刷及相同燒結(jié)之后，背表面鋁的濃度與結(jié)深相當(dāng)，都約為911um。所以從這個(gè)意義上來(lái)分析，兩種鋁漿形成鋁背場(chǎng)的背表面濃度與結(jié)深對(duì)背表面的有效復(fù)合速度的影響是相當(dāng)?shù)?。但從圖一和圖二元素分析可以看出，兩種鋁漿所含的成分打部分相同，基本上均是鋁，還含有少量的相互擴(kuò)散的硅原子和燒結(jié)時(shí)攜帶的氧原子，但是對(duì)于KG鋁漿來(lái)說(shuō)，它除了含有以上幾種原子外，還含有少量的其它元素成分，經(jīng)測(cè)定，含有少量的鉀元素，鉀原子在硅晶體禁帶中位置為0.35eV0.26 eV，這些鉀元素充當(dāng)復(fù)合中心，

13、導(dǎo)致基區(qū)少子壽命降低。從圖三和圖四看，RX的顆粒小鋁漿與硅片接觸較好KG顆粒大，有的區(qū)域以硅表面間存在著較大的空隙，存在空洞，鋁漿與硅片接觸較差，這就使得有些區(qū)域沒(méi)有形成鋁背場(chǎng)。進(jìn)一步從測(cè)試的光譜響應(yīng)圖五可以看出，在長(zhǎng)波范圍內(nèi)，RX的鋁背場(chǎng)反應(yīng)出來(lái)的長(zhǎng)波光譜響應(yīng)較好，而KG得鋁背場(chǎng)反應(yīng)出來(lái)的長(zhǎng)波光譜響應(yīng)要差，由此可以看出，導(dǎo)致這兩種電池長(zhǎng)波光譜響應(yīng)不一樣的原因可能在鋁背場(chǎng)背表面復(fù)合速度和KG漿料引進(jìn)了雜質(zhì)元素，KG的背表面復(fù)合速度要大，而RX的背表面的復(fù)合速度要小，導(dǎo)致KG 的反向飽和電流要大，RX的反向飽和電流要小，從而影響KG電池開(kāi)路電壓的提高。5.結(jié)論通過(guò)比較兩種鋁漿在相同的情況下背表面

14、的印刷及燒結(jié)情況，背表面燒結(jié)后，鋁漿顆粒大小鋁漿所含的雜質(zhì)元素成分以及鋁漿與硅片表面接觸是否良好對(duì)電池輸出特性有很大的影響，鋁漿與別表面接觸良好，不含有復(fù)合中心的雜質(zhì)元素，表現(xiàn)出的長(zhǎng)波光譜響應(yīng)要好，反之，電池表現(xiàn)出來(lái)的長(zhǎng)波光譜響應(yīng)要差。這為提高工業(yè)化生產(chǎn)水平提供了一個(gè)很好的參數(shù)指導(dǎo)。6.參考文獻(xiàn)【1】 J.A.Amick, F.J.Rottari,and J.Hanoks, The effect of aluminum thickness on solar cell performance J.J.Electrochem.Soc,vol.141.1994.15771585.amoetal,Operating limits of Alalloyed hinghlow junctions for BSF solar cellsL.Solid State Electcon,vol.24,1981.415-420. 3 Shreesh Narasimha Ajeet Rohatgi,An Optimized Rapid Aluminum Back Field Technique for Silicon Solar CellsJ.IEEE TRANSACTONS ON ELE