太陽能電池片燒結爐的設計及其關鍵性能探討

網(wǎng)帶式紅外加熱快速燒結爐是生產太陽電池片的關鍵設備，它的性能指標直接關系到電池片的轉換率、成品率以及生產效率的高低。本文著重對幾個關鍵性能進行了探討，并介紹了實現(xiàn)這些性能的設備結構。

一、前言

進入21世紀以來，光伏發(fā)電作為理想的可再生能源發(fā)電技術，得到了迅猛發(fā)展。在市場的拉動下，到2006年，我國已形成1200MW。的生產能力。在太陽電池片的整個生產工藝流程中，擴散、鍍膜和燒結三道工序是最主要的，其中燒結是使晶體硅基片真正具有光電轉換功能的至關重要的一步。因此，燒結設備的性能好壞直接影響著電池片的質量。

太陽電池片目前采用只需一次燒結的共燒工藝，同時形成上下電極的歐姆接觸。銀漿、銀鋁漿、鋁漿印刷過的硅片，經(jīng)過烘干使有機溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在硅片上，這時可視為金屬電極材料層和硅片接觸在一起。當電極金屬材料和半導體單晶硅加熱達到共晶溫度時，單晶硅原子以一定的比例溶入到熔融的合金電極材料中。單晶硅原子溶入到電極金屬中的整個過程是相當快的，一般只需幾秒鐘時間。溶入的單晶硅原子數(shù)目取決于合金溫度和電極材料的體積，燒結合金溫度越高，電極金屬材料體積越大，則溶入的硅原子數(shù)目也越多，這時的狀態(tài)被稱為晶體電極金屬的合金系統(tǒng)。如果此時溫度降低，系統(tǒng)開始冷卻形成再結晶層，這時原先溶入到電極金屬材料中的硅原子重新以固態(tài)形式結晶出來，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長出一層外延層。如果外延層內含有足夠量的與原先晶體材料導電類型相同的雜質成份，這就獲得了用合金法工藝形成歐姆接觸；如果在結晶層內含有足夠量的與原先晶體材料導電類型異型的雜質成份，這就獲得了用合金法工藝形成P．N結。

典型的太陽電池片的燒結曲線如圖1所示。整個時間約120s，分為烘干、預燒、燒結和降溫四個階段。其中燒結段從500℃迅速升溫至850℃左右，然后急劇降溫到500℃以下，這段時間約10s，而在850℃僅停留2～3s。這種陡升陡降的工藝曲線，要求燒結設備在加熱元件、爐膛結構、氣氛布置、控制原理、傳動系統(tǒng)和冷卻方式等方面必須要有專門的設計。

二、加熱元件的選擇和固定方式

一般網(wǎng)帶式燒結爐采用電熱絲作為加熱元件，主要通過熱傳導對工件進行加熱，無法實現(xiàn)急速升溫。只有輻射或微波能夠迅速加熱物體，而輻射加熱具有使用經(jīng)濟、安全可靠、更換方便等優(yōu)點。所以目前太陽電池片燒結爐基本都采用紅外石英燈管作為主要加熱元件。它的設計需注意以下三個問題：

1紅外輻射吸收光譜

當紅外輻射能量被工件吸收時，該物質所特有的吸收光譜需與發(fā)射光譜相匹配，才能在最短時間內最大效率地吸收輻射能。因此，在燒結的不同階段，所選用的紅外石英燈管也是不同的。在烘干段，要讓有機溶劑和水分迅速揮發(fā)，采用中波管輔助熱風加熱是正確的；在預燒段，要讓基片獲得充分均勻的預熱，中波管良好的紅外輻射、均衡的吸收及穿透能力，正好符合要求；在燒結段，必須在極短時間內使基片達到共晶溫度，只有短波管能做到這一點。

