烧结设备、烧结方法及光伏电池片制备装置与流程

1.本发明涉及半导体材料金属化技术，更具体地涉及一种烧结设备及相应的烧结方法，还涉及包括该烧结设备的光伏电池片制备装置。


背景技术：

2.在光伏电池的生产过程中，电池片(如硅片)经过制绒、扩散及pecvd等工序后制成能够光照发电的pn结，然后将栅线添加到电池片上在pn结的两端形成欧姆接触电极，进而实现电流输出。在电池片上添加栅线的过程被称为金属化，其是光伏电池片制备的关键工艺之一。在金属化过程中，可以通过丝网印刷技术将金属浆料(如银浆和铝浆)印制在电池片的正面和背面，再经过低温烘烤和高温烧结等工序，最终形成光伏电池的精细电极。
3.烧结设备(如烧结炉)用于对电池片实现低温烘烤和高温烧结，以便干燥电池片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，并在电池片上形成良好的欧姆接触电极。
4.现有的烧结设备主要是通过以适当的受控温度场对电池片进行加热来实现金属化接触反应和金属烧结。在这种以热驱动为主的金属化控制方式中，金属化接触的形成和对电极的侵蚀反应相互矛盾，例如在高方阻(大于180ohm/sq)的条件下，电池接触带来的填充因子(ff)的提高和开路电压(voc)的降低同时存在，最终很难使电池效率有实质提高，而且容易对电池片产生热损伤。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服现有技术中存在的上述至少一个缺陷和/或其它问题。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种烧结设备，其包括供带有第一基材的半导体材料通过的内腔和设置在所述内腔中以对所述半导体材料进行金属化烧结的加热装置。所述光伏烧结设备还包括设置在所述内腔预定区域的光照装置，所述光照装置对通过所述预定区域的所述半导体材料进行光照射，所述预定区域的温度设定为使得所述半导体材料上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，所述光照装置的光谱类型构造成其光子能量大于所述半导体材料的禁带宽度。
7.根据一种示例性构型，所述预定区域的温度可以在450摄氏度以上。
8.根据一种示例性构型，所述光照装置可以包括可见光光源。
9.根据一种示例性构型，所述加热装置可以包括发热灯管，所述光照装置的光强度可以是所述发热灯管的光强度的0.5倍以上，并且/或者所述光照装置的发热量可以是所述发热灯管的发热量的0.5倍以下。
10.根据一种示例性构型，所述烧结设备的内腔可以包括顺次布置的升温区、峰值温区和降温区，在所述升温区、峰值温区和降温区中的一者或多者内可以设置有所述光照装置。
11.根据一种示例性构型，所述光照装置可以设置在所述降温区内与所述峰值温区邻接的位置。
12.根据一种示例性构型，所述可见光光源可以包括led灯、碳弧灯、金卤灯、镝灯、水银灯、钠灯、硫磺灯和氙弧灯中的一种或多种。
13.根据一种示例性构型，所述光照装置可以包括对所述可见光光源进行聚光的聚光装置。
14.根据本发明的另一个方面，提供了一种光伏电池片制备装置，其包括如上面任一项所述的烧结设备，和位于所述烧结设备下游的光退火炉，其中所述带有第一基材的半导体材料被构造为带有金属浆料的光伏电池片。
15.根据本发明的又一个方面，提供了一种烧结方法，其包括：提供一种带有第一基材的半导体材料；将所述半导体材料通过设置有加热装置的烧结设备的内腔，加热所述半导体材料使得所述半导体材料进行金属化烧结；所述半导体通过所述内腔的预定区域时同时对所述半导体材料进行光照射，所述预定区域的温度设定为使得所述半导体材料上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，所照射的光的光谱类型构造成其光子能量大于所述半导体材料的最小禁带宽度。
16.根据一种示例性构型，所述预定区域的温度可以在450摄氏度以上。
17.根据一种示例性构型，所照射的光可以是可见光。
