專利名稱：用于燒制太陽能電池元件電極的燃燒爐、制造太陽能電池元件的方法和太陽能電池元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于在太陽能電池器件上燒制電極的爐、使用該爐制造太陽能電池器件的方法和太陽能電池器件。
背景技術：
圖1示出了典型太陽能電池器件結構的橫截面。該太陽能電池器件I由P型半導體襯底2開始制造，所述P型半導體襯底具有尺寸為100至150平方毫米和厚度為O.1至 O. 3毫米的平板形狀，并且所述P型半導體襯底基于多晶硅或者單晶硅以及摻雜諸如硼的P 型雜質。襯底被摻雜諸如磷的η型雜質以形成η型雜質層3并且被涂有SiN或類似的抗反射涂層4。通過絲網(wǎng)印刷法、干燥并燒制，導電鋁膏和導電銀膏分別被涂到背面和正面，借此在背面以及背面電場(BSF)層6上形成鋁電極5，以及在正面上形成集電極7。
圖2示意性地示出了傳統(tǒng)網(wǎng)孔帶型燃燒爐，在制造上述提到的太陽能電池器件的方法中，其在燒制導電膏的步驟中被利用以形成電極。當有導電膏印刷在其上的襯底11通過借助輥16由驅動器15驅動的網(wǎng)孔帶12傳送時，導電膏在加熱區(qū)13中被燒制·并且在冷卻區(qū)14中被冷卻以形成電極。應當注意，在圖2中示出了用于去除網(wǎng)孔帶上的任何污染物的清洗槽17。
由于網(wǎng)孔帶的大熱容，因此網(wǎng)孔帶燃燒爐遭受大量的能量消耗。同時，雖然優(yōu)選了快速加熱/快速冷卻的曲線使用鋁膏在太陽能電池器件的背面上形成令人滿意的BSF層， 但會出現(xiàn)如下問題為了給網(wǎng)孔帶燃燒爐提供快速加熱/快速冷卻的曲線，需要很多加熱器和水冷卻。
為了解決這些問題，例如，專利文件I (JP-A Η08-162446)公開了使用四條線材替代網(wǎng)孔帶，從而減少燃燒爐的能量消耗并減少燒制時間以增加生成品率。圖3是該線材型燃燒爐的示意圖。類似于網(wǎng)孔帶型燃燒爐，涂有導電膏的襯底21通過線材型傳送部件22 被傳送，所述線材型傳送部件借助輥26由驅動器25驅動。隨著襯底通過加熱區(qū)23和冷卻區(qū)24，形成了電極。
在專利文件I的方法中，有導電膏印刷在其上的襯底通過線材被傳送，該襯底直接擱置在所述線材上。然而，在燃燒爐的加熱區(qū)中，線材溫度一般比空氣溫度和襯底溫度低約50°C。當襯底正面朝上燒制，即背面的鋁層與線材保持接觸時，由于燃燒爐的加熱區(qū)中的鋁層和線材之間的溫度差，因此鋁一旦熔化就被留在與線材的接觸處，在線材上堆積。這樣的鋁堆積變成硬鋁，所述硬鋁隨著受燒制處理的襯底數(shù)量的增加可以導致鋁電極的裂紋。 有時，這種裂紋變成硬突起，當電池為了封裝而堆疊時，在所述硬突起處電池可能破裂。這產(chǎn)生制造成品率減少的問題。
專利文件I還有這樣的問題在背面朝上燒制的情況下，也就是將正面的銀電極與線材保持接觸，燒制后線材的痕跡被留在銀電極上，這可以導致斷開并且因此性能和成品率下降。
專利文件I中產(chǎn)生又一問題由于線材溫度比燃燒爐加熱區(qū)氣體和襯底的溫度低，因此襯底與線材接觸的部分加熱不足，這可能導致銀電極的欠燒結和BSF層的厚度分布。因此，太陽能電池器件的性能降低了。