2加熱管的結構形式

為實現(xiàn)燒結段的溫度尖峰，需在很短的爐膛空間內布置足夠的加熱功率。目前，有短波孿管和短波單管兩種結構可以選擇，其線性功率密度均達到60kW／m2。雖然短波孿管擁有更高的單根功率(相當于兩根單管并聯(lián))，但由于其制造工藝復雜，對石英玻璃管的質量要求更高，制造成本約是單管的2．5倍。因此，在實際使用中，大多采用單管。

3加熱管的固定方式

燒結段的溫度峰值在850℃左右，此時燈管的表面溫度將達到1100℃，接近石英管的使用極限，稍微過熱產生氣孔就會立刻燒毀燈管。而在燈管的引出導線部位，由于焊接導線的金屬片和石英玻璃密封在一起，二者熱膨脹系數(shù)不一致，如果此處溫度過高就會產生應力裂紋，造成燈管漏氣。因此燈管在爐膛中的安裝固定方式十分重要。圖2為紅外燈管在爐膛中的一種固定方式。這種固定方式要求燈管的冷端距離爐壁至少80mm以上，保證引出導線部位的溫度不會過高；而且爐壁上安裝孔的直徑要比燈管大2～3mm，通過兩側的固定夾具將燈管懸空夾持在爐膛中。

三、爐膛結構設計與耐火材料的選擇

1爐膛結構的設計

太陽電池片的燒結工藝決定了相鄰兩個溫區(qū)的溫度會有300℃以上的落差。雖然輻射加熱具有很好的定向性，但是在燈管和基片之間由于爐膛氣氛的存在，有一部分能量會因對流和空氣的冷卻作用而損失。同時，高溫區(qū)的熱量有向相鄰低溫區(qū)擴散的趨勢，這種熱擴散會抬高相鄰低溫區(qū)的實際溫度，阻礙溫度尖峰的形成。因此，如何減少空氣的熱損失和相鄰溫區(qū)的熱擴散是爐膛結構設計的重點，其縱向截面剖視圖如圖3所示。

整個爐膛采取大加熱腔小通道的結構，大加熱腔可以提供足夠的熱量，減少熱震蕩，提高爐膛的溫度均勻性；小通道可以使每個溫區(qū)的空間相對獨立，減少對流，降低相鄰溫區(qū)間熱擴散干擾。由于硅基片厚度只有200肚m左右，理論上通道高度可以很低，但在實際設計時，要考慮溫度曲線測量器件從爐膛通過，一般有效高度在30mm左右。

2耐火材料的選擇

對于輻射加熱，爐膛耐火材料的選擇不僅需考慮耐溫隔熱性能，更要考慮其輻射能力。陶瓷纖維具有極低的熱導率和比熱容以及高于一般耐火材料的黑度，在以輻射為主的加熱方式中，太陽電池片燒結爐采用陶瓷纖維砌筑爐膛提高了輻射加熱的效果，又節(jié)約能源?；谝陨戏治?，在今后的爐膛設計中，隔熱和輻射能力更好的硅酸鈣材料和納米絕熱材料也值得考慮。

四、燒結工藝不同階段氣氛布置的區(qū)別

在太陽電池片燒結工藝中，不同階段的目的是十分明確的。烘干段完成漿料的干燥，預燒段完成基片的預熱，燒結段完成電極的燒結，降溫段完成基片的冷卻。因此，不同階段的氣氛布置是截然不同的。

1烘干段的氣氛布置

輻射加熱能迅速烘干漿料中的有機溶劑和水分，為有效地將廢氣排出，需依靠合理的氣氛流向。圖4為在烘干段利用熱風輔助加熱，增加爐膛中的空氣對流來實現(xiàn)這一目的。

外界的冷空氣①由鼓風機送入加熱器②，被加熱到約200℃，從頂部進入爐膛，分成左右兩股，通過對流將烘干過程產生的廢氣③攜帶至廢氣收集管，在抽氣煙囪④的作用下排出爐膛。通過這種強制熱風對流循環(huán)，爐膛內的廢氣定向有序地排出，減少了對基片的污染。