18.根据一种示例性构型，所述加热装置可以包括发热灯管，所述光照射的光强度可以是所述发热灯管的光强度的0.5倍以上，并且/或者所述光照射的发热量可以是所述发热灯管的发热量的0.5倍以下。
19.根据一种示例性构型，所述烧结设备的内腔可以包括顺次布置的升温区、峰值温区和降温区，可以在所述升温区、峰值温区和降温区中的一者或多者内进行所述光照射。
20.根据一种示例性构型，可以在所述降温区内与所述峰值温区邻接的位置进行所述光照射。
21.本发明至少具有以下有益效果：与现有的烧结设备和烧结方法主要以热驱动方式对电池片进行金属化处理的方式相比，在根据本发明的烧结设备中的特定位置处加设了特定的光照装置对电池片进行光照，从而改变了电池片的电化学电位并增加电池片中的半导体基底的载流子浓度，促进金属离子在硅表面的沉积，从而在不引起光伏电池的开路电压(voc)损失的情况下提高其填充因子(ff)；另外，在电池片接收的总能量不变的情况下，额外施加的光能量能取代加热装置的部分热能，从而可以使得烧结设备内的总体温度降低，有利于减少对电池片可能产生的热损伤；加设的光照装置与原有的加热装置能够共同作用，使得控制电池片金属化反应的方式更加丰富。根据本发明的烧结设备和烧结方法根据其光照射的工作机理还可对除带有金属浆料的光伏电池片以外的任何其它类型的、带有第一基材的半导体材料进行金属化烧结处理，从而改善其金属化接触效果。
附图说明
22.下面参照附图经由示例性实施例对本发明进行详细描述，其中：
23.图1是根据现有技术的一种烧结设备的示意图。
24.图2是根据本发明一个实施例的烧结设备的示意图。
25.附图仅是示意性的，且并不一定按比例绘制。它们仅示出为了阐明本发明所必需的那些部分，而其它部分可能被省略或仅仅简单提及。除了附图中所示出的部件外，本发明
还可以包括其它部件。
具体实施方式
26.下面参照附图描述根据本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员来说明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的特征、实施例和优点仅作说明之用，不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。
27.图1示意性地示出了根据现有技术的一种烧结设备100。烧结设备100可限定有内腔80。经历了电池片制备过程的在前工序的电池片2可例如由传送带1载持着从内腔80传送通过，以便在烧结设备中经受金属化烧结处理。烧结设备100主要通过以适当控制的温度场对电池片2加热来实现金属化过程，为此，在烧结设备的内腔80中设置有加热装置60。
28.为了获得期望的温度场，加热装置60在内腔80内可分区布置。例如，在图1所示的烧结设备100中，内腔80可划分为顺次布置的排胶区10、升温区20、峰值温区(高温区)30和降温区40。排胶区10用于对电池片2进行低温(例如在400～500摄氏度以下)烘烤，以使电池片浆料中的有机溶剂挥发去除。升温区20通过使电池片的温度逐渐升高(例如从400～500摄氏度升至700～790摄氏度)而对其进行预热，峰值温区30达到烧结设备内的最高温度(例如700～790摄氏度)以完成对电池片的主要烧结处理，最后降温区40供电池片冷却至适当低温(如60摄氏度以下，接近室温)，以便为后续工序(例如，在光退火炉内对电池片进行退火)做准备。例如，排胶区10、升温区20和峰值温区30中可以分别设置有发热强度不同的加热装置60，以匹配各区内的不同温度需求。作为加热装置的典型示例，可采用发热灯管。这样，可以通过设定发热灯管的数量和/或功率来达到不同的发热强度。降温区40中可以可选地设置有冷却装置(未示出)，以满足电池片的降温需求。
29.应指出，烧结设备内的上述温区设置只是示例性的，在实际生产过程中内腔80可根据具体情况和/或需求划分为在温度控制上更精细的更多数量的温区。
30.如前文所述，上述根据现有技术的烧结设备100主要以热驱动方式对电池片进行金属化处理，存在电池效率难以实质提高且易对电池片产生热损伤等缺陷。