從專利文件2 (JP-A2009-238991)還可知用線材作為移動梁的燃燒爐。圖4示出了線材型移動梁輸送機燃燒爐的示意圖。該移動梁型燃燒爐包括兩條平行并且水平延伸的固定線材(或者固定梁)32，以及可移動線材(可垂直/橫向移動的梁)33，所述可移動線材可以在預定沖程上在垂直和橫向方向被驅動以用于傳送襯底31。這些固定梁32和可移動梁33分別通過卷繞在輥34和35上被牢牢地固定住，盡管根據(jù)需要它們也可以收縮或者膨脹。燃燒爐進一步包括用于加熱襯底的加熱區(qū)36和用于冷卻熱襯底的冷卻區(qū)37。圖5示出了固定梁32和可移動梁33的局部放大圖。
在使用如圖4和圖5所示的移動梁的加熱方法中，襯底31首先被置于固定梁32 上。然后位于固定梁32下方的可移動梁33被垂直向上移動，以拾取置于固定梁32上的襯底31，進一步在襯底31置于可移動梁33上的情況下向上移動，并在沖程的上限處停止。圖 6示出了襯底31被置于可移動梁33上。隨后，有襯底31保持在其上的可移動梁33被推進一個沖程并停止。然后，可移動梁33被垂直向下移動以傳送襯底31至固定梁32，進一步向下移動，回縮一個沖程并停止，恢復初始位置。這樣，襯底通過操作移動梁進行熱處理，以傳輸襯底通過爐的加熱區(qū)和冷卻區(qū)。
從帶式傳輸系統(tǒng)到移動梁傳輸系統(tǒng)的轉換節(jié)省了所需用于冷卻以產(chǎn)生適于形成令人滿意的BSF層 的快速加熱/快速冷卻燃燒曲線的單元的空間，并且提供了減少能量消耗和更短處理時間的優(yōu)勢。但是，由于襯底還與線材直接接觸，該方法不可避免地存在太陽能電池器件性能和成品率的降低。
引用列表
專利文件
專利文件I JP-A H08-162446
專利文件2 JP-A2009-238991發(fā)明內(nèi)容
技術問題
在上述情況下做出的本發(fā)明的目的提供用于燒制太陽能電池器件的電極的爐， 其通過阻止導電膏中的金屬成分堆積在例如線材的傳送部件上(這導致電極或者襯底的損壞)以及最小化襯底平面內(nèi)的燒制變化，確保導電膏的有效燒制以在襯底上形成電極，因此使得在無須太陽能電池性能有任何損失的情況下，能夠以高成品率制造太陽能電池器件； 使用燃燒爐制造太陽能電池器件的方法；以及太陽能電池器件。
問題的解決方案
為實現(xiàn)上述目的進行了廣泛的研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當用于燒制太陽能電池器件電極的爐包括用于傳送有導電膏涂在其上的襯底的傳送部件，使用用于加熱襯底以燒制導電膏的加熱區(qū)和用于冷卻熱襯底的冷卻區(qū)，特別是當傳送部件具有線材結構并且線材型傳送部件通過加熱裝置被加熱，以使得在電極膏燒制期間，傳送部件的溫度可以接近加熱區(qū)氣體的溫度，由此襯底可以被有效地加熱。這防止了導電膏中的金屬成分在熔化后留在線材上，從而防止了金屬成分的堆積導致電極或者襯底的損傷，并且使得襯底平面內(nèi)的燒制變化最小化。于是可以在制造太陽能電池器件時燒制電極膏，而不會有太陽能電池性能和成品率的任何損失。本發(fā)明是基于這些發(fā)現(xiàn)的。
相應地，如下文所定義，本發(fā)明提供燃燒爐、制造太陽能電池器件的方法以及太陽能電池器件。
(I)用于在太陽能電池器件上燒制電極的爐，包括用于傳送有導電膏涂于其上的襯底的傳送部件、用于加熱所述襯底以燒制所述導電膏的加熱區(qū)和用于冷卻所述熱襯底的冷卻區(qū)，所述爐進一步包括用于加熱所述傳送部件的裝置。
(2)根據(jù)(I)中的燃燒爐，其中加熱區(qū)氣體和傳送部件之間的溫度差為O至200°C。
