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丝印与烧结理论 电极 作用:输出电流。 电极就是与电池p-n结两端形成紧密欧姆接触的导电材料 。与p型区接触的电极是电流输出的正极,与n型区接触的 电极是电流输出的负极。习惯上把制作在电池光照面的电 极成为上电极,把制作在电池背面的电极成为下电极或背 电极。 上电极通常制作成窄细的栅线状以克服扩散层的电阻,并 由一条较宽的主栅来收集电流,下电极则布满全部或绝大 部分的背面,以减小电池的串联电阻。 电极材料的选择和电极图形 电极材料的选择 能与硅形成牢固的接触; 这种接触应是欧姆接触,接触电阻小; 有优良的导电性; 纯度适当; 化学稳定性好; 电极图形 电极图形的设计原则是使电池的输出最大。设计要兼 顾两个方面:使电池的串联电阻尽可能小和电池的光照作 用面积尽可能大。 电池的串联电阻 Rs=rm+rc1+rt+rb+rc2 rm:上电极金属栅线的电阻; rc1:金属栅线和前表面间的接触电阻; rt:扩散层薄层的电阻 rb:基区的电阻; rc2:下电极与半导体的接触电阻 浆料 导电浆料主要成分为金属粉粒、树脂、有机溶 剂、玻璃/陶瓷材料及其他添加物。因为有粉粒沉降 及聚集问题,使用前必须有良好搅拌。此外,浆料 必须储存于室内阴凉处,避免高温暴晒以免变质。 不同的浆料(铝浆、银浆、银铝浆)成分不同 所以印制条件及后续烧结条件也有所差异,其结果 对电池效率有很大影响。其中形成良好的欧姆接触 和背场(BSF)最为关键。 玻璃粉对银/硅界面的影响 有机成分对栅线高宽比的影响 印刷品质 浆料本身的性质对产品有很大的影响: (1)因为材料热膨胀系数的差异,浆料成分的不同也会造成 太阳能电池的翘弯问题; (2)烧结后浆料的附着性也是一个问题,要通过拉力测试; (3)背场有铝球形成,原因: 硅片表面织构化过程时造成表面高低差过大; 干燥时间太短; 在烧结时铝颗粒间相互融溶而使颗粒间距缩短; 丝印和烧结的过程 AR-coating Rear side contact paste wet 印背电极:银铝浆 Screen printing Rear side contact paste dry 烘干背电极 High speed conveyor dryer Aluminum paste wet 印背场:铝浆 Screen printing Aluminum paste dry 烘干背场 High speed conveyor dryer 印正电极:银浆 Screen printing 烘干正电极 Fast firing furnace with integrated dryer 烧结 Front side contacts sintered through the AR-coating AR coating P+-layer Al-dopedAl-Si eutectic Fast firing furnace with Integrated high speed dryer 铝背场 铝浆 铝浆除了当电极外,在烧结时p-type的铝掺杂渗入形 成使原本掺杂硼的p-type Si形成一层数微米厚的p+-type Si作为背场,以降低背表面复合速度来提高电池的开路电 压Voc。因为硅片吸收系数差,当厚度变薄时衬底对入射 光的吸收减少,此时背场的存在对可以抵达硅片深度较深 的长波长光吸收有帮助,所以短路电流密度Jsc的影响就 更明显。此外,p和p+的能阶差也可以提升Voc,p+可以 形成低电阻的欧姆接触所以填充因子FF也可改善。 