31.图2示意性地示出了根据本发明的烧结设备的一种示例性构型。该烧结设备的基本结构与图1所示的烧结设备相同，因此在二者之间相同的部分用相同的附图标记表示并且不再进行重复说明。图2所示的烧结设备100与图1所示的烧结设备的不同之处在于，在内腔80内加设了至少一个光照装置50。每个光照装置50都设置在内腔80的一个预定区域内，以便在电池片2被传送到该预定区域内时对电池片进行光照射。
32.在烧结设备中专门设置光照装置50对电池片进行光照射能够增加电池片中的半导体基底(如n型硅或p型硅)的载流子浓度，促进浆料中的银离子等金属离子在硅表面的沉积，从而在不引起光伏电池的开路电压(voc)损失的情况下提高其填充因子(ff)。
33.为了实现上述效果，一方面，根据本发明，设置有光照装置50的预定区域应如此选定，即，该预定区域的温度使得在电池片上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在。在本发明中，这里的“液相物质”是指粘度在预定值以下或流动性高于预定
程度、从而有利于金属离子的运动和沉积的液态物质。只有在电池片上存在这种液相物质的情况下，才能有利于电池片因在吸收光子后改变了原有的电化学势和电导而促进相关的金属离子移动并沉积在硅表面上。因此，在内腔80中设置光照装置50的预定区域的温度必须在一阈值温度以上，这样才能确保在该区域内在电池片上存在上述液相物质。本领域技术人员容易理解，该阈值温度与电池片上金属浆料的材料有关，一般在450至500摄氏度以上。
34.在满足上述温度条件的情况下，设置光照装置50的预定区域可以是升温区20、峰值温区30和降温区中的任一者或多者。在图2所示的烧结设备100中，降温区被进一步划分为与峰值温区30邻接的区段41和远离峰值温区30的区段42。如果从成本角度考虑只设置一个光照装置的话，那么优选地，光照装置50设置在区段41内。这是因为，在电池片表面原本存在介电绝缘层(钝化层)，在该介电绝缘层打开(即部分或全部去除)前，光照产生的载流子不能被金属沉积反应利用；而随着烧结设备内烧结的进行，该介电绝缘层会被金属化反应逐渐去除，在峰值温区之后开始降温时、即在降温区与峰值温区邻接的位置处已打开约一半，这种情况下即可避免介电绝缘层对光生载流子产生的不利影响。
35.另一方面，为了实现本发明的上述效果，光照装置50向电池片提供的光子能量应当大于电池片的半导体材料的禁带(eg)宽度，这样才能保证产生光生载流子即电子空穴对。而光子能量取决于光谱类型，即光的波长或频率。因此，可以根据电池片的半导体材料的种类(不同的半导体材料具有不同的禁带宽度)来相应地选择光照装置50的光谱类型。例如，硅半导体的禁带宽度为1.1ev，那么作为峰值响应其可吸收波长在380～1100nm的绿色光和黄色光，处于可见光光谱范围内。而对于半导体材料si3n4，其禁带宽度为5ev，那么对应的光谱可处于紫外区。应指出，电池片的半导体材料一般可以包括彼此层叠的多种半导体材料，在这种情况下，光照装置50向电池片提供的光子能量大于电池片的各种半导体材料之中的最小禁带宽度即可，因为这样即能确保在其中至少一种半导体材料中产生光生载流子。另外，半导体材料的禁带宽度一般会随温度升高而变窄，因此在设定光照装置50的光谱类型时还可以考虑其所在预定区域的温度，以匹配半导体材料的禁带宽度随温度不同而变化的趋势。一般而言，光照装置50可采用可见光光源，其发出的可见光能够满足现有的大部分半导体材料的禁带宽度要求。作为示例，所述可见光光源可包括led灯、碳弧灯、金卤灯(如陶瓷放电金卤灯)、镝灯、水银灯、钠灯、硫磺灯和氙弧灯中的一种或多种。
36.本领域技术人员可以理解，光照装置50的光强越高，便能有越多的光能量输送给电池片来增加载流子浓度。因此，本发明优选采用高强度的光照装置。更具体而言，例如，在加热装置60包括发热灯管的情况下，光照装置50的光强度可以是发热灯管的光强度(这是指发热灯管的除去发热之外用于发光的那部分能量所产生的光强度)的0.5倍以上。另外，光照装置50可以在聚光或非聚光的条件下工作。当然，本领域技术人员能够理解，与非聚光的条件相比，使光照装置50在聚光的条件下工作有利于提升其光强，进而更大程度地增加载流子浓度。为此，光照装置50可以包括对其光源(例如上述可见光光源)进行聚光的聚光装置。
