太陽(yáng)能電池片燒結爐的設計及其關(guān)鍵性能探討

網(wǎng)帶式紅外加熱快速燒結爐是生產(chǎn)太陽(yáng)電池片的關(guān)鍵設備，它的性能指標直接關(guān)系到電池片的轉換率、成品率以及生產(chǎn)效率的高低。本文著(zhù)重對幾個(gè)關(guān)鍵性能進(jìn)行了探討，并介紹了實(shí)現這些性能的設備結構。

一、前言

進(jìn)入21世紀以來(lái)，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(chǎng)的拉動(dòng)下，到2006年，我國已形成1200MW。的生產(chǎn)能力。在太陽(yáng)電池片的整個(gè)生產(chǎn)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(guān)重要的一步。因此，燒結設備的性能好壞直接影響著(zhù)電池片的質(zhì)量。

太陽(yáng)電池片目前采用只需一次燒結的共燒工藝，同時(shí)形成上下電極的歐姆接觸。銀漿、銀鋁漿、鋁漿印刷過(guò)的硅片，經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)，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(gè)過(guò)程是相當快的，一般只需幾秒鐘時(shí)間。溶入的單晶硅原子數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，則溶入的硅原子數目也越多，這時(shí)的狀態(tài)被稱(chēng)為晶體電極金屬的合金系統。如果此時(shí)溫度降低，系統開(kāi)始冷卻形成再結晶層，這時(shí)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(lái)，也就是在金屬和晶體接觸界面上生長(cháng)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(lèi)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；如果在結晶層內含有足夠量的與原先晶體材料導電類(lèi)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。

典型的太陽(yáng)電池片的燒結曲線(xiàn)如圖1所示。整個(gè)時(shí)間約120s，分為烘干、預燒、燒結和降溫四個(gè)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(shí)間約10s，而在850℃僅停留2～3s。這種陡升陡降的工藝曲線(xiàn)，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(dòng)系統和冷卻方式等方面必須要有專(zhuān)門(mén)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(guò)熱傳導對工件進(jìn)行加熱，無(wú)法實(shí)現急速升溫。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(diǎn)。所以目前太陽(yáng)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(gè)問(wèn)題：

1紅外輻射吸收光譜

當紅外輻射能量被工件吸收時(shí)，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(shí)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(fēng)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(shí)間內使基片達到共晶溫度，只有短波管能做到這一點(diǎn)。

2加熱管的結構形式

為實(shí)現燒結段的溫度尖峰，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(xiàn)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(zhì)量要求更高，制造成本約是單管的2．5倍。因此，在實(shí)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(shí)燈管的表面溫度將達到1100℃，接近石英管的使用極限，稍微過(guò)熱產(chǎn)生氣孔就會(huì )立刻燒毀燈管。而在燈管的引出導線(xiàn)部位，由于焊接導線(xiàn)的金屬片和石英玻璃密封在一起，二者熱膨脹系數不一致，如果此處溫度過(guò)高就會(huì )產(chǎn)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(xiàn)部位的溫度不會(huì )過(guò)高；而且爐壁上安裝孔的直徑要比燈管大2～3mm，通過(guò)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(yáng)電池片的燒結工藝決定了相鄰兩個(gè)溫區的溫度會(huì )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(huì )因對流和空氣的冷卻作用而損失。同時(shí)，高溫區的熱量有向相鄰低溫區擴散的趨勢，這種熱擴散會(huì )抬高相鄰低溫區的實(shí)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的熱擴散是爐膛結構設計的重點(diǎn)，其縱向截面剖視圖如圖3所示。

整個(gè)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(gè)溫區的空間相對獨立，減少對流，降低相鄰溫區間熱擴散干擾。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(shí)際設計時(shí)，要考慮溫度曲線(xiàn)測量器件從爐膛通過(guò)，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(yáng)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別

在太陽(yáng)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(fēng)輔助加熱，增加爐膛中的空氣對流來(lái)實(shí)現這一目的。

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(jìn)入爐膛，分成左右兩股，通過(guò)對流將烘干過(guò)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(guò)這種強制熱風(fēng)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(shí)，也會(huì )因燈管布置問(wèn)距、電流通斷時(shí)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(chǎn)生熱應力的隱患。此外，預熱時(shí)隨著(zhù)溫度升高，漿料中的鋁離子開(kāi)始擴散揮發(fā)，為防止基片正反兩面金屬離子交叉污染，如何形成上下溫區互不干擾的氣氛流向是設計的重點(diǎn)。

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(guò)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(guò)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(chǎn)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?xún)?，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(jìn)爐膛，一方面冷空氣經(jīng)過(guò)耐火層時(shí)被逐漸加熱，不會(huì )對溫區溫度產(chǎn)生擾動(dòng)；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(guò)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，或在爐膛兩側布置水冷壁都是徹底的解決方案，不過(guò)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(jiǎn)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(guò)渡區，布置數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

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

調壓式又稱(chēng)移相控制，是指通過(guò)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(guò)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(shí)現調節功率的目的。它的優(yōu)點(diǎn)是沖擊小，控制精度高；缺點(diǎn)是功率因數低，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(shí)間周期內，通過(guò)控制負載上電流導通和截止的時(shí)間比，來(lái)改變負載上的功率。它的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是過(guò)零時(shí)滿(mǎn)功率輸出，局部線(xiàn)路瞬間電流過(guò)大而對加熱元件和電源帶來(lái)沖擊。此外，其通斷的間隔長(cháng)，容易造成溫度波動(dòng)，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(shí)間段內，避免集中導通、關(guān)斷給電源帶來(lái)的沖擊。它既具有類(lèi)似調壓式的控制優(yōu)點(diǎn)，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儀表的調節品質(zhì)。缺點(diǎn)是當輸出百分比小時(shí)，會(huì )出現低頻閃爍現象，對電網(wǎng)有一定干擾。

