專利名稱：晶硅太陽能電池p型摻雜鋁背電極用球形鋁粉的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于單晶硅、多晶硅太陽能電池背面鋁電極的球形鋁粉生產(chǎn)方 法，該球形鋁粉是專用于燒結(jié)形成單晶硅、多晶硅的晶硅太陽能電池具有P型半導(dǎo)體特性 的背面鋁電極的原料，是金屬粉體材料。
背景技術(shù)：
球形鋁粉在晶硅太陽能電池鋁背電極上使用，是把小于13微米一定粒度組合 要求的球形鋁粉與溶劑混合起來制成漿料，通過絲網(wǎng)印刷在多晶硅、單晶硅硅片上，再在 680-920°溫度之間燒結(jié)在硅片背面形成太陽能電池的鋁背電極。球形鋁粉表面需要一定 的氧化鋁膜，在制漿過程氧化鋁膜的表面活性與溶劑等實(shí)現(xiàn)很好的物理結(jié)合，而且避免微 細(xì)的鋁與溶劑里的水等起反應(yīng)，在燒結(jié)過程氧化鋁膜與溶劑還能夠形成無機(jī)玻璃相，使鋁 在熔融狀態(tài)不與硅直接接觸形成高電阻的硅鋁合金態(tài)。球形鋁粉表面的氧化鋁膜應(yīng)該是活 性很高的非晶型氧化鋁，使球形鋁粉顆粒本身就據(jù)有表面活性劑，而且非晶型氧化鋁膜的 熔點(diǎn)較低，在燒結(jié)中與溶劑很快完全形成無機(jī)玻璃相。球形鋁粉經(jīng)燒熔后按照印刷圖形形 成金屬液，在電極和硅片之間的界面上形成液相，溶劑里的元素形成無機(jī)玻璃相并對(duì)硅表 面具有腐蝕性，鋁液隨腐蝕面形成倒金字塔狀態(tài)。當(dāng)溫度降低時(shí)，鋁與其他元素物質(zhì)即根據(jù) 相圖進(jìn)行分相，使鋁液重新結(jié)晶為固體成為鋁背電極，并對(duì)硅進(jìn)行P形摻雜，形成光電轉(zhuǎn)化 的半導(dǎo)體PN結(jié)特性。目前用于晶硅太陽能電池鋁背電極的球形鋁粉生產(chǎn)方法，采用專利號(hào) 200510004921.6的“微細(xì)金屬粉末的生產(chǎn)設(shè)備”來生產(chǎn)，原料用重熔用鋁錠(GB/ Tl 196-2008)經(jīng)過重新融化成鋁液體后，在惰性氣體保護(hù)下噴霧生產(chǎn)出來，在鋁液霧化成小 顆粒時(shí)因惰性氣體保護(hù)使鋁液的表面張力不被破壞而冷卻呈球形，并通過控制惰性氣體中 的含氧量形成氧化鋁膜，再經(jīng)過空氣氣動(dòng)分級(jí)裝置分出< 13微米的粒度。這種方法生產(chǎn)的 球形鋁粉原用于金屬顏料，在晶硅太陽能電池背電極燒結(jié)應(yīng)用上存在缺陷。(1)生產(chǎn)的球 形鋁粉內(nèi)硅元素對(duì)應(yīng)用太陽能電池的半導(dǎo)體材料生產(chǎn)要求含量過高。國家標(biāo)準(zhǔn)重熔用鋁 錠硅含量小于0. 2%，經(jīng)過重熔過程灰塵易進(jìn)入鋁液使硅又增加，使球形鋁粉普遍含硅量在 0. 2%以上。球形鋁粉中硅含量高在鋁液重結(jié)晶時(shí)形成較粗的晶體結(jié)構(gòu)使鋁_硅附著差，并 且導(dǎo)致鋁液與硅片之間結(jié)合形成鋁硅合金物質(zhì)，增加電阻減少光電轉(zhuǎn)化率，而且影響到鋁 對(duì)硅形成P形摻雜的半導(dǎo)體性質(zhì)。(2)生產(chǎn)的球形鋁粉中含有的產(chǎn)生半導(dǎo)體特性的微量元 素“鎵”極少，影響P型摻雜的半導(dǎo)體特性。