(3 )根據(jù)(I)或者(2 )的燃燒爐，其中傳送部件包括延伸用于在所述爐的縱向方向上的平行且水平移動的至少兩條線材，其中當襯底被置于線材上時，所述襯底通過線材來傳送。
(4)根據(jù)(I)至(3)中任意一個的燃燒爐，其中傳送部件具有移動梁系統(tǒng)。
(5)根據(jù)(I)至(4)中任意一個的燃燒爐，其中用于加熱傳送部件的裝置是電氣裝置。
(6)用于制造太陽能電池器件的方法，包括如下步驟在半導體襯底中形成pn結、 將導電膏涂至半導體襯底的光接收表面和非光接收表面以及燒制導電膏以形成能量提取電極，。
(7)通過(6)的方法獲得的太陽能電池器件。
本發(fā)明的有利效果
本發(fā)明旨在線材溫度接近加熱區(qū)氣體的溫度或者鋁膏層的溫度，特別是當線材型燃燒爐被用在燒制電極膏中。在高于正常溫度大約50°C的溫度處，線材被加熱以便在燒制之前線材溫度基本等于加熱區(qū)氣體的溫度。這防止了由導電膏中的金屬成分在線材上的堆積導致?lián)p壞電極而降低成品率，并且使得線材型燃燒爐能夠連續(xù)操作。這進一步最小化了襯底平面內(nèi)的燒制變化，另外所述燒制變化是由線材的較低溫度引起的，從而抑制性能的損耗。該燃燒爐還提供與網(wǎng)孔帶燃燒爐等相比的高生成品率。


圖1是示意性剖視圖，其示出了典型太陽能電池器件的結構。
圖2示出了示例性網(wǎng)孔帶燃燒爐的示意圖。
圖3示出了一個示例性線材型燃燒爐的示意圖。
圖4示出了一個示例性線材型移動梁燃燒爐的示意圖。
圖5示出了線材型移動梁燃燒爐中固定梁和可移動梁的局部放大圖。
圖6示出了有襯底置于其上的可移動梁的示意性剖視圖。
具體實施方式
下面將詳細描述本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明的范圍并不限制于所描述的實施例，因為本發(fā)明在除所描述的實施例外可以在多種實施例中實施。附圖不是按比例繪制的。 為了清楚地描述和理解本發(fā)明，某些部分以放大的比例被示出，而無關緊要的部分未示出。
本發(fā)明的燃燒爐旨在用于燒制太陽能電池器件上的電極并且被定義為包括用于傳送有導電膏涂在其上的襯底的傳送部件、用于加熱襯底以燒制導電膏的加熱區(qū)和用于冷卻熱襯底的冷卻區(qū)，并且其特征在于進一步包括用于加熱傳送部件的裝置。
在本發(fā)明的燃燒爐中，有導電膏涂在其上的襯底被置于傳送部件上并由此傳送通過爐。當襯底經(jīng)過加熱區(qū)時，導電膏被燒制形成電極。用于傳送襯底的傳送部件的結構沒有具體限定，其可以是網(wǎng)狀、線型和其它系統(tǒng)的任何一種。優(yōu)選線型燃燒爐，其中線材被用以傳輸襯底。與傳統(tǒng)網(wǎng)孔帶燃燒爐相比，線材型燃燒爐能夠實現(xiàn)低能量消耗的燃燒以及高生成品率。
其中使用了線材傳送部件，它的結構沒有特別的限制，并且它可以有現(xiàn)有技術眾所周知的結構中的任何一種。如圖3所示，優(yōu)選的結構其中至少有兩條線材，通常兩條至四條線材延伸用于在爐的縱向方向上平行和水平的移動并且借助輥由驅動器驅動，以及如圖 4所示，其中至少有兩條線材的結構，通常兩條至四條線材在爐的縱向方向上平行且水平地延伸并且當需要時是可移動的。這里使用的線材優(yōu)選由諸如SUS303或者SUS304的不銹鋼制造，并且為了平衡線材強度和加熱燃燒爐所需的能量消耗，還優(yōu)選具有I至20mm的直徑。 當線材具有取決于其直徑的熱容量時，該熱容量最好被預先確定，以使得加熱燃燒爐所需的能量消耗可以是低的。例如，由于加熱燃燒爐僅需要低能量消耗，所以如圖4至6所示線材型移動梁的使用是有利的。
