太阳电池片烧结炉的设计及其关键性能探讨_SOLARZOOM光储亿家
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太阳电池片烧结炉的设计及其关键性能探讨
  • 2011-11-01 16:49:09
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  摘要:网带式红外加热快速烧结炉是生产太阳电池片的关键设备,它的性能指标直接关系到电池片的转换率、成品率以及生产效率的高低。本文着重对几个关键性能进行了探讨,并介绍了实现这些性能的设备结构。

  关键词:太阳电池片;烧结炉;关键性能

  一、前言
  进入21世纪以来,光伏发电作为理想的可再生能源发电技术,得到了迅猛发展。在市场的拉动下,到2006年,我国已形成1200MW。的生产能力。在太阳电池片的整个生产工艺流程中,扩散、镀膜和烧结三道工序是最主要的,其中烧结是使晶体硅基片真正具有光电转换功能的至关重要的一步。因此,烧结设备的性能好坏直接影响着电池片的质量。

  太阳电池片目前采用只需一次烧结的共烧工艺,同时形成上下电极的欧姆接触。银浆、银铝浆、铝浆印刷过的硅片,经过烘干使有机溶剂完全挥发,膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上,这时可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。当电极金属材料和半导体单晶硅加热达到共晶温度时,单晶硅原子以一定的比例溶入到熔融的合金电极材料中。单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程是相当快的,一般只需几秒钟时间。溶入的单晶硅原子数目取决于合金温度和电极材料的体积,烧结合金温度越高,电极金属材料体积越大,则溶入的硅原子数目也越多,这时的状态被称为晶体电极金属的合金系统。如果此时温度降低,系统开始冷却形成再结晶层,这时原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来,也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型相同的杂质成份,这就获得了用合金法工艺形成欧姆接触;如果在结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份,这就获得了用合金法工艺形成P.N结。

  典型的太阳电池片的烧结曲线如图1所示。整个时间约120s,分为烘干、预烧、烧结和降温四个阶段。其中烧结段从500℃迅速升温至850℃左右,然后急剧降温到500℃以下,这段时间约10s,而在850℃仅停留2~3s。这种陡升陡降的工艺曲线,要求烧结设备在加热元件、炉膛结构、气氛布置、控制原理、传动系统和冷却方式等方面必须要有专门的设计。

  二、加热元件的选择和固定方式
  一般网带式烧结炉采用电热丝作为加热元件,主要通过热传导对工件进行加热,无法实现急速升温。只有辐射或微波能够迅速加热物体,而辐射加热具有使用经济、安全可靠、更换方便等优点。所以目前太阳电池片烧结炉基本都采用红外石英灯管作为主要加热元件。它的设计需注意以下三个问题:

  1红外辐射吸收光谱
  当红外辐射能量被工件吸收时,该物质所特有的吸收光谱需与发射光谱相匹配,才能在最短时间内最大效率地吸收辐射能。因此,在烧结的不同阶段,所选用的红外石英灯管也是不同的。在烘干段,要让有机溶剂和水分迅速挥发,采用中波管辅助热风加热是正确的;在预烧段,要让基片获得充分均匀的预热,中波管良好的红外辐射、均衡的吸收及穿透能力,正好符合要求;在烧结段,必须在极短时间内使基片达到共晶温度,只有短波管能做到这一点。

  2加热管的结构形式
  为实现烧结段的温度尖峰,需在很短的炉膛空间内布置足够的加热功率。目前,有短波孪管和短波单管两种结构可以选择,其线性功率密度均达到60kW/m2。虽然短波孪管拥有更高的单根功率(相当于两根单管并联),但由于其制造工艺复杂,对石英玻璃管的质量要求更高,制造成本约是单管的2.5倍。因此,在实际使用中,大多采用单管。
  3加热管的固定方式
  烧结段的温度峰值在850℃左右,此时灯管的表面温度将达到1100℃,接近石英管的使用极限,稍微过热产生气孔就会立刻烧毁灯管。而在灯管的引出导线部位,由于焊接导线的金属片和石英玻璃密封在一起,二者热膨胀系数不一致,如果此处温度过高就会产生应力裂纹,造成灯管漏气。因此灯管在炉膛中的安装固定方式十分重要。图2为红外灯管在炉膛中的一种固定方式。这种固定方式要求灯管的冷端距离炉壁至少80mm以上,保证引出导线部位的温度不会过高;而且炉壁上安装孔的直径要比灯管大2~3mm,通过两侧的固定夹具将灯管悬空夹持在炉膛中。

