太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析

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'太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析'
第 20 卷第 22 期 系 系 统统 仿仿 真真 学学 报报© Vol. 20 No. 22 2008 年 11 月 Journal of System Simulation Nov., 2008 ? 6103 ? 太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析太阳电池电极与铝背场烧结过程的数值模拟分析 孙国辉1,2,晏石林1,陈 刚1 (1.武汉理工大学理学院, 武汉 430070;2.万向集团技术中心, 杭州 311121) 摘摘 要要: 在太阳电池的生产中,由于硅材料与各种电极浆料热膨胀系数不匹配,导致太阳电池在烧 结过程中产生残余应力,严重影响到产品质量和成本。采用有限元法对电池电极烧结过程进行数 值模拟研究,分析由于硅与电极热膨胀系数不匹配引起的弯曲问题以及电池片烧结过程中产生的 残余应力分布情况。讨论了硅片层厚度和铝背场厚度对电池片弯曲度的影响,并对电池片在不同 弯曲度下的应力状态进行了分析,对如何提高产品的成品率提出了改进措施。 采用有限元法对电池电极烧结过程进行数 值模拟研究,分析由于硅与电极热膨胀系数不匹配引起的弯曲问题以及电池片烧结过程中产生的 残余应力分布情况。讨论了硅片层厚度和铝背场厚度对电池片弯曲度的影响,并对电池片在不同 弯曲度下的应力状态进行了分析,对如何提高产品的成品率提出了改进措施。 关键词:关键词:一次能源(48060) ;太阳电池;铝背场;热应力 中图分类号中图分类号:TP391.9 文献标识码文献标识码:A 文章编号:文章编号:1004-731X (2008) 22-6103-03 Numerical Simulation on Sintering Process of Solar Cell Electrode and Aluminum-Alloyed Back Surface Field SUN Guo-hui1,2, YAN Shi-lin1, CHEN Gang1 (1. School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. WanXiang Group Technical Center, Hangzhou 311121, China) Abstract: In the production of the solar cells, since the mismatch of heat expansion coefficients between silicon and various electrode materials, the residual stresses thus caused during the sintering process have significant influence on the quality and the cost of the products. Numerical simulation was carried out on the sintering process of the cell electrode by the finite element method, to analyze the bend problem and to obtain the distribution of residual stress. The impact was discussed on the thicknesses of silicon material and aluminum-alloyed back surface field on the bend level of the cell, and the stress state of cells under different bend levels was investigated, hence advanced measures to enhance finished product rate were proposed. Key words: primary energy; solar cell; aluminum-alloyed back surface field; thermal stress 引引 言言1 由于太阳电池具有能量无穷无尽、无污染、能在用电的 现场发电等优点, 所以自从五十年代太阳电池作为能源应用 于宇航技术以来,太阳电池的技术得到非常快速的发展[1-2]。 现在太阳电池的种类已有很多, 但是晶体硅太阳电池一直占 主导地位。从现在的商业太阳电池来看,为了降低太阳电池 的成本,提高效率,生产厂家在不断减小硅片的厚度,以降 低原材料的价格。然而,薄片技术的发展对设备和工艺提出 了更高的技术要求: 一方面要求硅片在切割过程中减少产品 破损率; 另一方面要求从硅片到电池片的生产工艺包括丝网 印刷和烧结过程能提高成品率[3]。 从上个世纪80年代以来, 许多研究者对电池片的烧结温 度以及铝背场厚度对电池片性能的影响做了大量的研究, 试 图通过实验研究量化实验与理论之间的关系。J.D. Alamo [4] 等人研究了铝背场峰值温度(650~825℃之间)对铝背场背 表面复合速度的影响, 研究结果表明峰值温度对铝背场背表 面复合速度的影响不大。Amick[5] 等人研究了在烧结之前沉 收稿日期:收稿日期:2007-07-10 修回日期:修回日期:2008-07-22 作者简介:孙国辉作者简介:孙国辉(1963-),浙江杭州,研究生,高工,研究方向为太阳 电池工艺力学;晏石林晏石林(1963-),湖北武汉,博士,教授,研究方向为复 合材料工艺力学;陈刚陈刚(1976-),湖北武汉,博士,讲师,研究方向为计 算材料学。 积在硅片表面上铝的厚度对电池特性的影响, 他们是通过用 丝网印刷一层相对厚的和相对薄的铝浆在硅片上, 然后在相 同的温度下进行烧结, 比较不同厚度铝背场对电池特性的影 响。 由于硅片和电池电极热膨胀系数不匹配, 在电池片烧结 工艺中产生残余应力,使电池片发生弯曲,导致部分电池片 在焊接工艺和封装过程中碎裂。针对这一问题,本文采用有 限元法对电池电极烧结过程进行数值模拟研究, 分析由于硅 与电极热膨胀系数不匹配引起的弯曲问题以及电池片烧结 过程中产生的残余应力分布情况。 讨论了硅片层厚度和铝背 场厚度对电池片弯曲度的影响, 并对电池片在不同弯曲度下 的应力状态进行了分析, 对如何提高产品的成品率提出了改 进措施。 1 分析模型与参数分析模型与参数 分析所取硅片几何尺寸为 125mm x 125mm,铝背场和 硅片层厚度分别为 8µm 和 220µm。由于上电极电丝网的覆 盖面积小,且成栅状,对电池片弯曲的影响可不考虑。电池 片简化为硅铝层合板, 采用非线性层合壳单元shell181模拟, 银电极宽 2mm,厚 30µm,采用三维梁单元 beam188 模拟。 本文采用的有限元分析软件
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