在根據(jù)本發(fā)明的燒制電極膏中，直到傳送部件的溫度變得基本上等于加熱區(qū)氣體的溫度時，有襯底置于其上的傳送部件才被加熱。例如，在線材型燃燒爐使用線材型傳送部件的情況下，該線材作為傳送部件被預加熱，以使得線材溫度基本上等于燃燒爐中襯底上的導電膏層的溫度。線材和襯底之間沒有溫度差消除了熱導電膏中的導電金屬成分會粘連冷線材的傳統(tǒng)認知現(xiàn)象，并最終阻止金屬成分堆積在線材上。即使在連續(xù)操作線材型燃燒爐的時候，這也抑制了由線材上的金屬成分堆積造成的電極損壞所導致的成品率降低。這還最小化了由線材的低溫導致的襯底平面內(nèi)的燒制變化，從而防止了性能的降低。
加熱傳送部件的裝置包括直接加熱線材的電子裝置，其通過把電壓加到該線材兩端以傳導AC或者DC電流。間接加熱線材的合適裝置包括通過在燃燒爐外提供加熱面積來燈加熱線材本身的裝置；通過施加蒸汽至燃燒爐外的線材來加熱線材本身的裝置；以及通過圍繞線材卷繞線圈并傳導電流至線圈來加熱線材本身的裝置。這些裝置中的任何一個可以被用于加熱線材。其中，不管怎樣，由于間接加熱線材裝置需要提供燃燒爐外的加熱區(qū)域，因此直接加熱線材的裝置從成本和空間方面上是優(yōu)異的。因此，優(yōu)先選擇直接加熱線材的裝置。使用這種加熱裝置消除了線材和整個襯底之間的溫度差并且消除了熱導電膏粘連冷線材的傳統(tǒng)認知現(xiàn)象，從而最終防止了導電膏中的金屬成分堆積在線材上。這抑制了線材上的金屬成分堆積造成的電極損壞而導致的成品率降低，還抑制了由于襯底平面內(nèi)的燒制變化而導致的性能降低。
加熱區(qū)的溫度(燃燒溫度)通常是500至950°C，優(yōu)選600至850°C，并且加熱時間優(yōu)選是5至30秒。此外，冷卻區(qū)的溫度為優(yōu)選25至500°C，并且冷卻時間是5至30秒。燃燒爐內(nèi)的氣體可以是空氣，優(yōu)選是可以讓導電膏中的有機材料被燒掉的氣體。另一方面，傳送部件的溫度基本上等于加熱區(qū)氣體的溫度，優(yōu)選500至950°C的范圍，并且更優(yōu)選600至 850°C的范圍。如本文所使用的，短語“傳送部件的溫度基本上等于加熱區(qū)氣體的溫度”是指，傳送部件和加熱區(qū)氣體之間的溫度差在O至200°C范圍內(nèi)，優(yōu)選O至100°C，更優(yōu)選O至 20°C，甚至更優(yōu)選O至10°C。
其次描述了使用本發(fā)明的燃燒爐的方法制造的太陽能電池器件。例如，如圖1所示，太陽能電池器件I包括硅襯底2作基底、η型擴散層3、其上有SiN或者類似物的抗反射涂層4以及與襯底2正面(光接收表面)上的η型擴散層連接的表面集電極7，還有在襯底 2背面上的背電極5和背面電場(BSF)層6。
下面描述根據(jù)本發(fā)明制造太陽能電池器件的方法。首先是襯底，通常提供的是P 型硅襯底。常用的P型硅襯底具有O.1至4.0 Ω-cm的電阻率。如上所述，它可以是多晶體或者單晶體并且優(yōu)選具有尺寸為100至150平方毫米和厚度為O.1至O. 3毫米的平板形狀。例如，通過在酸性溶液中沉浸、在堿性溶液中進行化學蝕刻、清洗和烘干，對應于太陽能電池器件光接收表面的P型硅襯底的表面被配備有稱作紋理的高低不平的結構。該高低不平的結構導致太陽能電池器件光接收表面處光的多重反射。因此，通過形成高低不平的結構，減少了有效反射并且提高了轉換效率。在下文中，P型硅襯底的一個表面充當太陽能電池器件光接收表面，該表面被稱為正面，以及與光接收表面相反的P型娃襯底的另一個表面被稱為背面。