綜合考慮，CYC周波過(guò)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(lái)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(shí)間較長(cháng)，對于普通的電熱絲加熱、低速運行的窯爐無(wú)影響。而采取輻射加熱和CYC控制方式的太陽(yáng)電池片燒結爐要求熱偶的響應時(shí)間必須足夠快，才能將溫區的溫度波動(dòng)控制在允許范圍內，否則燒結出的電池片轉換率會(huì )隨著(zhù)爐溫的波動(dòng)而變化，離散性大、品質(zhì)不一致。為解決熱偶響應時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題，采用S分度熱偶是一種合適的選擇。

六、高速燒結對傳動(dòng)系統的要求

目前太陽(yáng)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(huì )使網(wǎng)帶的運行平穩性變差，在電池片的背電極面造成網(wǎng)紋，影響外觀(guān)質(zhì)量，甚至會(huì )造成破片。此外，高速燒結如何在很短的時(shí)間內使網(wǎng)帶迅速降溫，以保證電池片出爐溫度，也是一個(gè)必須解決的難題。目前，設計人員著(zhù)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(dòng)方式，即用張緊輪將網(wǎng)帶壓緊在主傳動(dòng)輪上，跟隨主動(dòng)輪一起運動(dòng)。一般網(wǎng)帶爐只在主傳動(dòng)處施加張緊，會(huì )造成網(wǎng)帶有松邊、緊邊之分，對低速運行不會(huì )造成影響，但高速運行就會(huì )在松邊產(chǎn)生抖動(dòng)。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(huì )根據網(wǎng)帶拉力的不同而自動(dòng)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(dòng)的產(chǎn)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(yáng)電池片燒結爐的網(wǎng)帶在高溫高速下運動(dòng)，要求長(cháng)期使用不抖動(dòng)、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(diǎn)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(zhù)力點(diǎn)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；節距p加大后，會(huì )在傳動(dòng)輪圓周上產(chǎn)生多邊形效應，接觸面減小，造成摩擦力不足，而且d變細時(shí)，p過(guò)大，會(huì )使網(wǎng)絲在張緊力的作用下發(fā)生變形，因此節距p一般控制在網(wǎng)距t的1．1～1．2倍之問(wèn)。這樣編織出的網(wǎng)帶，既有足夠的長(cháng)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(mǎn)足降溫需要，太陽(yáng)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(shí)進(jìn)行嚴格的夾具定位，特別要控制兩端絲頭焊接時(shí)的應力產(chǎn)生。此外，整個(gè)傳動(dòng)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(dòng)結構，減少摩擦力，以提高網(wǎng)帶壽命，降低網(wǎng)帶振動(dòng)。

4新工藝對傳動(dòng)的特殊要求

目前一些廠(chǎng)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(diǎn)是有利于背場(chǎng)形成，減少鋁對電池的污染，轉換率較高；缺點(diǎn)是網(wǎng)帶易劃傷正面柵線(xiàn)。因此，采用帶突點(diǎn)的網(wǎng)帶或類(lèi)似熱風(fēng)回流焊機的帶支撐短桿的鏈式傳動(dòng)機構，將是今后的研究方向。

七、實(shí)現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(wú)法滿(mǎn)足在lmin內迅速降溫的要求。風(fēng)冷式水冷換熱器是成熟可靠的解決方案，在此基礎上，開(kāi)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(fēng)機強制將網(wǎng)帶和基片帶出的熱量抽過(guò)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循環(huán)降溫，從而降低了網(wǎng)帶和基片的溫度。其優(yōu)點(diǎn)是熱量?jì)炔垦h(huán)，外界散失少，能耗低，對工作間溫度影響小，成本低；缺點(diǎn)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(kāi)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(guò)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(diǎn)是換熱效率比內部循環(huán)式高；缺點(diǎn)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(cháng)，對出口溫度要求較寬泛的，可采用內部循環(huán)換熱。

3風(fēng)量及流向對電池片的影響

當水冷溫度和流量一定時(shí)，唯一影響降溫速率的是風(fēng)量大小。但過(guò)大的風(fēng)量，會(huì )對電池片產(chǎn)生很大的力，控制不好會(huì )造成破片。此外，風(fēng)的流向也很重要，如果垂直向下，當吹到電池片時(shí)，風(fēng)會(huì )向兩邊擴散，靠近燒結段的，會(huì )影響燒結溫區的溫度穩定，從而影響轉換率。采用風(fēng)機向出口傾斜的安裝結構能很好解決這一問(wèn)題。

八、總結

太陽(yáng)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(guān)鍵性能指標，直接影響著(zhù)電池片的質(zhì)量。我們在2005年開(kāi)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(guò)高等缺陷。我們經(jīng)過(guò)不斷地摸索研究，并參考國內外同類(lèi)設備的優(yōu)缺點(diǎn)，總結出以上設計經(jīng)驗，并據此在2006年開(kāi)發(fā)了第2代設備，其總體結構如圖9所示。

其特點(diǎn)是燒結段采用進(jìn)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。它克服了第一代的缺點(diǎn)，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(hù)十分滿(mǎn)意。10組樣片的對比測試結果(平均值)如表1所示。

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