丝印烧结工艺培训教材

*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,丝印烧结工艺培训,电池事业部工艺中心,吴铮研,一,.,丝网印刷工序的作用,通过丝网印刷的方法，将具有高度化学活性的金属浆料印刷在硅片上，通过烘干使金属浆料固化，再通过高温快速烧结，在活性物质的帮助下，金属与硅片表面形成合金层，从而形成了良好的接触以及铝背场。,二,.,印刷原理简介,丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物上只有图像部位有印迹。换言之，丝网印刷实际上是利用油墨渗透过印版进行印刷的。,丝网印刷是通过刮条挤压丝网弹性形变后将浆料漏印在需要印刷的材料上的一种印刷方式，这也是目前普遍采用的一种电池工艺。,印刷时，网版距离台面的距离为,|snap-off|,，而刮刀将网版下压的深度为,|down-stop|,。在刮刀压力（,pressure,）的作用下，浆料从没有感光胶的地方被挤下，从而在硅片上形成电极或电场图形。,pressure,Print speed,Down-stop:,Snap-off,三,.,丝网印刷主要参数介绍,Snap off (,网版与台面的距离,),以台面为零点，向上为负，故,Snap off,为负值。,在印刷过程中，浆料在网版上方，刮刀以一定的压力压在网版上，使网版变形接触在硅片表面。浆料经过挤压接触刀硅片表面，硅片表面吸附力较大，将浆料从网孔中抢夺出来。此时，刮刀在运行中，先前变形的网版在回复力的作用下，很好的回弹，从而使浆料顺利地落在硅片表面。,Down stop(,刮刀压下后,刮条底端与网版的距离,),以网版为零点,向下 为负,故,Down stop,为负值。,刮刀与硅片的距离,= Snap off,绝对值,-,Down stop,的绝对值,-,硅片的厚度。,Pressure (,刮刀对网版的压力,),压力与印刷量，印刷效果，以及网版使用寿命有密切关系。相当重要。,四,.,丝网印刷设备简介（意大利,Baccini,）,印刷台及其控制界面,烘干炉及其内部构造,外部视图,内部旋转式温区结构,五,.,印刷用网版简介,网版上白色区域即为不锈钢丝网，而蓝色区域则为覆盖了感光胶的地方。印刷时，浆料可以从白色区域透过，从而形成印刷图形。,下图为目前生产线上使用的网版的细栅线显微镜下的图像。细栅线的宽带为,90,m,。,网版的基本参数,1.,网布型号,不锈钢网布,特多龙网布,尼龙网布,复合网布,2.,网布目数,250325,目,3.,线径,2330,m,4.,张网角度,22.5,5.,张力,28N,左右,6.,纱厚,60,m,左右,7.,膜厚,1625,m,8.,制版方式,单层膜,双层膜,三层膜,乳剂直接法,水贴菲 林,乳贴菲林,网布种类,不锈钢网布,:,具有网版张力较大,解像性好的特点,尺寸精度,稳定,但是网版张力容易下降,使用寿命短。,尼龙网布,(,也称锦纶网布,):,具有回弹性,通墨性好,缺点是耐,酸性稍差,伸长率较大,图像容易失真。,聚酯网布,(,也称涤纶网布,):,具有拉力伸度小,弹性强,尺寸稳,定,使用时间长的优点,但过墨性稍差。,网布目数,网布目数是指是,1,英寸丝网所具有的网孔数目,.,目数越高,网孔越小,解像性越高,图像清晰,但是过墨量越低,印刷越困难。,线径和纱厚,线径粗细决定了纱厚,进而决定了过墨量,.,标准平织网的（图中）的纱厚约是线经的,2,倍,3D,网的纱厚约是线经的,3,倍,.,砸压丝网纱厚可做到同线经厚度,.,同一线经丝网的最大与最小纱厚的差约为,300%,。