2021-4-9 | 冶金工业论文
每一批次硅片由于其杂质掺入的比例以及深度的不同，每批硅片都有其最佳的烧结点，当温度过高或者过低，都不能达到我们理想的烧结效果。欠烧时，欧姆接触没有完全形成，串联电阻便会偏大，填充因子偏低；过烧时，硅片表面的扩散磷在高温下被驱赶到硅片的深处，而银浆中的磷不能形成充分的磷源补充，硅片表面的杂质浓度就会下降，接触电阻就会增加，同时银硅合金也会消耗过多的银，此时的银硅合金层相当于隔离层，阻止了载流子的输出，也会增加接触电阻，降低填充因子。因此通过考察接触电阻的好坏以及p-n结特性我们便可以判断出烧结情况的好坏。结合并联电阻以及反向电流的考察，我们便可以大体判断出烧结的调节方向，过烧时会导致电极烧穿，更多的杂质驱散到p-n结附近，增加了局部漏电的几率[10]，这时所表现出来的特征就是并联电阻偏小，反向电流偏大，同时温度过高时表面复合几率增大，短路电流也会相应减小。因此烧结匹配性的判断主要是对串联电阻中的接触电阻、并联电阻、填充因子、反向电流以及短路电流的综合判断。
实验
1）样品：实验选用面积为156mm×156mm,晶向为<100>的p型单晶硅片作为实验样品，其电导率为0.5Ω•cm～2.0Ω•cm，原始硅片厚度约200μm。实验样品共分为11组，每组样品20片。2）实验步骤：实验步骤如下：清洗制绒→扩散制结→刻蚀→去磷硅玻璃→镀减反射膜→印刷→高温烧结→测试统计平均数据→调节烧结工艺→分析结论。（1）清洗制绒，采用低浓度的碱溶液腐蚀制备绒面，降低硅片的反射率。（2）扩散制结，使用液态POCl3作为磷源在高温下扩散形成p-n结，使用semilab公司的方阻测试仪SHR-1000测试方阻，控制方阻范围53Ω/□～57Ω/□。（3）采用CF4和O2的等离子体进行硅片边缘刻蚀。（4）用适当的浓度的HF酸去除附着的磷硅玻璃。（5）采用常规的工艺在硅片表面淀积一层SiNx:H减反射膜，使用semilab公司的LE-100PV椭偏仪测量薄膜的厚度以及折射率，显示为膜厚75nm，折射率为2.01。（6）印刷和烧结：用Baccini丝网印刷机对硅片进行电极印刷，并用Despatch烧结炉以20片为一组，根据烧结结果对烧结炉进行反复调节。这里主用采取控制变量法，先控制烧结炉1区～8区温度不变，调节烧结炉的9区得到一个相对好的烧结点，然后控制1区～7区以及9区温度不变，调节8区温度，以获得最佳匹配温度。其中1区～7区在整个实验过程中未进行调节，为常见的陡坡式烧结曲线，其温度设置见表1（略）。（7）保持8区温度不变，设为820℃，调节9区温度得到的结果见表2。（8）保持9区温度不变，设为925℃，调节8区温度得到表格3的结果。
数据及分析
实验的数据结果是由pss10太阳能光伏模拟器测试得出，以20片的平均数据为参考，避免了单片的波动性造成的数据失真。对比表2和表3的烧结数据，我们不难发现Uoc、Isc、Rs、Rsh、FF和η在不同的烧结温度下，都有了改变。尤其是Rs、Rsh、FF以及η变化比较明显。实验过程中，我们控制其余8个区域，分别向过烧以及欠烧的方向调节，以期找到最为合适的烧结点。为方便数据的分析，我们将烧结的数据调整为温度逐渐升高的过程。分析九区的烧结数据，如图1所示（略），我们发现随温度的持续升高，电池背场烧结的更充分，电池的串联电阻持续得到改善，填充因子增大，效率提高。继续升高温度，除了串联电阻有了较大的下降以及填充因子有所上升外，其他的参数都变得更差，继续调高温度，电池的各项参都变得恶化。而串联电阻在第5组温度下得以改善，很有可能是温度较高，正面银电极部分烧穿，导致的串阻大幅度下降。而填充因子可以看成是串联电阻的函数，如公式所示。FFUUU=R++ocococsln(.)()07211式中：FF为填充因子；Uoc为开路电压；Rs为串联电阻。由公式，当串联电阻有较大下降时，FF有一个改善的过程。分析以上的烧结过程，当8区温度保持不变时，第4组数据烧结工艺温度设置是最为理想的。与最初的烧结工艺相比，效率提高了0.28%。得到了9区的最佳烧结点后，我们控制9区温度保持不变，对8区进行调节，如图2所示。同样可以看到在8区温度持续升高的过程中，电池各项参数有一个持续改善，得到最佳烧结点，再到一个持续恶化的过程。通过对接触电阻的测量分析，如图3所示，我们也不难发现，接触电阻在电池片未烧透的情况下，接触电阻较高，随着烧结情况的改善，接触电阻有着明显的下降，随着温度过高，电池片有被过烧的倾向时，接触电阻又开始增大。在p-n结特性良好的情况下，接触电阻越小，电池片的各项参数都相对比较好。尤其是测试效率，得到了很好的改善。经过反复调试，得到最佳的烧结温度见表4（略）。在此烧结温度下，我们又进行了多次试验，获得了较好的重复性。而在此温度下，效率相对于初始的烧结工艺有了0.51%的改善。这说明以上的分析是正确的。
结论
通过控制变量的方法，分别调节8区以及9区的温度，得到了一个相对较好的烧结工艺，在得出此工艺的过程中，我们结合理论以及通过对实验结果的分析，得出以下结论：（1）电池的串联电阻与烧结工艺的匹配密切相关，一般好的烧结工艺，串联电阻会相应地降低；（2）FF与串联电阻密切相关，一般随着串联电阻的减小，FF会相应地增大；（3）一般过烧与欠烧都存在串联电阻偏大的现象，此时应该结合并联电阻和反流进行判断，一般过烧都存在并联电阻降低，反流偏大的现象；（4）接触电阻的改善能够很好地预测烧结效果的改善，在不破坏p-n结的情况下，接触电阻越小，则烧结效果越好；（5）电池片由欠烧向最佳烧结点调节的过程中，串联电阻持续降低，刚过了最佳点以后，串联电阻依然会降低，此时需要结合效率以及反流来判断；（6）实在无法判断此时的烧结点，可以通过控制变量法，对一个温区进行单向变动，观察烧结效果，以判断温度调节的方向；本文从理论分析以及实验验证的角度获得了一个较好的烧结工艺，对工业生产中的烧结匹配有一定的指导意义。
本文作者：杨达伟 高华 杨乐 单位：上海超日太阳能科技股份有限公司