晶體硅太陽能電池?zé)Y(jié)工藝用爐體熱功率設(shè)計(jì)

郭 立，李 克，劉良玉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，國(guó)家光伏裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410111)

隨著傳統(tǒng)能源的緊缺，新興能源行業(yè)日新月異，其中晶體硅太陽能電池以成熟的工藝、豐富的原材料、高轉(zhuǎn)換效率、成本相對(duì)低廉等原因成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料光生伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。即以半導(dǎo)體材料硅為基體，利用擴(kuò)散工藝在硅基體中摻入硼、磷等雜質(zhì)，形成太陽能電池的核心器件的p-n結(jié)。當(dāng)光照在p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流，形成電池。

印刷和燒結(jié)是形成電極，引出電流的工藝步驟，印刷了漿料的硅片經(jīng)過烘干排焦過程后使?jié){料中的大部分有機(jī)溶劑揮發(fā)，膜層收縮為固狀物緊密粘附在硅片上，這時(shí)可視為金屬電極材料和硅片接觸在一起。所謂的燒結(jié)過程是要使電極和硅片本身形成歐姆接觸，其原理為當(dāng)電極里金屬材料和半導(dǎo)體晶體硅加熱到共晶溫度時(shí),晶體硅原子以一定比例融入到熔融的合金電極材料中。晶體硅原子融入到電極金屬中的整個(gè)過程一般只需要幾秒鐘的時(shí)間。融入原子數(shù)目取決于合金溫度和電極材料的體積，燒結(jié)合金溫度越高，電極金屬材料體積越大，則融入的硅原子數(shù)目就越多，這時(shí)的合金狀態(tài)被稱為晶體電極金屬的合金系統(tǒng)。如果此時(shí)的溫度降低,系統(tǒng)開始冷卻形成再結(jié)晶層,這時(shí)原先溶入到電極金屬材料中的硅原子重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來,也就是在金屬和晶體接觸界面上生長(zhǎng)出一層外延層。如果外延層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型相同的雜質(zhì)成分，就獲得了用合金法工藝形成的歐姆接觸；如果在結(jié)晶層含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成分就獲得了用合金工藝形成的P-N結(jié)。

本文擬通過研究燒結(jié)工藝與前道工序的關(guān)聯(lián)因素，確定燒結(jié)爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及溫區(qū)分布；再利用熱工理論計(jì)算，得出爐體功率分布，找出最佳的燒結(jié)工藝狀態(tài)，進(jìn)而確定爐體的設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。

1 燒結(jié)工藝

燒結(jié)是晶體硅電池制作工藝中的最后一道工藝，其將印刷在硅片表面的導(dǎo)電金屬層在高溫的作用完成與p-n結(jié)的歐姆接觸，相當(dāng)于將硅片內(nèi)部的電池引到外部。因此，燒結(jié)是完成電池金屬化，形成正負(fù)極的關(guān)鍵工藝步驟。具體到晶體硅太陽能電池的燒結(jié)過程，包含以下幾方面的作用：

(1)正面印刷的銀漿向硅片內(nèi)部滲透，穿過SiN減反射膜到達(dá)擴(kuò)散形成的p-n結(jié)邊緣，與p-n結(jié)的n型結(jié)形成接觸，導(dǎo)出電流。

(2)背面印刷的鋁漿與p型硅本體高溫下發(fā)生共溶，配合后段快速冷卻形成硅鋁合金，相當(dāng)于與p-n結(jié)的p型結(jié)形成歐姆接觸，導(dǎo)出電流。

經(jīng)過燒結(jié)之后的電池結(jié)構(gòu)從正面到背面依次為：①Ag正電極；②SiN減反膜；③n型摻雜物；④p型硅本體；⑤Si-Al合金；⑥Ag/Al背電極。

圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)的燒結(jié)工藝溫度曲線。在圖中預(yù)熱燃燒區(qū)域，溫度快速上升，在12s的時(shí)間內(nèi)溫升達(dá)500℃之多，并迅速達(dá)到鋁背場(chǎng)的熔化溫度660℃，如圖中點(diǎn)2所示區(qū)域，隨后溫度繼續(xù)上升，以60～80℃/s的升溫速度達(dá)到尖峰溫度800℃左右，然后進(jìn)入冷卻階段，溫度快速下降，并在577℃時(shí)硅鋁共熔，鋁背場(chǎng)在其熔點(diǎn)之上的溫度下以液態(tài)的形式存在，在快速冷卻的條件下與硅元素形成合金，達(dá)到良好的歐姆接觸。快速的升降溫可以形成良好的歐姆接觸，這對(duì)爐體設(shè)計(jì)方式就提出了很高的要求，本文重點(diǎn)分析燒結(jié)升溫過程中的熱功率設(shè)計(jì)。