,3,-250,目,标准,250,目,250,目砸压,线径越粗,纱厚越厚,但是线径越粗,开口率越低,一般说来印刷厚度一般会降低。,丝网的纱厚基本决定了过墨体积的高度,在开口率不变的情况下,纱厚越厚,过墨量越高。,六,.,印刷过程,背电极印刷,烘干,背电场印刷,烘干,正电极印刷,烧结,装片,七,.,烧结的动力学原理,烧结可看作是原子从系统中不稳定的高能位置迁移至自由能最低位置的过程。厚膜浆料中的固体颗粒系统是高度分散的粉末系统，具有很高的表面自由能。因为系统总是力求达到最低的表面自由能状态，所以在厚膜烧结过程中，粉末系统总的表面自由能必然要降低，这就是厚膜烧结的动力学原理。,固体颗粒具有很大的比表面积，具有极不规则的复杂表面状态以及在颗粒的制造 、细化处理等加工过程中，受到的机械、化学、热作用所造成的严重结晶缺陷等，系统具有很高自由能。烧结时，颗粒由接触到结合，自由表面的收缩、空隙的排除、晶体缺陷的消除等都会使系统的自由能降低，系统转变为热力学中更稳定的状态。这是厚膜粉末系统在高温下能烧结成密实结构的原因。,八,.,烧结的目的,干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，玻璃体将氮化硅层蚀穿，金属和硅互融形成合金，伴随着杂质扩散过程，背场形成，金属与硅形成良好的欧姆接触（形成正负电极），同时氮化硅中的,H,被驱入硅片体内，达到体钝化的目的。,1,废气排放,6,入口,/,出口,2,文氏管系统,7,驱动,3,操作,/,控制,8,冷却,4,媒介监测（气）,9,加热,5,媒介监测（水）,九,.,烧结炉的基本结构（,CT,）,烘干区,烘干区包括四个加热区：,ZONE 1,、,ZONE 2,、,ZONE 3,、,ZONE 4,，每个加热区温度单独可调、加热元件为电热丝或是远红外加热管，加热温度可设置到,500,摄氏度，但过程温度不应超过,300,摄氏度。,烧结区,加烧结区包括六个加热区：,ZONE 1,、,ZONE 2,、,ZONE 3,、,ZONE 4,、,ZONE 5,、,ZONE 6,，,ZONE 14,为预烧结区，,ZONE 5,和,ZONE 6,为主烧结区，热元件为近红外线加热管，其中,14,区加热管功率为,1600W,，,5,、,6,区加热管功率为,2700W,，每个温区温度单独可调，,14,温区温度可设置到,700,摄氏度，,5,、,6,温区可设置到摄氏,1050,度。,冷却区,冷却区采用水冷，给水温度大约在,2025,摄氏度范围内。,隔断,烘干区与烧结区之间、烧结区与冷却区之间各有一个隔离炉膛，通过风帘隔离，隔离炉膛防止相邻区域中的过程气体相互混合。,十,.,加热原理,1.,加热载片盒（炉腔）包括加热器，加工气体注入以及加工气体废气抽气盒。它被外覆以高热抗的隔热板。,2.,短波红外辐射器装配于传送带的上下方作为加热器。补充灯冷却器在热区,5,和热区,6,的加热器以延长服务寿命。它们内建于石英管。空间由加工气体吹扫。,3.,文管喷嘴推移前进废气流，气流方向与轨道运行方向相反。,4.,加热载片盒被划分为六个单独调节的热区。在热区,1,和,3,，加工气体通过隔热板的顶部和底部钻孔注入进加工腔室。在热区,5,和,6,，加工气体通过内建灯冷却器注入。废气抽气盒装配于热区,3,和,4,的顶部和底部。浆料快速燃出的加工气体和材料通过这些盒体移出加工腔室。,温度的测量,1,至,4,热区使用,K,型热电偶（,NiCr/Ni,），热区,5,和,6,使用,S,型热电偶,(Pt/PtRh),。在热区,5,和热区,6,还附加有一个同类的热电偶（每区一个）。