2預燒段的氣氛布置

輻射加熱在迅速提高基片溫度的同時，也會因燈管布置問距、電流通斷時間、輻射角度變化而造成基片受熱不均勻。而在爐膛內通入一定量的熱空氣，巧妙利用對流攪拌作用，使溫度分布更加均勻，消除了基片產生熱應力的隱患。此外，預熱時隨著溫度升高，漿料中的鋁離子開始擴散揮發(fā)，為防止基片正反兩面金屬離子交叉污染，如何形成上下溫區(qū)互不干擾的氣氛流向是設計的重點。

如圖5所示，潔凈的壓縮空氣①和③分別從爐膛的頂部和底部通入，經(jīng)過耐火保溫層的預熱升溫后，從小孔均勻地噴入爐膛，在排氣煙囪②和④文氏效應的作用下，形成上下獨立的對流層，分別吹過基片的上下面，然后從預部和底部排出，有效抑制了污染的產生。

3燒結段的氣氛布置

燒結段燈管的表面溫度極高，此處氣氛布置的主要目的是利用空氣的冷卻效應，使燈管保持在安全的使用溫度以內，具體結構如圖6所示。冷壓縮空氣自爐膛兩側的接嘴通入，從燈管與安裝孔的間隙吹進爐膛，一方面冷空氣經(jīng)過耐火層時被逐漸加熱，不會對溫區(qū)溫度產生擾動；另一方面，冷空氣在燈管表面形成一層很薄的冷卻層，防止燈管過燒，并給冷端降溫。直接采用德國賀利氏公司生產的水冷式加熱燈管，或在爐膛兩側布置水冷壁都是徹底的解決方案，不過這些設備的制造成本較高。

4降溫段的氣氛布置

降溫段的氣氛布置相對簡單，主要作用是阻隔燒結段的熱量擴散。因此，在燒結段與降溫段之間的過渡區(qū)，布置數(shù)道垂直的壓縮空氣氣幕，并結合水冷鋼套的作用，使熱能被完全阻隔在燒結段內。

五、溫度控制原理及熱電偶的作用

1控制方式的選擇

常用溫控系統(tǒng)的負載輸出方式主要有調壓式(變導通角)、刪周期過零式(占空比控制)和cYc周波過零式(變周期)三種，它們的輸出原理如圖7所示。

調壓式又稱移相控制，是指通過控制晶閘管的導通角大小，把電源的正弦波切除一部分，保留一部分，波形保留部分就是負載上通過的電流、電壓的波形。改變保留波形的大小從而改變負載上所獲得的功率大小，從而實現(xiàn)調節(jié)功率的目的。它的優(yōu)點是沖擊小，控制精度高；缺點是功率因數(shù)低，對電網(wǎng)有高次諧波污染，成本高。

PWM方式是指在一固定的時間周期內，通過控制負載上電流導通和截止的時間比，來改變負載上的功率。它的優(yōu)點是控制簡單，成本低。缺點是過零時滿功率輸出，局部線路瞬間電流過大而對加熱元件和電源帶來沖擊。此外，其通斷的間隔長，容易造成溫度波動，對于燈管輻射加熱影響尤其明顯。CYC方式是在PWM的基礎上將輸出的波形盡可能的均勻分布在一時間段內，避免集中導通、關斷給電源帶來的沖擊。它既具有類似調壓式的控制優(yōu)點，又克服了PwM方式的不足，負載加熱功率更均勻，有利于提高PID儀表的調節(jié)品質。缺點是當輸出百分比小時，會出現(xiàn)低頻閃爍現(xiàn)象，對電網(wǎng)有一定干擾。

綜合考慮，CYC周波過零控制方式更加符合燈管輻射加熱的要求。

2熱電偶的選擇

在1000℃以下網(wǎng)帶燒結爐中，目前均采用帶陶瓷護管的K分度來檢測溫度，精度高、成本低廉。由于偶絲被保護在陶瓷護管中，熱響應時間較長，對于普通的電熱絲加熱、低速運行的窯爐無影響。而采取輻射加熱和CYC控制方式的太陽電池片燒結爐要求熱偶的響應時間必須足夠快，才能將溫區(qū)的溫度波動控制在允許范圍內，否則燒結出的電池片轉換率會隨著爐溫的波動而變化，離散性大、品質不一致。為解決熱偶響應時間長的問題，采用S分度熱偶是一種合適的選擇。