圖1 典型燒結(jié)工藝溫度曲線

2 爐體結(jié)構(gòu)布置的設(shè)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)果，硅片需要隨著金屬網(wǎng)帶的高速運(yùn)動(dòng)(常規(guī)工藝速度為5.2 m/min左右)途經(jīng)不同溫度的加熱區(qū)，來完成燒結(jié)過程。結(jié)合工藝升溫曲線的要求，將燒結(jié)區(qū)這部分的爐體分為預(yù)熱段，升溫段和燒結(jié)段3個(gè)部分，并形成有效的6個(gè)溫區(qū)(4～9區(qū))來達(dá)到精確控制溫度的目的。溫區(qū)由耐高溫，雜質(zhì)含量少，導(dǎo)熱系數(shù)好的TY1400多晶莫來石纖維砌成，溫區(qū)之間除傳動(dòng)通道外盡量隔開，避免溫區(qū)間相互串溫。8、9區(qū)尖峰段時(shí)間短，中間不加隔斷。采用紅外燈管加熱，選擇合適的加熱波長(zhǎng)，利用匹配吸收原理，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)硅片快速輻射升溫。閉環(huán)控制方式，熱偶探頭布置在硅片通道的上方，將反饋信號(hào)輸送到溫度控制器。溫度控制器把反饋信號(hào)與設(shè)定溫度對(duì)應(yīng)信號(hào)比較，來控制加熱模塊的輸出電流大小，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度平衡的目的。因?yàn)楣杵瑑擅嫱瑫r(shí)共燒形成歐姆接觸，燈管的布局采用上下對(duì)稱布置，接線頭穿過保溫材料層，與控制模塊相連。網(wǎng)帶帶著硅片在上下加熱燈管之間穿過。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在工藝曲線上取6個(gè)點(diǎn)，設(shè)定這幾點(diǎn)即為各個(gè)溫區(qū)的中心點(diǎn)，也就是熱偶探頭的位置。

對(duì)溫區(qū)基本尺寸的確定：①網(wǎng)帶長(zhǎng)度方向上，溫區(qū)長(zhǎng)度的確定根據(jù)網(wǎng)帶速度和在該段溫度下的工藝時(shí)間計(jì)算得到。②網(wǎng)帶寬度方向上，設(shè)計(jì)采用254 mm帶寬，適合目前大規(guī)模生產(chǎn)的125 mm×125 mm，156 mm×156 mm硅片單片自動(dòng)化燒結(jié)，考慮運(yùn)動(dòng)間隙，取定爐體內(nèi)腔寬度為350 mm。③內(nèi)腔高度方向，紅外加熱燈管的資料顯示，其常用排布間距為50 mm，又根據(jù)燈管到網(wǎng)帶距離y與燈管排布間距的關(guān)系式：y=1.2×x=60 mm（見圖2），加上燈管自身尺寸和安裝間隙，取定爐體內(nèi)腔高度尺寸為165 mm。

圖2 燈管距離尺寸關(guān)系圖

經(jīng)過計(jì)算，得到溫區(qū)的設(shè)計(jì)模型見表1和圖3。

設(shè)計(jì)中采用上下爐體分層的方式，上層保溫爐蓋可自動(dòng)升降，方便檢修和觀察爐膛內(nèi)部情況。下層爐體包括加熱燈管，金屬網(wǎng)帶部件，其兩側(cè)和底部也是保溫層結(jié)構(gòu)，以最大程度的減少熱量損耗。需要說明的是，因?yàn)闊崤继筋^和硅片的位置在于燈管的距離上有差別，熱偶反映的溫度是爐腔內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)的溫度，并不等同于硅片表面的溫度，真實(shí)的硅片表面溫度需要用爐溫在線采樣測(cè)試儀測(cè)量。

表1 各區(qū)參數(shù)數(shù)據(jù)

圖3 爐體結(jié)構(gòu)示意圖

3 熱功率計(jì)算

加熱爐的熱功率計(jì)算需要綜合幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）爐膛本身的蓄熱熱量；

（2）爐膛加熱工件(這里含金屬網(wǎng)帶和硅片)所需要的熱量；

（3）熱量損耗，包括熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射。

分別計(jì)算這幾部分的熱功率：

（1）爐膛蓄熱計(jì)算。快速達(dá)溫是大規(guī)模生產(chǎn)中半導(dǎo)體加熱類設(shè)備的一個(gè)基本要求，在短時(shí)間內(nèi)從室溫上升到工藝溫度，可以縮短待機(jī)時(shí)間，增加設(shè)備的產(chǎn)能。結(jié)合工藝實(shí)際，燒結(jié)過程對(duì)快速升溫的要求確定為T=12 min。

