太陽能作為一種綠色能源，以其取之不竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視。
隨著晶硅太陽能電池的不斷發(fā)展，終端客戶對(duì)晶硅電池質(zhì)量要求也在不斷地提高，不僅體現(xiàn)在電池電性能方面，同時(shí)對(duì)晶硅電池外觀也有更高的要求。
近年來，晶硅電池片的氧化已成為備受關(guān)注的異常反饋。成品晶硅電池片的氧化不僅影響電池片的效率，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，燒結(jié)后的電池片在保存的過程當(dāng)中經(jīng)常會(huì)因?yàn)檠趸瑥亩鴮?dǎo)致外觀不良。
本文主要對(duì)晶硅電池氧化片進(jìn)行分析，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線能譜分析（EDS）等分析表征，探討了樣品結(jié)構(gòu)及化學(xué)組態(tài)等物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步確認(rèn)晶硅電池氧化片的成因。
實(shí)驗(yàn)
電池片的生產(chǎn)工藝流程：清洗制絨→擴(kuò)散制結(jié)→去磷硅玻璃→PECVD鍍減反射膜→絲網(wǎng)印刷→檢測分選。
實(shí)驗(yàn)選用成品電池氧化片。
樣品表征手段：
蔡司掃描電子顯微鏡（SEM）：是一種介于投射電鏡和光線顯微鏡之間的微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。主要研究樣品表面形貌，鑒定樣品表面結(jié)構(gòu)，從而分析各種樣品表面和斷面的微觀結(jié)構(gòu)。
X射線能譜分析（EDS）：用來對(duì)材料微區(qū)成分元素種類與含量分析，配合掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡的使用。太陽能電池檢測儀（BERGERLichttechnik）。采用BERGER測試分選機(jī)測量晶硅太陽能電池的電學(xué)性能。
選取樣片———電池氧化片。晶硅電池的氧化片外觀照片如圖1。從圖中可以看出氧化片即為晶硅電池片經(jīng)過絲網(wǎng)燒結(jié)后，放置一段時(shí)間后會(huì)在電池正面表肉眼可見印記，且對(duì)應(yīng)位置出的柵線出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。
圖1 氧化片的外觀照片
分別在出現(xiàn)印記的異常區(qū)域及正常區(qū)域取適量樣品，取樣位置如圖2所示。
用電子掃描顯微鏡分別觀察樣品A和樣品B的表面形貌，并分別做EDS能譜分析。
用掃描電鏡不同放大倍數(shù)分別對(duì)樣品A和樣品B表面形貌進(jìn)行觀察，兩個(gè)樣品分別觀察區(qū)域?yàn)闁啪€處及無柵線處（藍(lán)色電池片位置）。
柵線處放大倍數(shù)分別為100倍、300倍、1000倍、2000倍。無柵線處（藍(lán)色電池片）放大倍數(shù)分別為2000倍、10000倍。
圖2 取樣位置對(duì)比照片
（A：樣品異常印記處；B：樣品正常位置）
晶硅電池片氧化原因分析
眾所周知，晶硅電池氧化后不僅帶來外觀不良問題，同時(shí)會(huì)降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
深入客觀地研究晶硅電池氧化的原因問題，將對(duì)整個(gè)晶硅電池良率有進(jìn)一步提升。
造成晶硅電池片氧化的原因有諸多種，以下進(jìn)一步闡述：
工業(yè)化手套一般都經(jīng)過硫化工藝處理。手套中的硫和銀發(fā)生反應(yīng)而引起的不良化學(xué)反應(yīng)，其關(guān)系式見公式1。
這種化學(xué)變化在極微量的情況下發(fā)生。因?yàn)榱蚧y是灰黑色，隨著反應(yīng)的加劇，硫化銀增多，白銀表面顏色由白變黃變灰或者變黑。
在絲網(wǎng)印刷工藝段會(huì)接觸到正銀漿料，正銀漿料的主要成分為銀粉顆粒，手套接觸到印刷的電池片，勢必發(fā)生反應(yīng)，造成電池片氧化。
目前，也有部分公司因手套含硫而導(dǎo)致組件客戶投訴電池氧化。因此晶硅電池片制造廠商需采購無硫手套。
燒結(jié)爐的有機(jī)排，和燒結(jié)爐前的烘干區(qū)的有機(jī)排，滴落油脂導(dǎo)致電池片燒結(jié)后發(fā)黃氧化。
前兩道的烘箱的烘干區(qū)，有機(jī)油脂存放區(qū)滿了，滴到烘箱的傳送帶上，沾染到電池片，進(jìn)而導(dǎo)致其氧化。
晶硅電池制造的最后一道工序?yàn)榻z網(wǎng)印刷，這是生產(chǎn)晶硅太陽能電池最關(guān)鍵的步驟之一。
本工序包括電極工藝和燒結(jié)工藝。