  三、炉膛结构设计与耐火材料的选择
  1炉膛结构的设计
  太阳电池片的烧结工艺决定了相邻两个温区的温度会有300℃以上的落差。虽然辐射加热具有很好的定向性,但是在灯管和基片之间由于炉膛气氛的存在,有一部分能量会因对流和空气的冷却作用而损失。同时,高温区的热量有向相邻低温区扩散的趋势,这种热扩散会抬高相邻低温区的实际温度,阻碍温度尖峰的形成。因此,如何减少空气的热损失和相邻温区的热扩散是炉膛结构设计的重点,其纵向截面剖视图如图3所示。

  整个炉膛采取大加热腔小通道的结构,大加热腔可以提供足够的热量,减少热震荡,提高炉膛的温度均匀性;小通道可以使每个温区的空间相对独立,减少对流,降低相邻温区间热扩散干扰。由于硅基片厚度只有200肚m左右,理论上通道高度可以很低,但在实际设计时,要考虑温度曲线测量器件从炉膛通过,一般有效高度在30mm左右。

  2耐火材料的选择
  对于辐射加热,炉膛耐火材料的选择不仅需考虑耐温隔热性能,更要考虑其辐射能力。陶瓷纤维具有极低的热导率和比热容以及高于一般耐火材料的黑度,在以辐射为主的加热方式中,太阳电池片烧结炉采用陶瓷纤维砌筑炉膛提高了辐射加热的效果,又节约能源。基于以上分析,在今后的炉膛设计中,隔热和辐射能力更好的硅酸钙材料和纳米绝热材料也值得考虑。

  四、烧结工艺不同阶段气氛布置的区别
  在太阳电池片烧结工艺中,不同阶段的目的是十分明确的。烘干段完成浆料的干燥,预烧段完成基片的预热,烧结段完成电极的烧结,降温段完成基片的冷却。因此,不同阶段的气氛布置是截然不同的。

  1烘干段的气氛布置
  辐射加热能迅速烘干浆料中的有机溶剂和水分,为有效地将废气排出,需依靠合理的气氛流向。图4为在烘干段利用热风辅助加热,增加炉膛中的空气对流来实现这一目的。

  外界的冷空气①由鼓风机送入加热器②,被加热到约200℃,从顶部进入炉膛,分成左右两股,通过对流将烘干过程产生的废气③携带至废气收集管,在抽气烟囱④的作用下排出炉膛。通过这种强制热风对流循环,炉膛内的废气定向有序地排出,减少了对基片的污染。

  2预烧段的气氛布置
  辐射加热在迅速提高基片温度的同时,也会因灯管布置问距、电流通断时间、辐射角度变化而造成基片受热不均匀。而在炉膛内通入一定量的热空气,巧妙利用对流搅拌作用,使温度分布更加均匀,消除了基片产生热应力的隐患。此外,预热时随着温度升高,浆料中的铝离子开始扩散挥发,为防止基片正反两面金属离子交叉污染,如何形成上下温区互不干扰的气氛流向是设计的重点。

  如图5所示,洁净的压缩空气①和③分别从炉膛的顶部和底部通入,经过耐火保温层的预热升温后,从小孔均匀地喷入炉膛,在排气烟囱②和④文氏效应的作用下,形成上下独立的对流层,分别吹过基片的上下面,然后从预部和底部排出,有效抑制了污染的产生。

  3烧结段的气氛布置
  烧结段灯管的表面温度极高,此处气氛布置的主要目的是利用空气的冷却效应,使灯管保持在安全的使用温度以内,具体结构如图6所示。冷压缩空气自炉膛两侧的接嘴通入,从灯管与安装孔的间隙吹进炉膛,一方面冷空气经过耐火层时被逐渐加热,不会对温区温度产生扰动;另一方面,冷空气在灯管表面形成一层很薄的冷却层,防止灯管过烧,并给冷端降温。直接采用德国贺利氏公司生产的水冷式加热灯管,或在炉膛两侧布置水冷壁都是彻底的解决方案,不过这些设备的制造成本较高。

