“通过热工艺优化提升硅太阳能电池效率的证明”

介绍
太阳能行业正朝着低成本的方向发展，在每W要求更低成本的同时还要求更高的电池效率。热工艺优化与电池效率提升两者之间的关系已众所周知，尽管这一关系的具体化及获取方法并不太好理解。本论概述了工艺优化的方法，以及测量出的与太阳能电池产量相关的电池效率提升结果。基本的使用策略是为各种各样的热工艺选择适合的，一并包括了硅太阳能电池制造和厚膜太阳能制造领域。当然，本文侧重阐述硅太阳能电池烧结工艺。

实验概述
作为应用在太阳能电池上的银膏生产商，贺利氏有一段时间一直从事着完善烧结工艺的材料性能上。一组实验设计从采用KIC的e-Clipse热电偶（TC）夹具发展至采用更加复杂的测温仪和工艺优化工具来帮助确定公司最新锡膏的最佳晶片工艺曲线，并且测量出是什么样的工艺优化对电池效率产生影响。一些相同的晶片按照不同的烧结工艺在同一台烧结中加工，且测量出他们电池效率提升的结果，这一结果在本文中有被详细阐述。

电池烧结工艺
针对太阳能烧结工艺的应用，厚膜锡膏由功能（导电）相、粘合剂、树脂及添加剂合成，银是最常见的用于表面接触中的传导介质。粘合剂由玻璃熔块组成，用来将功能相粘到硅晶片上。专业化学的粘合剂也需要在防反光和保护层上做蚀刻，并开始对银和硅实行有效的电阻接触。树脂支持其它相的固体形态，并能使它们保持在均匀稳定状态。溶剂通常使树脂溶解，并且他们必须保持稳定的生产条件。这些锡膏的根本成份在快速烧结工艺中必须烧干净，因此只要不污染晶片表面或在P-n结附件引入重组合来源。

锡膏被要求在晶体硅太阳能电池生产中使用共同标准的屏幕印刷工艺。印刷后，晶片穿过在线烘干机并继续直接进入烧结炉，更多现今的烧结炉包含有6个烧结温区，所不同的是各厂商有着各自的温区长度以及他们各自维持烧结炉烧结环境一致性的方法。 

晶片的热工艺是效率获得提升的关键因素之一。在烘干步骤中，期望能去除大部分进入炉区前的锡膏熔剂。太阳能电池烧结普遍遵循尖峰工艺。晶片只看大约1-4秒间基于晶片和烧结化学物质的峰值温度。最重要的步骤包含清洁锡膏中已燃尽了的有机物，然后通过氧化硅来蚀刻或其它钝化处理/ ARC层，以及最后的，烧结银和N型硅半导体顶层之间的良好地欧姆接触的形成。这些都导致了串联电阻的低成效和来自接触构造的重组。当随着片电阻的增加而减少发射深度时，这项工艺控制将变得更加重要。扩散和烧结达成一致时必将达到预期的效率提升。

热工艺的发展
因为假设晶片的烧结工艺将会显著影响电池效率，专门设计一项实验研究在保持所有其它变量不变时晶片工艺的变化：

• 晶片；我们购买大量的以质量稳定著称的晶片。
• 铝涂层：所有的晶片都采用相同的铝涂层。
• 银膏；贺利氏SOL9235H同批次锡膏。
• 丝网印刷：丝网印刷时非常谨慎，采用贺利氏锡膏粘贴时能确保所有晶片的粘贴位置、线宽和线厚是均匀统一的。

测量热工艺：所有的工艺测量都需要高精确度的测温仪，使用一个新的TC夹具以证明晶片表面的读数的正确性和一致性。夹具上的K型热电偶采用平盘珠而不是球珠以增加精确度和重复性。

图1:贺利氏银膏
在项目前，已根据锡膏化学和多年烧结工艺实践经验的丰富知识制定了这些晶片的基准曲线。基准曲线在图2中以深蓝色线条所示。基准曲线的测试，正如所有随后的工艺提升测试，晶片在同一时间同一状态下被加工。十片晶片在短短一段时间内穿过烧结炉，并接受相同的工艺限制。烧结后，我们用持续照明检验器测量电池效率，基准曲线的一般效率是15.53%,正如图3中所见（η电池）。根据这项研究中选用的晶片类型，以及实际用于的持续照明灯测试而不是闪光测试，这一效率数值是被认可的。现在我们想要做得更好！

