太陽能電池片燒結(jié)爐的設(shè)計及其關(guān)鍵性能探討

網(wǎng)帶式紅外加熱快速燒結(jié)爐是生產(chǎn)太陽電池片的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能指標(biāo)直接關(guān)系到電池片的轉(zhuǎn)換率、成品率以及生產(chǎn)效率的高低。本文著重對幾個關(guān)鍵性能進行了探討，并介紹了實現(xiàn)這些性能的設(shè)備結(jié)構(gòu)。

一、前言

進入21世紀(jì)以來，光伏發(fā)電作為理想的可再生能源發(fā)電技術(shù)，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(chǎn)能力。在太陽電池片的整個生產(chǎn)工藝流程中，擴散、鍍膜和燒結(jié)三道工序是最主要的，其中燒結(jié)是使晶體硅基片真正具有光電轉(zhuǎn)換功能的至關(guān)重要的一步。因此，燒結(jié)設(shè)備的性能好壞直接影響著電池片的質(zhì)量。

太陽電池片目前采用只需一次燒結(jié)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(dāng)電極金屬材料和半導(dǎo)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(dāng)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(jié)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(jié)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(jié)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(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型相同的雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成歐姆接觸；如果在結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝形成P．N結(jié)。

典型的太陽電池片的燒結(jié)曲線如圖1所示。整個時間約120s，分為烘干、預(yù)燒、燒結(jié)和降溫四個階段。其中燒結(jié)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(jié)設(shè)備在加熱元件、爐膛結(jié)構(gòu)、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(shè)計。

二、加熱元件的選擇和固定方式

一般網(wǎng)帶式燒結(jié)爐采用電熱絲作為加熱元件，主要通過熱傳導(dǎo)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(jié)爐基本都采用紅外石英燈管作為主要加熱元件。它的設(shè)計需注意以下三個問題：

1紅外輻射吸收光譜

當(dāng)紅外輻射能量被工件吸收時，該物質(zhì)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(nèi)最大效率地吸收輻射能。因此，在燒結(jié)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(fēng)加熱是正確的；在預(yù)燒段，要讓基片獲得充分均勻的預(yù)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(jié)段，必須在極短時間內(nèi)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(jié)構(gòu)形式

為實現(xiàn)燒結(jié)段的溫度尖峰，需在很短的爐膛空間內(nèi)布置足夠的加熱功率。目前，有短波孿管和短波單管兩種結(jié)構(gòu)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(dāng)于兩根單管并聯(lián))，但由于其制造工藝復(fù)雜，對石英玻璃管的質(zhì)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(jié)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(chǎn)生氣孔就會立刻燒毀燈管。而在燈管的引出導(dǎo)線部位，由于焊接導(dǎo)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(chǎn)生應(yīng)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(dǎo)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(cè)的固定夾具將燈管懸空夾持在爐膛中。

三、爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計與耐火材料的選擇

1爐膛結(jié)構(gòu)的設(shè)計

太陽電池片的燒結(jié)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?qū)α骱涂諝獾睦鋮s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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(dǎo)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(jié)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。基于以上分析，在今后的爐膛設(shè)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(jié)工藝不同階段氣氛布置的區(qū)別

在太陽電池片燒結(jié)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(yù)燒段完成基片的預(yù)熱，燒結(jié)段完成電極的燒結(jié)，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(fēng)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(fēng)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(chǎn)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(fēng)對流循環(huán)，爐膛內(nèi)的廢氣定向有序地排出，減少了對基片的污染。

2預(yù)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(nèi)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(chǎn)生熱應(yīng)力的隱患。此外，預(yù)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(shè)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(yù)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(yīng)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(yù)部和底部排出，有效抑制了污染的產(chǎn)生。