鎵是一種用于半導(dǎo)體材料添加的稀有金屬，微 量的鎵元素在球形鋁粉里，對(duì)背電極燒結(jié)過程沒有影響，而且對(duì)P形摻雜產(chǎn)生的半導(dǎo)體性 能更好，有利于提高光電轉(zhuǎn)化率。但因鋁生產(chǎn)過程中鎵有不利的影響，為此重熔用鋁錠中鎵 的含量極低(< 0. 003% )，采用此原料生產(chǎn)的球形鋁粉中鎵含量也低。(3)生產(chǎn)的球形鋁 粉表面氧化鋁膜性質(zhì)不穩(wěn)定。在鋁液霧化時(shí)保護(hù)用的惰性氣體中增加含氧量，使球形鋁粉 表層形成氧化鋁膜的生產(chǎn)方法，是在鋁液態(tài)時(shí)> 700°的高溫狀態(tài)與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氧 化鋁膜往往是晶體型的，這種氧化鋁膜在1200°以上時(shí)才開始融化成為無機(jī)玻璃相，在背電極燒結(jié)900°左右的溫度時(shí)，只是隨著鋁粉的熔化成為氧化鋁的碎片在液相里，在鋁液結(jié) 晶呈固態(tài)后，這些氧化鋁微細(xì)的碎片起到增加電阻、影響P型摻雜和鋁硅附著的作用。(4) 采用重熔用鋁錠生產(chǎn)球形鋁粉到用球形鋁粉燒結(jié)成背電極，經(jīng)過液_固相變化被重結(jié)晶了 3次(電解鋁液_重熔用鋁錠_鋁液_球形鋁粉_燒結(jié)鋁液_鋁背電極)，重熔用鋁錠熔化 成液態(tài)和再冷卻結(jié)晶，使鋁金屬的晶粒變粗，這個(gè)熔化_再冷卻的次數(shù)越多，晶粒就越粗， 鋁的導(dǎo)電率、韌性就會(huì)下降。因此，現(xiàn)有的球形鋁粉生產(chǎn)方法無法穩(wěn)定生產(chǎn)出適合晶硅太陽 能電池鋁背電極應(yīng)用并具有良好的P型摻雜功能的專用球形鋁粉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供晶硅太陽能電池鋁背電極并具有P型摻雜功能的專用球形鋁粉生產(chǎn) 方法，生產(chǎn)出的球形鋁粉是第一次結(jié)晶的金屬鋁，晶體細(xì)小、活性大，鋁含量>99.8%，硅含 量< 0. 08%，鐵含量< 0. 1%，鎵含量在0. 005-0. 01%之間，表層為表面活性高的非晶型氧 化鋁膜，專門用于晶硅太陽能電池鋁背電極的原料，并具有P型摻雜的良好效果。本發(fā)明提供的方法由以下主要設(shè)備構(gòu)成生產(chǎn)流程中頻爐_霧化室_冷卻管 道_分級(jí)機(jī)_氣粒輸送管_有紫外線照射裝置的氧化鋁膜生成罐_布袋除塵器-出料口， 流程完全在氮?dú)獗Ｗo(hù)下由不銹鋼壓力容器、管道、閥門連通的密閉環(huán)境中；輔助的氣體系統(tǒng) 是制氮機(jī)、氣體壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、臭氧加入裝置、測(cè)氮(臭氧)儀表、管道和帶有紫外線照射裝 置的排氣口。整個(gè)設(shè)備的金屬聯(lián)通并接地，管道和容器上任意兩點(diǎn)之間電阻小于3歐姆。本發(fā)明提供的方法包括的原料配制和步驟1、從電解鋁槽內(nèi)選擇出金屬鋁含量> 99. 8%的鋁電解液，放入中頻爐內(nèi)，調(diào)配至 金屬鋁含量> 99. 8%，硅含量< 0. 08%，鐵含量< 0. 1%，金屬鎵含量0. 005% -0.01%，調(diào) 配好的鋁液溫度在720-780°，鋁液表層通有99. 