37.另外，在本发明中，光照装置50优选采用发热量低的光源。光照装置50的发热量低能尽量减少对于电池片的热损伤，同时不会对烧结设备内的总发热量产生过多影响，这有利于仅通过加热装置对烧结设备内的温度场进行精确控制。更具体而言，例如，在加热装置
60包括发热灯管的情况下，(在相同时间内)光照装置50的发热量可以是发热灯管的发热量的0.5倍以下。
38.与现有的烧结设备主要以热驱动方式对电池片进行金属化处理的方式(诸如发热灯管形式的加热装置可能会提供一些光辐射，但量极少)相比，在根据本发明的烧结设备中的特定位置处加设了特定的光照装置对电池片进行光照，从而赋予电池片额外的光能量。如上所述，这可以增加电池片中的半导体基底的载流子浓度，促进金属离子在硅表面的沉积，从而在不引起光伏电池的开路电压(voc)损失的情况下提高其填充因子(ff)。另外，在电池片接收的总能量不变的情况下，额外施加的光能量能取代加热装置的部分热能，从而可以使得烧结设备内的总体温度降低，有利于减少对电池片可能产生的热损伤。加设的光照装置与原有的加热装置能够共同作用，使得控制电池片金属化反应的方式更加丰富。
39.应指出，在根据本发明的烧结设备中提供的光照处理在原理和设置上都不同于现有技术中存在的光退火炉中提供的光照处理。前者需要光照在特定温度以上(以使得在电池片上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，该特定温度一般在450至500摄氏度以上)的位置进行，而后者是一般是在低于400摄氏度的低温条件下进行。前者的作用是通过光照增加载流子浓度以改变电极的电化学电位，最终促进金属化反应程度，而后者的作用是对电池片进行退火以减少电池的光致衰减。据此，可以想到的是，在根据本发明的烧结设备的下游还能够可选地再设置光退火炉以便减少电池的光致衰减，这与烧结设备中设置的光照装置并不互斥。
40.与上文所述的烧结设备相对应地，本发明还提供了一种烧结方法，其可包括：提供带有金属浆料的电池片2；将电池片2例如通过上述烧结设备的内腔80以加热电池片2而对电池片2进行金属化烧结；以及在电池片2通过内腔80的预定区域的同时对电池片2进行光照射，所述预定区域的温度设定为使得在电池片2上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，所照射的光的光谱类型构造成其光子能量大于电池片2的半导体材料的最小禁带宽度。在此，所照射的光可以是可见光，其能够满足现有的大部分半导体材料的禁带宽度要求。另外，所照射的光优选是高强度且发热量小的。所述光照射可以在升温区20、峰值温区30和降温区中的一者或多者内进行，优选地在降温区内与峰值温区30邻接的位置(如降温区41内)进行。根据本发明的烧结方法同样能够实现上文参照根据本发明的烧结设备所述的各种优点。
41.在上述实施例中以光伏电池片为例对根据本发明的烧结设备和烧结方法进行了说明，但本发明不限于应用在光伏领域的电池片上。本领域技术人员能够理解，根据本发明的烧结设备和烧结方法可适用于对任何带有第一基材的半导体材料进行金属化烧结处理以改善其金属化接触效果，其中第一基材除了金属浆料外也可以是非浆料的任何其它沉积材料。
42.虽然本发明以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种变动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所限定的范围为准。

技术特征：
1.一种烧结设备(100)，包括供带有第一基材的半导体材料通过的内腔(80)和设置在所述内腔中以对所述半导体材料进行金属化烧结的加热装置(60)，其特征在于，还包括设置在所述内腔(80)预定区域的光照装置(50)，所述光照装置(50)对通过所述预定区域的所述半导体材料进行光照射，所述预定区域的温度设定为使得所述半导体材料上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，所述光照装置(50)的光谱类型构造成其光子能量大于所述半导体材料的最小禁带宽度。2.