它们是后装配于传送带的约,20mm,上方。用来测量加工通道的实际温度。,工作气体,1.,洁净和干燥的压缩空气在设备中作为加工气体。,2.,压缩空气供应至不同位置的加工腔室并用来 作为废气管道中文氏管喷嘴的驱动气体。,3.,监控可调节的最小压力的压力开关安装在气体分配器的前部。在气体分配器中，压缩空气被分配至单独部分。气体分配器通过关断和压力标准仪阀以供应压缩空气。每部分的供应线都建有一具有针形阀的流量表。流量表安装在操作面板右边的媒介装配板上。,十一,.,烧结工艺,1.,烧结温度的设置必须以最终的测试结果为标准。综合测试的,I-V,曲线和各项电性能参数来确定。,2.,相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即,FF,的变化。,3.,铝浆烧结的目的使浆料中的溶剂和有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。背面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为,P,型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。,十二,.,浆料的主要成分,金属粉末,导电相,有机粘合剂,烧结前的粘结,无机粘合剂,烧结后的粘结,其他添加剂,润滑、流平、增稠、触变,正面电极银浆,银颗粒：,70-80wt.%,有机溶剂：,15-30wt.%,玻璃料：,(PbO-B,2,O,3,-SiO,2,)1-10wt.%,背电极为电池的物理正极。,作用,1.,与硅片及铝背场形成较低的接触电阻。,2.,良好的焊接性能，与镀锡的焊带形成良好的接触，对,外输出电流。,背电极浆料：,背极浆料一般用银浆或是银铝浆。,对背电极浆料的要求：,低成本，可以达到较好的焊接性能。,十三,.,背电极印刷对浆料的要求,十四,.,背场印刷,在电池片的反面（非镀膜面）采用铝浆印刷整面（除背电极）,作用：,1.,收集背部的载流子，并传输到背电极。,2.,形成,BSF,，在硅片背面形成,P+,层可以减少金属与硅交,界处得少子复合，从而提升开路电压和增加短路电流。,所用浆料：铝浆,BSF,的烧成机理,相图,BSF,的,6,步烧成机理,图示,烧结机理的说明,1.,铝浆包含有,16,m,的,Al,颗粒、玻璃料以促进烧结有机粘结剂和溶剂。在干燥之后，有机溶剂被烧掉，留下一种多孔的网络状的结构，有,6070%,被填充，这种网状结构被有机粘结剂沾附在硅表面。此时沉淀的铝大约,7mg/cm,2,，厚度大约,40 m,。,2.,在,burn-out,阶段之后，在,660C,时,Al,融化，此时，由于相变潜热形成一个小的平台。同时，在每个铝颗粒的周围形成一个,Al,2,O,3,的壳。熔融的,Al,：,(1),可以穿透颗粒与硅之间的界面与硅接触形成合金；,(2),可以穿透相邻颗粒之间的界面。有两点注意：,在此阶段，,Al-Si,合金化是发生在局部区域的，还没有使熔融的,Al,覆盖在整个硅表面。,局域氧化层在整个烧结过程中不断加厚以维持网络状结构，颗粒在整个烧结过程中的维持在原处。液态的,Al,和,Si,在,Al,2,O,3,壳内传输，而颗粒间的传输通过颗粒之间的小烧结颈传输。,3,.,在,Al,被完全融化后，在所有颗粒中的,Al,假设处于热平衡状态。随着温度的逐渐升高，越来越多的硅进入颗粒中，而由于颗粒的体积被壳层所限制，因此有同等体积的,Al,从颗粒中流到硅片表面。