Al背场的形成机理 烧结曲线 预热区(100-250)蒸发 最后一道丝网印刷中存在的 有机溶剂; Burn out(500-600)区 烧掉有机溶剂及树脂; 瞬间升降高温(700-850 )根据减反射膜和浆料的特 性; Al背场对电池性能的影响 浆料对硅片弯曲的影响 浆料中玻璃料熔点的影响 ,熔点越高,造成的弯曲越小 缓慢升温时铝背场不均匀,甚至出现没有铝背场的情况。 而快速升温改善了铝背场的均匀性,但是也未能完全消除 不均匀性,甚至50%的界面仍存在起伏。 铝球大小的影响 对于球形铝粒子,存在一个适当的尺寸引起的弯曲最小 弯曲随铝浆丝印质量增加而增加。 蒸铝和丝网印刷 蒸铝时,增加沉积铝的厚度,只在快速升 温情况下,性能随厚度有所增加。在同时 采用了快速烧结和厚铝时,提高烧结温度 ,性能改变很少。掺杂水平确实随温度增 加而提 高,但是长波响应变化甚微,可能 与铝背场不均匀有关。 丝网印刷Al背场并进行快速烧结,最佳烧结 温度制得的电池性能与蒸铝得到的电池性 能相当。 Ag浆 正面电极因为要减少电极遮光面积,所以使 用导电性能良好的银浆,因为先前的减反射膜已 经形成正面的电性绝缘,所以银浆一般掺有含铅 的硼酸玻璃粉(PbO-B2O3-SiO glass frit),在高 温烧结时玻璃粉硼酸成分与氮化硅反应并刻蚀穿 透氮化硅薄膜,此时银可以渗入其下方并与硅形 成此种局部区域性的电性接触,铅的作用在银-铅 -硅共熔而降低银的熔点。 Ag与Si形成欧姆接触的机理 欧姆接触形成有如下几个步骤: 有机物挥发 玻璃料在减反射膜表面聚集 玻璃料腐蚀穿过减反射膜 玻璃料通过与Si发生氧化还原反应产生腐蚀坑 PbO+Si Pb+SiO2 Ag晶粒在冷却过程中于腐蚀坑处结晶 由于玻璃料对Si表面腐蚀具有各向异性,导致在Si表面 形成了倒三角形的腐蚀坑。因此Ag晶粒在腐蚀坑处结晶时与 Si表面接触的一侧呈倒金字塔状,而与玻璃料接触的一侧则 成圆形。 关于Ag晶粒的析出机理的解释有: (1)与PbO和Si发生的氧化还原反应类似,玻璃料中的Ag2O 与Si发生如下反应: Ag2O+Si Ag+SiO2 (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)在烧结过程中通过氧化还原反应被还原出的金属Pb呈液 态, 当液态铅与银相遇时,根据Pb-Ag 相图银粒子融入铅 中形成 Pb-Ag相。Pb-Ag熔体腐蚀Si的晶面。冷却过 程中, Pb和Ag发生分离,Ag在晶面上结晶 ,形成倒 金字塔形 。 导电机理 Ag晶粒和栅线直接接触; 通过极薄的玻璃层隧道 效应; 通过金属颗粒沉积的玻 璃层的多重隧道效应; 影响因素 浆料性质: (1)浆料成分 (2)玻璃料的熔点 烧结工艺:最高温度 在玻璃料中添加和掺杂可以降低烧结峰 温,且随着添加和掺杂的增加降低的越大 ,电学性能也得到提高。 具有低玻璃转变温度的玻璃料,软化的 早,溶解的银多,形成的玻璃层较厚,造 成接触电阻高。具有高玻璃转变温度的玻 璃料与Si形成的欧姆接触很好。 网版 网版是由不锈钢织成不同网目大小的网纱及涂在网纱上 的乳胶装在网框架组成。网版图样设计开孔处则将乳胶去除 、刮刀刷过网纱时可将施放在网版上的浆料透过图样开孔处 印在基材上,主要决定印刷厚度为乳胶厚度。丝网印刷时根 据不同的网版张力、乳胶厚度、刮刀下压力量、刮刀速度、 刮刀下刀及离刀迟滞时间等等参数可得到不同的印刷厚度。 此外,浆料的粘滞性、基材表面的亲疏水性、烘干温度及时 间都会影响到印刷的高度及深度。
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