99%的氮?dú)猓乐古c空氣接觸氧化。2、用制氮機(jī)生產(chǎn)出純度在99. 99%以上的氮?dú)?，通過氣體壓縮機(jī)增壓至5MPa以上 對(duì)配置的鋁液進(jìn)行霧化生產(chǎn)出球形鋁粉；霧化后氮?dú)鈮毫Φ玫綔p壓至常壓，攜帶球形鋁粉 冷卻到40°以下后輸送到分級(jí)機(jī)進(jìn)行分級(jí)，分離出DmaX< 13微米的球形鋁粉，通過氣粒輸 送至氧化鋁膜生成罐。Dmax > 13微米的球形鋁粉經(jīng)分級(jí)器收集和布袋除塵器進(jìn)行氣粒分 離后，進(jìn)行包裝成為非太陽能電池用產(chǎn)品；氮?dú)饨?jīng)管道至氣體壓氣機(jī)循環(huán)使用。3、經(jīng)氮?dú)膺M(jìn)行氣粒輸送到氧化鋁膜生成罐內(nèi)的Dmax > 13微米球形鋁粉，加 入占?xì)怏w體積10%的臭氧，罐內(nèi)氣體與固體體積比為5 1，氣動(dòng)攪拌的情況下用波長 185-220nm的紫外線進(jìn)行照射，整個(gè)過程溫度控制在50°以下。經(jīng)紫外線光催化作用下臭 氧與鋁低溫反應(yīng)，在球形鋁粉表層生成非晶型氧化鋁膜。4、通過氮?dú)怙L(fēng)力輸送將生成非晶型氧化鋁膜的球形鋁粉送到布袋除塵器，經(jīng)布袋 將氣體與球形鋁粉分離，在濕度<50%的空氣環(huán)境中，球形鋁粉經(jīng)出料口裝入內(nèi)有防靜電 塑料袋的金屬容器，兩層包裝。5、帶有臭氧的氮?dú)鈴牟即龎m器分離出球形鋁粉后，經(jīng)過帶有波長> 285nm紫外 線照射器的不銹鋼管道，經(jīng)過波長> 285nm紫外線照射后，臭氧立即分解成無害的氧氣，與 氮?dú)饣旌吓懦觥?br>

圖1為本發(fā)明工藝流程示意圖
具體實(shí)施例方式1)生產(chǎn)系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)各設(shè)備組成的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)“霧化室_冷卻管道_分級(jí)機(jī)_氣粒輸送 管_氧化鋁膜生成罐_布袋除塵器-出料口”各設(shè)備之間進(jìn)行氣密性檢測(cè)，不能有氣體泄 漏；對(duì)整個(gè)設(shè)備的金屬聯(lián)通、接地進(jìn)行檢測(cè)，管道和容器上任意兩點(diǎn)之間電阻小于3歐姆， 防止產(chǎn)生靜電火花。2)鋁液的配置從電解鋁槽內(nèi)選擇金屬鋁含量>99. 8%的鋁電解液，用真空鋁包吸出放入中頻爐 進(jìn)行精煉，使硅含量<0. 08%，鐵含量<0.1%，然后用高純鎵(6N)加入鋁液內(nèi)，調(diào)整鋁液 金屬鎵含量，使其達(dá)到0.005%-0.01%。在中頻爐內(nèi)經(jīng)過電磁攪拌，鋁液內(nèi)微量元素分布 均勻、成分一致，純鋁含量> 99.8%。整個(gè)過程向中頻爐內(nèi)通入純度在99. 99%以上的氮 氣，在鋁液表面起到隔離空氣、防止氧化的作用。3)球形鋁粉的霧化和分級(jí)用制氮機(jī)生產(chǎn)出純度在99. 99%以上的氮?dú)?，通過氣體壓縮機(jī)增壓至5MPa以上 對(duì)配置的鋁液導(dǎo)入霧化室進(jìn)行霧化生產(chǎn)出球形鋁粉；霧化后氮?dú)鈮毫Φ玫綔p壓至常壓，攜 帶球形鋁粉經(jīng)冷卻管道冷卻到40°以下后，通過風(fēng)機(jī)輸送到分級(jí)機(jī)進(jìn)行分級(jí)，分離出Dmax < 13微米的球形鋁粉。