这种物质交换在升温时，形成,Al,和,Si,的混合相，而在降温过程中向反方向进行。这种过程进行的完全而彻底，至少对于适当厚度的,Al,层可以如此。,在峰值温度，大约,30%,的液态相的铝颗粒含有,Si,，由于,Si,的溶解和液态相的传输很快，可以使用很快的温度上升时间和很短的停滞时间（,1s,足够）。在硅片表面有一个,Si-Al,液相“湖”，在后期这个“湖”成为,BSF,的起始点。为了得到一个封闭的,BSF,，需要在整个表面都铺满液相,Si-Al,层。,5.,在温度下降后，,Al,开始从液态合金中析出，按照相图的反方向进行，留下来的,Al,原子在硅中形成,BSF,层，并有一部分,Al,原子按照冷却温度的固溶度形成,Al-Si,合金。,6.,再到达共晶相的温度,577,C,时，剩余的液态固化形成第二个台阶。由于在,Al,颗粒相中发现的硅处于共晶相，大约有,12%,的,Si,存在于,Al,颗粒中，因此在硅中也同样也有相应的,Al,原子。因此，在,BSF,层上面总是存在着致密的,Al-Si,层。,铝层厚度对于背表面复合速率的影响,铝浆过厚也起不到更大的作用,铝浆厚度的优化,（,a,）缓慢升温时铝背场不均匀（上图），甚至出现没有铝背场的情况（下图）。,（,b,）而快速升温改善了铝背场但是也未能完全消除不均匀,性，甚至,50%,的界面仍存在起伏（下图）。,的均匀性（上图），,降温速度对于铝背场的形成至关重要,减轻电池片弯曲的方法,1.,提高玻璃料的熔点可以降低硅片的弯曲度。,2.,减低浆料的厚度可以减小弯曲度。,3.,降低烧结温度可以减小弯曲度。,背场出现铝包的可能原因,1.,铝浆未烘干。,2.,背场印刷铝浆过薄。,3.,烧结温度过高。,4.,绒面过大。,背场烧结要寻求一个较好的平衡点,（,1,）铝浆厚度：过厚,容易弯曲；过薄,不容易形成很好的背场、容易起球。,（,2,）烧结温度：过低,背场不好；过高,容易弯曲、容易起球。,（,3,）降温速度：过慢,不容易形成均匀背场；过快,容易形成应力，破损率增加。,十五,.,正电极,正电极为电池的物理负极。,作用,1.,细栅线起到收集载流子，对外输出光生电流。,2.,主栅线除收集电流外，还需要有好的焊接性。,细栅线要求又细又高,1.,高：较低的电极电阻。,2.,细：减少遮光面积，最大面积实现光电转换。,所用浆料：银浆,银电极的基本形成过程,1.,烧去有机溶剂,2.,玻璃料烧成：,（,1,）变成液体,（,2,）溶解银,（,3,）增强银的烧结过程,（,4,）腐蚀穿过,ARC,3.,在,Si,和,MO x, glass,之间发生氧化还原反应,4.,银生长到硅表面,形成机制小结,有机溶剂挥发,形成,AgO,壳,玻璃料穿透,SiN,层,PbO+Si,Pb+SiO,2,玻璃料腐蚀硅并析出,AgO,与硅反应并析出,Ag,2,O+Si,Ag+SiO,2,液态,Pb,与,Ag,形成液态,Pb-Ag,相,液态,Pb-Ag,相腐蚀硅,(100),面,冷却时,Ag,在硅,(111),面结晶,从,Ag-Si,相图看：两者形成合金的最小温度为,830,度，比例为：,Ag,：,Si=14.5,：,85.5,，银的融化点为,950,C,，因此，在太阳电池的烧结温度下，银无法溶解与硅形成合金，但如果银和硅形成混合相，则可以在,830 C,形成固态的合金。,玻璃料的作用是形成一种,Ag,和,Pb,的混合态，以使其合金点下降，使得银在低于,950 C,溶解。,.,1. Ag,晶粒和栅线直接接触,2.,通过极薄的玻璃层隧道效应,3.,通过金属颗粒沉积的玻璃层的多重隧道效应,三类接触：,question & answer,Thank You,