六、高速燒結對傳動系統(tǒng)的要求

目前太陽電池片燒結工藝要求能達到5000mm／min，而普通網(wǎng)帶爐的運行速度一般只有200mm／min。高速燒結會使網(wǎng)帶的運行平穩(wěn)性變差，在電池片的背電極面造成網(wǎng)紋，影響外觀質量，甚至會造成破片。此外，高速燒結如何在很短的時間內使網(wǎng)帶迅速降溫，以保證電池片出爐溫度，也是一個必須解決的難題。目前，設計人員著重從以下四方面加以克服。

1盡量采用彈性張緊

目前網(wǎng)帶式燒結爐均采用摩擦傳動方式，即用張緊輪將網(wǎng)帶壓緊在主傳動輪上，跟隨主動輪一起運動。一般網(wǎng)帶爐只在主傳動處施加張緊，會造成網(wǎng)帶有松邊、緊邊之分，對低速運行不會造成影響，但高速運行就會在松邊產生抖動。為此，應采用全程彈性張緊的方式，這樣，施加在爐體不同部位的張緊輪上的彈簧，會根據(jù)網(wǎng)帶拉力的不同而自動調整摩擦力的大小，使之與拉力相匹配，最大限度地減小抖動的產生。

2網(wǎng)帶本身的結構要求

由于電池片本身極薄(還有繼續(xù)減薄的趨勢)，從燒結段帶出的熱量主要集中在金屬網(wǎng)帶上。理論上迅速降溫的方式有兩種，一是加快熱交換；二是減少熱源。當設備的冷卻方式確定后，只能降低網(wǎng)帶本身的蓄熱，即減少單位面積上金屬絲的用量。

影響網(wǎng)帶輕重的主要有網(wǎng)帶的節(jié)距p、網(wǎng)距t、網(wǎng)絲徑d和穿絲徑D，如圖8所示。p和t越大、d和D越細，單位面積的網(wǎng)帶越輕，反之就越重。但太陽電池片燒結爐的網(wǎng)帶在高溫高速下運動，要求長期使用不抖動、不變形。這與前者是矛盾的，必須仔細分析p、t、d和D的影響，協(xié)調解決。人字形結構的優(yōu)點是網(wǎng)絲呈螺旋V形結構，自身剛性好，因此加大網(wǎng)距t，減小網(wǎng)絲徑d，對網(wǎng)帶的受力影響較??；網(wǎng)帶在拉力作用下，所有的著力點均由穿絲承受，特別是d加大后，對穿絲的剛性要求更高，所以穿絲徑D應在網(wǎng)絲徑d的1．5倍以上；節(jié)距p加大后，會在傳動輪圓周上產生多邊形效應，接觸面減小，造成摩擦力不足，而且d變細時，p過大，會使網(wǎng)絲在張緊力的作用下發(fā)生變形，因此節(jié)距p一般控制在網(wǎng)距t的1．1～1．2倍之問。這樣編織出的網(wǎng)帶，既有足夠的長期使用剛性，本身單位面積重量又很輕，蓄熱很小。

3網(wǎng)帶編織和支撐方式的要求

為滿足降溫需要，太陽電池片燒結爐的網(wǎng)帶網(wǎng)孔更大，絲徑更細，更容易造成網(wǎng)帶的扭曲、跑偏。因此需要在編織時進行嚴格的夾具定位，特別要控制兩端絲頭焊接時的應力產生。此外，整個傳動對網(wǎng)帶的支撐結構也很重要，應該盡可能在網(wǎng)帶的接觸面采用滾動結構，減少摩擦力，以提高網(wǎng)帶壽命，降低網(wǎng)帶振動。