根据权利要求1所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述预定区域的温度在450摄氏度以上。3.根据权利要求1所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述光照装置(50)包括可见光光源。4.根据权利要求1至3中任一项所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述加热装置(60)包括发热灯管，所述光照装置(50)的光强度为所述发热灯管的光强度的0.5倍以上，并且/或者所述光照装置(50)的发热量为所述发热灯管的发热量的0.5倍以下。5.根据权利要求1至3中任一项所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述烧结设备的内腔(80)包括顺次布置的升温区(20)、峰值温区(30)和降温区(41，42)，在所述升温区、峰值温区和降温区中的一者或多者内设置有所述光照装置(50)。6.根据权利要求5所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述光照装置(50)设置在所述降温区内与所述峰值温区邻接的位置。7.根据权利要求3所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述可见光光源包括led灯、碳弧灯、金卤灯、镝灯、水银灯、钠灯、硫磺灯和氙弧灯中的一种或多种。8.根据权利要求3所述的烧结设备(100)，其特征在于，所述光照装置(50)包括对所述可见光光源进行聚光的聚光装置。9.一种光伏电池片制备装置，其特征在于包括根据权利要求1至8中任一项所述的烧结设备(100)，和位于所述烧结设备下游的光退火炉，其中所述带有第一基材的半导体材料被构造为带有金属浆料的光伏电池片(2)。10.一种烧结方法，包括：提供一种带有第一基材的半导体材料，将所述半导体材料通过设置有加热装置的烧结设备的内腔，加热所述半导体材料使得所述半导体材料进行金属化烧结；所述半导体通过所述内腔的预定区域时同时对所述半导体材料进行光照射，所述预定区域的温度设定为使得所述半导体材料上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，所照射的光的光谱类型构造成其光子能量大于所述半导体材料的最小禁带宽度。11.根据权利要求10所述的烧结方法，其特征在于，所述预定区域的温度在450摄氏度以上。12.根据权利要求10所述的烧结方法，其特征在于，所照射的光为可见光。13.根据权利要求10至12中任一项所述的烧结方法，其特征在于，所述加热装置包括发热灯管，所述光照射的光强度为所述发热灯管的光强度的0.5倍以上，并且/或者所述光照射的发热量为所述发热灯管的发热量的0.5倍以下。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的烧结方法，其特征在于，所述烧结设备的内腔包括顺次布置的升温区(20)、峰值温区(30)和降温区(41，42)，在所述升温区、峰值温区和降温区中的一者或多者内进行所述光照射。15.根据权利要求14所述的烧结方法，其特征在于，在所述降温区内与所述峰值温区邻接的位置进行所述光照射。

技术总结
本发明涉及一种烧结设备、烧结方法及光伏电池片制备装置。所述烧结设备(100)包括供带有第一基材的半导体材料通过的内腔(80)和设置在所述内腔中以对所述半导体材料进行金属化烧结的加热装置(60)，还包括设置在所述内腔(80)预定区域的光照装置(50)，所述光照装置对通过所述预定区域的所述半导体材料进行光照射，所述预定区域的温度设定为使得所述半导体材料上进行的金属化反应能够产生液相物质或维持液相物质的存在，所述光照装置(50)的光谱类型构造成其光子能量大于所述半导体材料的最小禁带宽度。最小禁带宽度。最小禁带宽度。


技术研发人员：冯纪伟
受保护的技术使用者：贺利氏光伏科技（上海）有限公司
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22