通過氣粒輸送至氧化鋁膜生成罐，而Dmax > 13微米的球形鋁粉經(jīng) 分級(jí)器收集和布袋除塵器進(jìn)行氣粒分離后，進(jìn)行包裝成為非太陽能電池用產(chǎn)品，氮?dú)饨?jīng)管 道至氣體壓氣機(jī)循環(huán)使用。4)非晶型氧化鋁膜的生成經(jīng)氮?dú)鈿鈩?dòng)分級(jí)分離出< 13微米的球形鋁粉，采用氣粒輸送方法輸入氧化鋁膜 生成罐，罐內(nèi)氣體與粉體體積比為5 1時(shí)，對(duì)罐內(nèi)粉體攪拌，使臭氧與球形鋁粉充分接觸， 同時(shí)用波長185-220nm的紫外線照射，整個(gè)過程罐內(nèi)溫度控制在50°以下。在紫外線光催 化作用下臭氧與鋁低溫反應(yīng)，在球形鋁粉表層生成表面活性高的非晶型氧化鋁膜。4)氣粒分離、鋁粉包裝生成非晶型氧化鋁膜的球形鋁粉輸送到布袋除塵器進(jìn)行氣體與鋁粉分離。球形鋁 粉具有氧化鋁膜后，本身性質(zhì)就比較穩(wěn)定，可以與空氣接觸。由于非晶型氧化鋁膜表面活性 很強(qiáng)，容易吸收空氣中的水分，需要在濕度< 50%的環(huán)境中對(duì)太陽能電池鋁背電極用球形 鋁粉進(jìn)行包裝。球形鋁粉經(jīng)出料口裝入內(nèi)有防靜電塑料袋的金屬容器，將塑料袋口用繩子 扎好，在袋子外放上干燥劑后用金屬容器包裝。5)廢氣無害化處理分離出含有臭氧的氮?dú)?，通過裝有紫外線照射裝置的不銹鋼管道，過波長> 285nm 的紫外線照射處理，臭氧完全分解為氧氣，無公害排放。
權(quán)利要求
用于晶硅太陽能電池鋁背電極并具有P型摻雜功能的專用球形鋁粉(Dmax＜13微米)生產(chǎn)方法。其特征在于包括采用金屬鋁含量＞99.8％、低硅、低鐵，并且金屬鎵含量在一定范圍的金屬鋁液，在高純惰性氣體保護(hù)下霧化出球形鋁粉，冷卻到溫度40°以下后經(jīng)氮?dú)鈿鈩?dòng)分級(jí)分離出Dmax＜13微米的球形鋁粉，氣粒輸送到不銹鋼氧化鋁膜生成罐，加入臭氧，用紫外線照射使臭氧與鋁粉低溫快速反應(yīng)，在表層生成非晶型氧化鋁膜；反應(yīng)完后輸送到布袋除塵器將氣體與鋁粉分離；在干燥環(huán)境下，非晶型氧化鋁膜的球形鋁粉經(jīng)出料口裝入內(nèi)有防靜電塑料袋的金屬容器兩層包裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球型鋁粉生產(chǎn)方法，其特征在于由以下主要設(shè)備組成流程 中頻爐_霧化室_冷卻管道_分級(jí)機(jī)_氣粒輸送管_有紫外線照射裝置的氧化鋁膜生成 罐-布袋除塵器-出料口，流程完全在氮?dú)獗Ｗo(hù)下由不銹鋼壓力容器、管道、閥門連通的密 閉環(huán)境中；氣體系統(tǒng)由制氮機(jī)、氣體壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、臭氧加入裝置、測(cè)氮(臭氧)儀表、管道和 有紫外線照射裝置的排氣口構(gòu)成。整個(gè)設(shè)備的金屬聯(lián)通并接地，管道和容器上任意兩點(diǎn)電 阻小于3歐姆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球型鋁粉生產(chǎn)方法，其特性在于，用于生產(chǎn)晶硅太陽能電池 P型摻雜鋁背電極用球形鋁粉的原料是金屬鋁含量> 99. 