3燒結(jié)段的氣氛布置

燒結(jié)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(yīng)，使燈管保持在安全的使用溫度以內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。冷壓縮空氣自爐膛兩側(cè)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(chǎn)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(chǎn)的水冷式加熱燈管，或在爐膛兩側(cè)布置水冷壁都是徹底的解決方案，不過這些設(shè)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(jié)段的熱量擴散。因此，在燒結(jié)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(jié)合水冷鋼套的作用，使熱能被完全阻隔在燒結(jié)段內(nèi)。

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(diào)壓式(變導(dǎo)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(diào)壓式又稱移相控制，是指通過控制晶閘管的導(dǎo)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(diào)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(nèi)，通過控制負載上電流導(dǎo)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(chǔ)上將輸出的波形盡可能的均勻分布在一時間段內(nèi)，避免集中導(dǎo)通、關(guān)斷給電源帶來的沖擊。它既具有類似調(diào)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(diào)節(jié)品質(zhì)。缺點是當(dāng)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(jié)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(yīng)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(jié)爐要求熱偶的響應(yīng)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(nèi)，否則燒結(jié)出的電池片轉(zhuǎn)換率會隨著爐溫的波動而變化，離散性大、品質(zhì)不一致。為解決熱偶響應(yīng)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(jié)對傳動系統(tǒng)的要求

目前太陽電池片燒結(jié)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(jié)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(zhì)量，甚至?xí)斐善破４送?，高速燒結(jié)如何在很短的時間內(nèi)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(shè)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(jié)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(chǎn)生抖動。為此，應(yīng)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(diào)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(chǎn)生。

2網(wǎng)帶本身的結(jié)構(gòu)要求

由于電池片本身極薄(還有繼續(xù)減薄的趨勢)，從燒結(jié)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(dāng)設(shè)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(jié)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(diào)解決。人字形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是網(wǎng)絲呈螺旋V形結(jié)構(gòu)，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?。痪W(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(yīng)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(chǎn)生多邊形效應(yīng)，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(jié)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(yán)格的夾具定位，特別要控制兩端絲頭焊接時的應(yīng)力產(chǎn)生。此外，整個傳動對網(wǎng)帶的支撐結(jié)構(gòu)也很重要，應(yīng)該盡可能在網(wǎng)帶的接觸面采用滾動結(jié)構(gòu)，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(jié)。它的優(yōu)點是有利于背場形成，減少鋁對電池的污染，轉(zhuǎn)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(fēng)回流焊機的帶支撐短桿的鏈?zhǔn)絺鲃訖C構(gòu)，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(fēng)機吹掃或水冷鋼套換熱都無法滿足在lmin內(nèi)迅速降溫的要求。風(fēng)冷式水冷換熱器是成熟可靠的解決方案，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了內(nèi)部循環(huán)換熱和外部對流換熱兩種結(jié)構(gòu)。

1內(nèi)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(fēng)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(fēng)再吹到網(wǎng)帶上，這樣空氣不停地在冷卻腔內(nèi)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(nèi)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(fēng)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(fēng)機將熱的空氣抽出，經(jīng)下水冷換熱器降溫后排到設(shè)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(nèi)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?qū)Τ隹跍囟扔袊?yán)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(nèi)部循環(huán)換熱。

3風(fēng)量及流向?qū)﹄姵仄挠绊?/p>

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

八、總結(jié)

太陽電池片特殊的燒結(jié)工藝，決定了燒結(jié)設(shè)備不同于一般網(wǎng)帶爐的設(shè)計結(jié)構(gòu)，其中某些關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接影響著電池片的質(zhì)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(jié)爐，最高帶速3600mm／min，平均轉(zhuǎn)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(nèi)外同類設(shè)備的優(yōu)缺點，總結(jié)出以上設(shè)計經(jīng)驗，并據(jù)此在2006年開發(fā)了第2代設(shè)備，其總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

其特點是燒結(jié)段采用進口紅外短波燈管，其余采用國產(chǎn)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(zhuǎn)換率也和國外設(shè)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(jié)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(shè)計結(jié)構(gòu)、合理的材料選擇，國產(chǎn)設(shè)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。