铝背场以及铝浆成分作用机理

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1、第32卷湖北师范学院学报(自然科学版)Vol.32第2期JournalofHubeiNormalUniversity(NaturalScience)No.2，2012铝背场以及铝浆成分作用机理汪国庆，李志(武汉明善材料有限责任公司，湖北武汉430090)摘要:铝浆作为晶体硅电池背电极材料，主要由导电相、无机粘结相、添加剂、载体组成。这些组成部分都对铝浆的性能起到至关重要的影响。对各种组成成分的作用机理以及铝背场形成使用机理进行了综述。关键词:太阳能电池;铝背场;玻璃粉;添加剂中图分类号:TM23，TB34文献标识码:A文章编号:10

2、09-2714(2012)02-0012-05doi:10．3969/j．issn．1009－2714．2012．02．0030前言硅太阳电池的发展与电极浆料以及电极制造方法的研究是密切相关的。在80年代发展的比较快，科学家研究了大量适于作为电极的金属和制造电极的方法。适合的金属主要有银、铝、金、钛，而当时主要的电极制作方法有真空蒸镀、化学镀鎳、印刷烧结三种。为了降低成本和适应大规模的工业化生产，人们在80年代借鉴厚膜集成电路中的方法，开发了印刷烧结的制作电极方法。其制作工艺与厚膜工艺基本类似，在晶体硅背电极电子浆料中导电相金属粉末

3、中铝粉应用最为广泛，与此同时铝浆作为一种复合体系，包含导电相、无机粘结相、添加剂、载体等组成，各种组分要发挥很好的协同作用才能使产品达到最优异性能。因此，掌握各组分作用机理以及各组分的选取搭配机理对生产研究显得尤为重要。1铝背场1．1材料选取原则电极就是与PN结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。习惯上把制作在电池光照面上的电极称为上电极。把制作在电池背面的电极称为下电极或背电极。制造电极的方法主要有真空蒸镀、化学镀镍，铝浆印刷烧结等。对于制作的下电极材料一般要满足下列要求:1)形成铝背p－p+结，提高开路电压;2)形成硅铝合金对硅片进

4、行有效地吸杂，提高效率;3)能与硅形成牢固的欧姆接触;4)有优良的导电性;5)化学稳定性好;收稿日期:2012—02—13作者简介:汪国庆(1986—)，男，山东泰安人，硕士，研究方向为功能材料领域.·12·6)有适宜大规模生产的工艺性;7)价格较低无污染。综合以上特点铝浆丝网印刷成为近几年比较成熟和在商品化电池生产中大量被采用的背电极制作方法。1．2铝背场形成理论铝背场的形成通常采用合金法来制作的，将印刷好的硅片放进峰值温度超过577℃(铝硅合金共熔温度)的链式烧结炉里进行烧结。当温度低于577℃时，铝硅不发生作用，当温度升到共晶

5、温度577℃时，在交界面处，铝原子和硅原子相互扩散，随着时间的增加和温度的升高，硅铝熔化速度加快，最后整个界面变成铝硅熔体，在交界面处形成组成为11．3%硅原子和88．7%铝原子的熔液。急速冷却后交界处形成一层2～3μm合金层即铝背场。1．3烧结的动力学原理电子浆料在烧结过程中，玻璃体熔化，金属粒子重新排列更趋紧密，在冷却过程中玻璃体收缩，各个金属微粒之间互相紧密接触，形成连续的导电网络，从而获得良好的导电性。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。浆料体系是有机物、溶剂、固体粉末颗粒高度分散的系统。尤其

6、固体粉末粒度都在微米级别具有很高的表面自由能，以及在制造过程中受到各种物理化学的损伤造成严重的晶格缺陷同样使其具有很高的自由能。烧结时固体粉末颗粒由接触到结合伴随空隙排除、缺陷消除、自由表面的收缩，使系统的自由能降低，系统转变为热力学中更稳定的状态。这就是铝浆烧结的动力学原理。同时也是粉末系统在高温下能烧结成密实结构的原［1］因。1．4铝背场的作用机理［2］铝背场的作用机理有两个，一个是铝吸杂;一个是形成所谓的P+层。铝背场的烧结过程中可生成铝硅合金层，由于Al、Si原子间存在结构差异，二者结合所形成的晶格失配会造成应力，形成应力吸

7、杂中心从而有效提高了背表面的吸杂作用。可以理解为在铝硅熔融状态下杂质金属在铝中的溶解度要高于硅，从而可以将硅中杂质吸附出来。在快速热退火过程中，P-Al的互扩散也加强了对重金属杂质的吸收作用，还有利于产生较深的发射结。在晶体硅太阳能电池中有电子和空穴两种载流子。在N型硅中，空穴是少数载流子，电子是多数载流子;在P型硅中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。当晶体硅电池PN结受光照时，光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势

8、垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。铝是三价元素，硅是四价元素。烧结铝背场的过程中铝扩散到硅中形成许多空穴提高了背表面的掺杂浓度，从而在背表面产生