8%，硅含量< 0. 08%，鐵含量 < 0. 1%，鎵含量在0. 005% -0.01%之間的鋁金屬及其液態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球型鋁粉生產(chǎn)方法，其特征在于，用制氮機(jī)生產(chǎn)出純度在 99. 99%以上的氮?dú)?，通過氣體壓縮機(jī)增壓至5MPa以上對(duì)配置的鋁液進(jìn)行霧化生產(chǎn)出球形 鋁粉；霧化后氮?dú)鈮毫p壓至常壓，攜帶球形鋁粉冷卻到40°以下后通過風(fēng)機(jī)輸送到分級(jí) 機(jī)進(jìn)行分級(jí)，分離出Dmax < 13微米的球形鋁粉，氣粒輸送至氧化鋁膜生成罐。Dmax > 13 微米的球形鋁粉經(jīng)分級(jí)器收集和布袋除塵器進(jìn)行氣粒分離后，進(jìn)行包裝成為非太陽能電池 用產(chǎn)品，氮?dú)饨?jīng)管道至氣體壓氣機(jī)循環(huán)使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球型鋁粉生產(chǎn)方法，其特征在于，在氧化鋁膜生成罐容器內(nèi)， 氮?dú)庵屑尤?0%含量的臭氧，經(jīng)波長在185-220nm之間紫外線照射的光催化作用下臭氧與 鋁低溫反應(yīng)，在球形鋁粉表層生成表面活性高的非晶型氧化鋁膜。含臭氧氮?dú)鈿怏w與鋁粉 體積比為5 1，溫度控制在50°以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球型鋁粉生產(chǎn)方法，其特征在于，生成非晶型氧化鋁膜的球 形鋁粉輸送到布袋除塵器進(jìn)行氣體與鋁粉分離，在濕度< 50%的環(huán)境下，對(duì)鋁粉用金屬桶 內(nèi)襯防靜電塑料袋兩層包裝。含有臭氧的氮?dú)?，?jīng)過波長> 285nm的紫外線照射處理，氣體 中的臭氧完全分解為氧氣，無公害排放。
全文摘要
本發(fā)明公開一種球形鋁粉生產(chǎn)方法，該鋁粉用于單晶硅、多晶硅等晶硅太陽能電池的具有P型半導(dǎo)體特性的鋁背電極。發(fā)明內(nèi)容包括生產(chǎn)流程和設(shè)備構(gòu)成，鋁、硅、鐵和鎵各元素的含量和調(diào)配方法，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)生產(chǎn)球型鋁粉，氮?dú)庵屑尤氤粞跖c鋁粉混合經(jīng)紫外線照射使球型鋁粉在低溫形成表層的非晶型活性氧化鋁膜，氮?dú)庵谐粞踝贤饩€照射分解成氧氣無害排放的廢氣處理。本發(fā)明解決現(xiàn)有太陽能電池鋁背電極用球型鋁粉采用重熔用鋁錠為原料生產(chǎn)的缺陷；增加金屬鎵含量達(dá)到一定范圍提高P型半導(dǎo)體的特性；使球型鋁粉表面低溫生成非晶型氧化鋁膜，能夠減少電極的電阻、增加鋁硅附著力。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK101972853SQ20101026884
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者周輝放, 張剛 申請(qǐng)人:山東信發(fā)金屬粉末有限公司