图2:每组晶片的测试曲线重要的是要承认，我们正在努力实现的不是要找到晶片的单一“黄金”曲线，而是最佳热工艺窗口。贺利氏锡膏SOL9235H是一个性能非常强健的锡膏，它可以在完整的曲线测量过程中表现良好。建立一个工艺制程窗口将为晶片的峰值温度、这一温度标准上的时间设置上下限。而其中的电池效率将是最高的。

图3：电池效率测试

图4：每片晶片底部的电池效率箱形图因为我们不知道我们工艺窗口的上限和下限，我们使用基准曲线作为起始点，且一开始的时候我们在其周围设置相当宽的工艺限制，如图4所示。测温软件常常用一个单一地被称为工艺窗口指数（PWI）的数值测量曲线符合所选工艺窗口的程度。当工艺位于工艺窗口的边缘时，PWI数值等于100%,数值越低，工艺曲线越接近工艺窗口的中心。PWI等于0%表示工艺位于工艺窗口的最中心位置。

图5：原始工艺窗口
我们的测温仪也有一个模拟软件，可以允许我们在软件中改变烧结炉的炉区温度和链速，并立即预测出晶片的工艺曲线。我们尝试改变软件中的几个炉区温度，并研究软件在设置10°C前提升至炉子最高尺度的温区（温区5和温区6）的模拟曲线，一旦烧结炉在新设置上稳定下来，我们便给第二组测试运行一套10个晶片。一般电池效率提升从0.4到15.93%。在第三组中，我们在温度5和6又增加了10°C的峰值温度，但是10片电池的平均效率却降低了0.12%。

在第4组的测试中，我们对温区的设置回到第二组测试的级别并且减少烧结炉的链速。预测软件显示了晶片工艺的影响因素，同时包括峰值温度的变化，尤其是如图5所示各温度级别上的时间。基于这个原因,我们将链速从每分钟200减少到190"。电池平均效率在第2组数据电池效率为16.06%上又增加一个0.11%。最后一次测试（第5组）保持温度稳定，但将链速从每分钟190增加至每分钟210"。平均电池效率降低了0.16%。

图6: e-Clipse TC夹具

结论
通过系统地改变关键的工艺规格，诸如峰值温度和500°C 上恒温时间，我们能够确定绕结工艺的“最佳点”。PWI指数和测温仪模拟软件能让我们迅速从不同档次工艺中确定最合适的烧结炉工艺设置。这一最佳设置点将使电池平均效率高出先前经验所得出结果的0.51%。

Heraeus SOL 9235H 银膏属性可实现一系列工艺参数配置中高效的工艺制程。因此可根据上述确定的“想法”建立工艺窗口。Heraeus现在为他们客户建议每一个应用的最佳工艺窗口。 

对于现代测温仪，太阳能电池制造商能调节他们的烧结炉设置直至晶片工艺达到所建议的工艺窗口中心。久而久之，因为一些变数，诸如：灯泡老化更换、烧结炉磨损、链速漂移、排气装置更换等等，热工艺将会产生漂移。对于制造工程师来说，运行另一个曲线或使用测温优化软件来确认产生合适工艺曲线的烧结炉设置方案是一项简单的任务。 

这一工艺优化的方法依赖于精确地可重复的工艺读数。历史工艺读数中的一项过量噪音由热电偶的连接方式造成。Cemented和 dummy 晶片热电偶都倾向于测试用来固定热电偶的材料，而不是测量晶片表面。将热电偶装配到晶片上需要承受一个重要的问题，就是不可重复使用。而相比之下采用夹具所带的热电偶粘合就比较好！

最后，工艺优化的快易必须满足使用在批量产线上，而不是仅仅在实验室中。几乎在实验室中表现完美的工艺转到实际生产线上都失败了，因为烧结炉的特性不同。一旦建立正确的工艺窗口，大容量的烧结炉能在几分钟内调节好，将生产当机时间保持在最低限度。这项任务不仅要完成从实验室转到实际产线上，还必须执行定期的热工艺转换以维护生产线实际寿命。花几分钟时间来调节烧结炉的峰值温度就能从大大提高电池效率中得到丰厚的回报。

研究趋势：
由e-Clipse TC夹具获取的温度数据高于老式方法获取的历史读数。未来的一个研究方向将侧重于量化新测温方式的精确性和可重复性，因为它涉及到理论上真正的晶片表面温度。

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