  4降温段的气氛布置
  降温段的气氛布置相对简单,主要作用是阻隔烧结段的热量扩散。因此,在烧结段与降温段之间的过渡区,布置数道垂直的压缩空气气幕,并结合水冷钢套的作用,使热能被完全阻隔在烧结段内。

  五、温度控制原理及热电偶的作用
  1控制方式的选择
  常用温控系统的负载输出方式主要有调压式(变导通角)、删周期过零式(占空比控制)和cYc周波过零式(变周期)三种,它们的输出原理如图7所示。

  调压式又称移相控制,是指通过控制晶闸管的导通角大小,把电源的正弦波切除一部分,保留一部分,波形保留部分就是负载上通过的电流、电压的波形。改变保留波形的大小从而改变负载上所获得的功率大小,从而实现调节功率的目的。它的优点是冲击小,控制精度高;缺点是功率因数低,对电网有高次谐波污染,成本高。

  PWM方式是指在一固定的时间周期内,通过控制负载上电流导通和截止的时间比,来改变负载上的功率。它的优点是控制简单,成本低。缺点是过零时满功率输出,局部线路瞬间电流过大而对加热元件和电源带来冲击。此外,其通断的间隔长,容易造成温度波动,对于灯管辐射加热影响尤其明显。CYC方式是在PWM的基础上将输出的波形尽可能的均匀分布在一时间段内,避免集中导通、关断给电源带来的冲击。它既具有类似调压式的控制优点,又克服了PwM方式的不足,负载加热功率更均匀,有利于提高PID仪表的调节品质。缺点是当输出百分比小时,会出现低频闪烁现象,对电网有一定干扰。
  综合考虑,CYC周波过零控制方式更加符合灯管辐射加热的要求。

  2热电偶的选择
  在1000℃以下网带烧结炉中,目前均采用带陶瓷护管的K分度来检测温度,精度高、成本低廉。由于偶丝被保护在陶瓷护管中,热响应时间较长,对于普通的电热丝加热、低速运行的窑炉无影响。而采取辐射加热和CYC控制方式的太阳电池片烧结炉要求热偶的响应时间必须足够快,才能将温区的温度波动控制在允许范围内,否则烧结出的电池片转换率会随着炉温的波动而变化,离散性大、品质不一致。为解决热偶响应时间长的问题,采用S分度热偶是一种合适的选择。

  六、高速烧结对传动系统的要求
  目前太阳电池片烧结工艺要求能达到5000mm/min,而普通网带炉的运行速度一般只有200mm/min。高速烧结会使网带的运行平稳性变差,在电池片的背电极面造成网纹,影响外观质量,甚至会造成破片。此外,高速烧结如何在很短的时间内使网带迅速降温,以保证电池片出炉温度,也是一个必须解决的难题。目前,设计人员着重从以下四方面加以克服。

  1尽量采用弹性张紧
  目前网带式烧结炉均采用摩擦传动方式,即用张紧轮将网带压紧在主传动轮上,跟随主动轮一起运动。一般网带炉只在主传动处施加张紧,会造成网带有松边、紧边之分,对低速运行不会造成影响,但高速运行就会在松边产生抖动。为此,应采用全程弹性张紧的方式,这样,施加在炉体不同部位的张紧轮上的弹簧,会根据网带拉力的不同而自动调整摩擦力的大小,使之与拉力相匹配,最大限度地减小抖动的产生。

  2网带本身的结构要求
  由于电池片本身极薄(还有继续减薄的趋势),从烧结段带出的热量主要集中在金属网带上。理论上迅速降温的方式有两种,一是加快热交换;二是减少热源。当设备的冷却方式确定后,只能降低网带本身的蓄热,即减少单位面积上金属丝的用量。

  影响网带轻重的主要有网带的节距p、网距t、网丝径d和穿丝径D,如图8所示。p和t越大、d和D越细,单位面积的网带越轻,反之就越重。但太阳电池片烧结炉的网带在高温高速下运动,要求长期使用不抖动、不变形。这与前者是矛盾的,必须仔细分析p、t、d和D的影响,协调解决。"人"字形结构的优点是网丝呈螺旋V形结构,自身刚性好,因此加大网距t,减小网丝径d,对网带的受力影响较小;网带在拉力作用下,所有的着力点均由穿丝承受,特别是d加大后,对穿丝的刚性要求更高,所以穿丝径D应在网丝径d的1.5倍以上;节距p加大后,会在传动轮圆周上产生多边形效应,接触面减小,造成摩擦力不足,而且d变细时,p过大,会使网丝在张紧力的作用下发生变形,因此节距p一般控制在网距t的1.1~1.2倍之问。这样编织出的网带,既有足够的长期使用刚性,本身单位面积重量又很轻,蓄热很小。