然后，P型硅襯底被放入包括POCL3的熱氣體，例如在大約800°C或者更高溫度下， 繼之以在其整個表面上通過擴散諸如磷這樣的η型雜質至P型硅襯底中的熱擴散方法，從而在表面中形成η型擴散層(η型雜質層)。應當注意的是，當η型擴散層通過熱擴散形成時，η型擴散層可以形成在P型硅襯底的相反表面和端表面上。在這種情況下，可以通過在氟硝酸(fluoronitric acid)溶液等中沉浸p型娃襯底來去除不必要的η型擴散層,其中必要的η型擴散層表面涂有耐酸樹脂。上述工序產(chǎn)生具有ρη結的襯底。
然后，例如，通過使用氨、硅烷、氮、氫等的等離子增強CVD方法，在P型硅襯底表面上形成SiN等的抗反射涂層。
在襯底的背面上，例如，包括鋁、玻璃粉、清漆等的導電膏被絲網(wǎng)印刷和干燥。在正面上，例如，包括銀、玻璃粉、清漆等的導電膏被絲網(wǎng)印刷和干燥以形成集電極。然后，各個電極的膏在本發(fā)明的燃燒爐中燒制，借此鋁電極和BSF層在背面上形成以及銀電極在正面上形成。在 正面和背面上的能量提取電極的形狀沒有具體限制，像梳狀或光柵形狀這樣的任何期望形狀的電極可以在本發(fā)明的爐中燒制。燒制條件如上所述。
實施例
實施例和對比實施例在下面給出用于進一步描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此。
實施例和對比實施例
摻雜硼的P型多晶娃的P型娃襯底已被切成O. 2mm的厚度并且具有大約I Ω-cm 的電阻率，該襯底沿著外周邊被加工成每個邊長為15cm的方形板。P型硅襯底被浸入氟硝酸溶液15秒鐘以蝕刻損傷層，在70°C的包括2wt%K0H和2wt%異丙醇(IPA)的溶液中化學蝕刻5分鐘，用去離子化的水清洗并且干燥，借此在P型硅襯底表面上形成紋理。
然后，P型硅襯底被放入POCL3氣氛中并且在870°C的溫度下經(jīng)受30分鐘的熱擴散，就此在P型硅襯底上形成η型層。η型層具有大約40歐姆/平方(Ω / □)的表面電阻。 耐酸樹脂被涂到η型層上，隨后P型硅襯底被浸入氟硝酸溶液10秒鐘以去除缺少耐酸樹脂涂層的η型層。此后，耐酸樹脂涂層被去除，從而獲得了僅在正面具有η型層的P型硅襯底。
隨后，通過使用氨氣、硅烷和氮氣的離子增強CVD方法，SiN抗反射涂層在P型硅襯底的η型層承載表面上沉積至IOOnm的厚度。然后，在抗反射涂層承載襯底的背面上，導電鋁膏在150°C下被印刷和干燥。此后，在正面上，通過絲網(wǎng)印刷技術涂敷導電銀膏并且在 150°C下干燥以形成集電極。
隨后，如圖4所示，目前處理的襯底被接納入線材型移動梁燃燒爐，其中在800°C 的最高溫度下，導電膏被燒制成電極。這時，電流被受控地傳導經(jīng)過線材，以使得線材溫度變成與加熱區(qū)氣體溫度相等。通過插入K系列熱電偶(由Keyence Corp.提供)測量燃燒爐 (加熱區(qū))中的溫度，以及線材溫度通過放置K系列熱電偶與線材接觸來測量。已經(jīng)確認的是，線材溫度與加熱區(qū)氣體溫度基本相等(線材溫度795°C)。與不通過任何方法處理線材的情況相反，這伴隨消除了熱鋁與冷線材粘連的現(xiàn)象，并最終阻止鋁堆積在線材上。這避免了鋁在線材上堆積導致?lián)p傷電極從而降低成品率，并且還避免了當具有有凸起形式裂紋的鋁電極的襯底堆疊時，襯底可能在凸起處斷裂的現(xiàn)象而導致的生產(chǎn)成品率降低。另外，最小化了由線材的低溫引起的襯底平面內(nèi)的電極膏燒制變化，借此可以減少電阻和BSF的分布以防止轉換效率的降低。此外，可以通過抑制加速太陽能電池從鋁電極裂紋開始老化而延長組件的壽命。