電極工藝主要是印刷電極即將含有金屬的導(dǎo)電漿料透過絲網(wǎng)網(wǎng)孔壓印在硅片上形成電路或電極；而燒結(jié)工藝則側(cè)重于金屬與半導(dǎo)體之間的歐姆接觸問題。兩項(xiàng)工藝對(duì)于電池片性能影響重大。
銀漿的燒結(jié)質(zhì)量直接影響電流的輸出，銀漿燒結(jié)不透、漿料的黏度低均會(huì)造成燒結(jié)后柵線塌陷，造成柵線高寬比差，外觀上表現(xiàn)為柵線不連續(xù)，進(jìn)而影響晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。
當(dāng)溫度超過或者低于最佳燒結(jié)點(diǎn)的溫度的時(shí)候，片子都是沒有達(dá)到理想燒結(jié)要求的，均容易造成柵線坍塌。
欠燒時(shí)歐姆接觸沒有完全形成，串聯(lián)電阻會(huì)偏大，填充因子偏低，過燒時(shí)銀硅合金消耗太多銀金屬，銀硅合金層相當(dāng)于隔離層，阻止了載流子的輸出，也會(huì)增加接觸電阻，降低填充因子。
而過燒時(shí)會(huì)導(dǎo)致更多的雜質(zhì)驅(qū)入到PN結(jié)附近，增加局部漏電的概率，這樣并聯(lián)電阻會(huì)偏小，反向電流偏大。
正面銀電極的燒結(jié)比較困難，若燒結(jié)溫度過低，銀電極柵線與硅片結(jié)合不牢，串聯(lián)電阻增大；燒結(jié)溫度過高，雖然牢固度增加，但可能會(huì)破壞正面的PN結(jié)，使得光伏電池的并聯(lián)電阻變小，電性能變低，甚至可能將正面的PN結(jié)燒穿，使得光伏電池片失效。
因此，正面銀電極的燒結(jié)很關(guān)鍵，銀硅合金最低共熔點(diǎn)溫度為830℃，但是適宜的燒結(jié)溫度需由生產(chǎn)實(shí)踐決定。
目前，部分公司采用的是先檢效率，后測外觀。這樣勢必導(dǎo)致一部分電池在空氣中置留，空氣中的氧氣等與電池片表面的Ag發(fā)生氧化還原反應(yīng)，造成晶硅電池部分氧化。
因此周圍環(huán)境會(huì)導(dǎo)致晶硅電池氧化。
結(jié)果與討論
圖3為放大100倍樣品A和樣品B柵線處表面形貌圖。從圖中可以看出樣品A柵線處不連續(xù)，呈斷線狀態(tài)。
樣品B柵線印刷正常，表現(xiàn)為連續(xù)的直線。這與宏觀肉眼可見的電池外觀一致。
將樣品放大1000倍，如圖4，進(jìn)一步觀察可知：
樣品A的銀顆粒與電池表面粘接時(shí)出現(xiàn)整體團(tuán)聚狀態(tài)，與電池片接觸不充分，粘接不佳，這是由于燒結(jié)溫度與漿料不匹配，導(dǎo)致漿料在燒結(jié)過程中坍塌形成團(tuán)聚狀態(tài)。
而樣品B銀柵線邊緣與電池片粘接充分。
圖5中a為樣品A無柵線處（藍(lán)色電池片）微觀形貌，b為樣品B無柵線（藍(lán)色電池片）處微觀形貌。
對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)：
樣品A無柵線（藍(lán)色電池片）位置放大觀察可見白色亮點(diǎn)處，有細(xì)微雜質(zhì)。樣品B無柵線（藍(lán)色電池片）位置放大觀察表面光潔無異常。
用EDS能譜分別對(duì)樣品A無柵線（藍(lán)色電池片）位置和樣品B無柵線（藍(lán)色電池片）位置進(jìn)行元素定性分析，分別測試三個(gè)位置，結(jié)果如圖6、圖7所示。
對(duì)比可見，樣品A在三處位置均含有C（碳）、N（氮）、O（氧）、Si（硅）、Sn（錫）元素；樣品B在三處位置均含有C（碳）、N（氮）、O（氧）、Si（硅）元素。可以看出，與樣品B相比較，樣品A中多出Sn（錫）元素。
電池片經(jīng)燒結(jié)后柵線正常，放置一段時(shí)間后，部分柵線氧化，連續(xù)的柵線成為不連續(xù)。
這是由于漿料與溫度不匹配，使得電極與硅基體未能形成良好的歐姆接觸，放置一段時(shí)間后，柵線進(jìn)一步與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，宏觀表現(xiàn)為柵線不連續(xù)。
通過采用SEM、EDS等表征，分析晶硅電池氧化的成因。
可以看出氧化處的柵線呈現(xiàn)坍塌狀態(tài)，未氧化處柵線顆粒成立體球狀。
EDS進(jìn)一步指出在氧化片中發(fā)現(xiàn)新增元素Sn，表明：晶硅電池氧化應(yīng)該是在燒結(jié)過程中，燒結(jié)爐溫度的波動(dòng)導(dǎo)致漿料與溫度不匹配，使得電極與硅基體未能形成良好的歐姆接觸，放置一段時(shí)間后，柵線進(jìn)一步與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，宏觀表現(xiàn)為柵線不連續(xù)。
這為晶硅電池氧化指出方向，從而進(jìn)一步預(yù)防晶硅電池的氧化。
來源：山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（光伏產(chǎn)業(yè)通）：電池片氧化原因？