熱工設(shè)計(jì)資料給出計(jì)算公式：

式中：

Ps——保溫功率；

Pm——安裝功率；

A——爐膛內(nèi)表面積；

Q——爐溫(×10-3℃)；

T——升溫時(shí)間。

各區(qū)的升溫時(shí)間應(yīng)保持一致，但保溫功率和安裝功率會(huì)根據(jù)爐膛溫度的不同而有區(qū)別。計(jì)算如表2。

（2）網(wǎng)帶和硅片帶走的熱量。硅片質(zhì)量小，帶有的熱量有限，可以忽略不計(jì)，重點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)帶帶走的熱量。選用日本牌號(hào)314材料的平衡性金屬網(wǎng)帶，其強(qiáng)度好，耐高溫，承受急熱急冷沖擊的特性可以保證有效使用壽命。稱重網(wǎng)帶的質(zhì)量密度為2 kg/m，則單位時(shí)間(為方便功率計(jì)算，均取1s)網(wǎng)帶的前進(jìn)質(zhì)量即為m1=0.16 kg。查手冊(cè)得到314材料的比熱容，并計(jì)算網(wǎng)帶在各區(qū)的進(jìn)出溫度差。則可以根據(jù)導(dǎo)熱熱功率的計(jì)算公式：

計(jì)算網(wǎng)帶帶走的熱量，4區(qū)的初始溫度等于漿料烘干的溫度，常取300℃，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 各溫區(qū)爐膛蓄熱熱功率計(jì)算

表3 網(wǎng)帶攜帶熱量計(jì)算表

（3）熱量損耗。熱量的損耗包括兩方面的內(nèi)容，一是透過保溫層，傳導(dǎo)傳熱；二是透過各種縫隙，對(duì)流傳熱。

傳導(dǎo)散熱的計(jì)算，對(duì)于單層同壁導(dǎo)熱，單位時(shí)間的熱傳導(dǎo)量計(jì)算公式為:

式中：P2——透過保溫層的導(dǎo)熱功率；

A傳導(dǎo)——透過保溫層的傳熱面積；

t1——爐體內(nèi)腔溫度；

tw——爐體外壁溫度；

λ——保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

δ——保溫層厚度。爐墻外壁的表面溫度計(jì)算公式為：

式中：a——爐體外壁對(duì)環(huán)境的熱交換系數(shù)；

t0——環(huán)境溫度；其余代號(hào)同公式(4)。

根據(jù)日本工業(yè)爐壁的表面溫度判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)爐腔最高溫度在900℃以下時(shí)，外壁表面溫度應(yīng)該低于80℃，采用反推法計(jì)算，先取9區(qū)外壁為80℃，根據(jù)公式(5)計(jì)算后，取保溫層厚度。結(jié)合公式(4)、(5)和多晶莫來石保溫層在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)(見圖4)，可以分別計(jì)算各溫區(qū)的外壁溫度和傳導(dǎo)熱功率。事實(shí)上，計(jì)算結(jié)果很小，對(duì)總功率定量的影響不大。

同樣可以根據(jù)對(duì)流和輻射熱功率計(jì)算公式，計(jì)算對(duì)流傳熱和輻射傳熱熱功率，而計(jì)算結(jié)果同樣對(duì)總功率的影響很小，這里對(duì)此忽略。

綜合3個(gè)方面的計(jì)算結(jié)果，得到總的設(shè)計(jì)功率：

式中：η——安全系數(shù)，對(duì)鏈?zhǔn)綘t，取1.2

經(jīng)過計(jì)算并取整得到各區(qū)的熱功率見列表4。

根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)論，用fluent軟件仿真后可以得到如圖5的結(jié)果，契合設(shè)計(jì)目標(biāo)，符合試制要求。

圖4 TY1400多晶莫來石纖維保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)和化學(xué)組成

表4 各溫區(qū)功率分布計(jì)算結(jié)果

圖5 計(jì)算結(jié)果仿真溫區(qū)

4 結(jié) 論

通過分析晶體硅電池?zé)Y(jié)微觀理論，并結(jié)合實(shí)際熱工功率的計(jì)算，確定功率分布和溫度分區(qū)，將上述計(jì)算數(shù)據(jù)運(yùn)用到燒結(jié)爐的設(shè)計(jì)中，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，爐體結(jié)構(gòu)能較好地符合工藝要求，可以通過調(diào)整網(wǎng)帶速度的變化得出差異化的燒結(jié)曲線，合理的保溫層結(jié)構(gòu)降低了爐體表面溫升，降低了整機(jī)能耗，在工藝效果和設(shè)備節(jié)能兩個(gè)方面都取得了不錯(cuò)的成果。

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