通過根據(jù)上述工序的燒制，制造了 1000個太陽能電池器件。表格I報告了太陽能電池器件的性能以及燒制階段之后的成品率。成品率是相對允許進入燒制階段的襯底數(shù)量沒有上述問題(裂紋、凸起、外觀異常)的那些襯底的通過率。
相反，對比實施例的數(shù)據(jù)是那些沒有加熱線材、在與實施例中相同的線材型燃燒爐中燒制的太陽能電池器件。燃燒爐(加熱區(qū))中的溫度通過插入K系列熱電偶測量，以及線材溫度通過放置K系列熱電偶使之與線材接觸來測量。已經(jīng)確認的是，線材溫度比加熱區(qū)氣體溫度低大約50°c。從表I來看，與對比實施例的燒制步驟相比，從本發(fā)明燃燒爐的使用可以預期太陽能電池性能和生產(chǎn)成品率的提高。這些提高主要歸因于線材溫度降低的消除。
表I
權利要求
1.一種用于在太陽能電池器件上燒制電極的爐，包括用于傳送有導電膏涂于其上的襯底的傳送部件、用于加熱所述襯底以燒制所述導電膏的加熱區(qū)和用于冷卻所述熱襯底的冷卻區(qū)，所述爐進一步包括用于加熱所述傳送部件的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃燒爐，其中所述加熱區(qū)氣體和所述傳送部件之間的溫度差為 O 至 200°C。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的燃燒爐，其中所述傳送部件包括延伸用于在所述爐的縱向方向上的平行且水平移動的至少兩條線材，其中當所述襯底被置于線材上時，所述襯底由所述線材來傳送。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的燃燒爐，其中所述傳送部件具有移動梁系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的燃燒爐，其中所述用于加熱所述傳送部件的裝置是電氣裝置。
6.一種用于制造太陽能電池器件的方法，包括以下步驟在半導體襯底中形成pn結、將導電膏涂于半導體襯底的光接收表面和非光接收表面，以及燒制所述導電膏以形成能量提取電極， 所述燒制導電膏的步驟在如權利要求1至5中的任何一項所述的燃燒爐中進行。
7.一種根據(jù)權利要求6所述方法獲得的太陽能電池器件。
全文摘要
公開了一種燃燒爐，用于燒制太陽能電池元件的電極，所述燃燒爐設置有傳送部件，其傳送有導電膏涂于其上的襯底；加熱區(qū)，其加熱襯底并且燒制導電膏；以及冷卻區(qū)，其冷卻熱襯底。該燃燒爐還設置有用于加熱傳送部件的加熱裝置。具體地，在使用線材型燃燒爐燒制導電膏時，由于線材是在基本等于加熱區(qū)周圍溫度的溫度上被燒制的，因此抑制了由于導電膏金屬成分的沉積材料引起的電極損壞，所述沉積材料被沉積在線材上，以及所述線材型燃燒爐可以被連續(xù)使用。
文檔編號H01L21/677GK103026480SQ20118003617
公開日2013年4月3日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2010年6月10日
發(fā)明者三田憐, 渡部武紀, 大塚寬之 申請人:信越化學工業(yè)株式會社