  3网带编织和支撑方式的要求
  为满足降温需要,太阳电池片烧结炉的网带网孔更大,丝径更细,更容易造成网带的扭曲、跑偏。因此需要在编织时进行严格的夹具定位,特别要控制两端丝头焊接时的应力产生。此外,整个传动对网带的支撑结构也很重要,应该尽可能在网带的接触面采用滚动结构,减少摩擦力,以提高网带寿命,降低网带振动。
  4新工艺对传动的特殊要求
  目前一些厂商正在试验反烧工艺,即将电池片的背电极朝上放在网带上烧结。它的优点是有利于背场形成,减少铝对电池的污染,转换率较高;缺点是网带易划伤正面栅线。因此,采用带突点的网带或类似热风回流焊机的带支撑短杆的链式传动机构,将是今后的研究方向。

  七、实现电池片快速降温的方法
  如前文所述,降温的措施除减少网带蓄热外,还可采用高效的热交换器。单纯的轴流风机吹扫或水冷钢套换热都无法满足在lmin内迅速降温的要求。风冷式水冷换热器是成熟可靠的解决方案,在此基础上,开发了内部循环换热和外部对流换热两种结构。

  1内部循环换热式
  冷却腔相对于外界环境是封闭的,水冷换热器安装在网带的上下,固定在换热器背部的轴流风机强制将网带和基片带出的热量抽过换热片,降温冷却后的凉风再吹到网带上,这样空气不停地在冷却腔内循环降温,从而降低了网带和基片的温度。其优点是热量内部循环,外界散失少,能耗低,对工作间温度影响小,成本低;缺点是换热效率较外部对流式差。

  2外部对流换热式
  冷却腔相对与外界环境是开放的,水冷换热器安装在网带上下,冷却腔顶部的风机将外部经过滤净化后的空气吸入,在上水冷换热器中冷却,吹到网带和基片上;冷却腔底部的风机将热的空气抽出,经下水冷换热器降温后排到设备外。这样,不断利用外部冷空气冷却,达到降温目的。其优点是换热效率比内部循环式高;缺点是排出的气体对工作间温度有影响,外界散失大,能耗较高,成本高。因此,对于炉体较短,急速降温,或对出口温度有严格要求的,可采用外部对流换热;对于炉体较长,对出口温度要求较宽泛的,可采用内部循环换热。

  3风量及流向对电池片的影响
  当水冷温度和流量一定时,唯一影响降温速率的是风量大小。但过大的风量,会对电池片产生很大的力,控制不好会造成破片。此外,风的流向也很重要,如果垂直向下,当吹到电池片时,风会向两边扩散,靠近烧结段的,会影响烧结温区的温度稳定,从而影响转换率。采用风机向出口倾斜的安装结构能很好解决这一问题。

  八、总结
  太阳电池片特殊的烧结工艺,决定了烧结设备不同于一般网带炉的设计结构,其中某些关键性能指标,直接影响着电池片的质量。我们在2005年开发了第一代网带式红外加热快速烧结炉,最高带速3600mm/min,平均转换率14%~15%,但存在灯管寿命短、温度尖峰不够、出口温度过高等缺陷。我们经过不断地摸索研究,并参考国内外同类设备的优缺点,总结出以上设计经验,并据此在2006年开发了第2代设备,其总体结构如图9所示。

  其特点是烧结段采用进口红外短波灯管,其余采用国产灯管,控制采用计算机集散控制系统。它克服了第一代的缺点,最高带速达到了6700mm/min,出口温度控制在45℃以下,平均转换率也和国外设备十分接近,交付使用后,用户十分满意。10组样片的对比测试结果(平均值)如表1所示。

  由此可见,通过深入分析工艺曲线,采取正确的设计结构、合理的材料选择,国产设备已经接近国外先进水平,而其巨大的价格优势是后者无法比拟的。
【责任编辑:llsolar】
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