4新工藝對傳動的特殊要求

目前一些廠商正在試驗反燒工藝，即將電池片的背電極朝上放在網(wǎng)帶上燒結。它的優(yōu)點是有利于背場形成，減少鋁對電池的污染，轉換率較高；缺點是網(wǎng)帶易劃傷正面柵線。因此，采用帶突點的網(wǎng)帶或類似熱風回流焊機的帶支撐短桿的鏈式傳動機構，將是今后的研究方向。

七、實現(xiàn)電池片快速降溫的方法

如前文所述，降溫的措施除減少網(wǎng)帶蓄熱外，還可采用高效的熱交換器。單純的軸流風機吹掃或水冷鋼套換熱都無法滿足在lmin內迅速降溫的要求。風冷式水冷換熱器是成熟可靠的解決方案，在此基礎上，開發(fā)了內部循環(huán)換熱和外部對流換熱兩種結構。

1內部循環(huán)換熱式

冷卻腔相對于外界環(huán)境是封閉的，水冷換熱器安裝在網(wǎng)帶的上下，固定在換熱器背部的軸流風機強制將網(wǎng)帶和基片帶出的熱量抽過換熱片，降溫冷卻后的涼風再吹到網(wǎng)帶上，這樣空氣不停地在冷卻腔內循環(huán)降溫，從而降低了網(wǎng)帶和基片的溫度。其優(yōu)點是熱量內部循環(huán)，外界散失少，能耗低，對工作間溫度影響小，成本低；缺點是換熱效率較外部對流式差。

2外部對流換熱式

冷卻腔相對與外界環(huán)境是開放的，水冷換熱器安裝在網(wǎng)帶上下，冷卻腔頂部的風機將外部經(jīng)過濾凈化后的空氣吸入，在上水冷換熱器中冷卻，吹到網(wǎng)帶和基片上；冷卻腔底部的風機將熱的空氣抽出，經(jīng)下水冷換熱器降溫后排到設備外。這樣，不斷利用外部冷空氣冷卻，達到降溫目的。其優(yōu)點是換熱效率比內部循環(huán)式高；缺點是排出的氣體對工作間溫度有影響，外界散失大，能耗較高，成本高。因此，對于爐體較短，急速降溫，或對出口溫度有嚴格要求的，可采用外部對流換熱；對于爐體較長，對出口溫度要求較寬泛的，可采用內部循環(huán)換熱。

3風量及流向對電池片的影響

當水冷溫度和流量一定時，唯一影響降溫速率的是風量大小。但過大的風量，會對電池片產生很大的力，控制不好會造成破片。此外，風的流向也很重要，如果垂直向下，當吹到電池片時，風會向兩邊擴散，靠近燒結段的，會影響燒結溫區(qū)的溫度穩(wěn)定，從而影響轉換率。采用風機向出口傾斜的安裝結構能很好解決這一問題。

八、總結

太陽電池片特殊的燒結工藝，決定了燒結設備不同于一般網(wǎng)帶爐的設計結構，其中某些關鍵性能指標，直接影響著電池片的質量。我們在2005年開發(fā)了第一代網(wǎng)帶式紅外加熱快速燒結爐，最高帶速3600mm／min，平均轉換率14％～15％，但存在燈管壽命短、溫度尖峰不夠、出口溫度過高等缺陷。我們經(jīng)過不斷地摸索研究，并參考國內外同類設備的優(yōu)缺點，總結出以上設計經(jīng)驗，并據(jù)此在2006年開發(fā)了第2代設備，其總體結構如圖9所示。

其特點是燒結段采用進口紅外短波燈管，其余采用國產燈管，控制采用計算機集散控制系統(tǒng)。它克服了第一代的缺點，最高帶速達到了6700mm／min，出口溫度控制在45℃以下，平均轉換率也和國外設備十分接近，交付使用后，用戶十分滿意。10組樣片的對比測試結果(平均值)如表1所示。

由此可見，通過深入分析工藝曲線，采取正確的設計結構、合理的材料選擇，國產設備已經(jīng)接近國外先進水平，而其巨大的價格優(yōu)勢是后者無法比擬的。