CN101972853B - 晶硅太阳能电池p型掺杂铝背电极用球形铝粉的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种球形铝粉的生产方法，该铝粉用于单晶硅、多晶硅等晶硅太阳能电池的具有P型半导体特性的铝背电极。发明内容包括生产流程和设备构成，铝、硅、铁和镓各元素的含量和调配方法，高纯氮气保护生产球型铝粉，氮气中加入臭氧与铝粉混合经紫外线照射使球型铝粉在低温形成表层的非晶型活性氧化铝膜，氮气中臭氧紫外线照射分解成氧气无害排放的废气处理。本发明解决现有太阳能电池铝背电极用球型铝粉采用重熔用铝锭为原料生产的缺陷；增加金属镓含量达到一定范围提高P型半导体的特性；使球型铝粉表面低温生成非晶型氧化铝膜，能够减少电极的电阻、增加铝硅附着力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于单晶硅、多晶硅太阳能电池背面铝电极的球形铝粉生产方法，该球形铝粉是专用于烧结形成单晶硅、多晶硅的晶硅太阳能电池具有P型半导体特性的背面铝电极的原料，是金属粉体材料。
背景技术
球形铝粉在晶硅太阳能电池铝背电极上使用，是把直径小于13微米一定粒度组合要求的球形铝粉与溶剂混合起来制成浆料，通过丝网印刷在多晶硅、单晶硅硅片上，再在680-920℃温度之间烧结在硅片背面形成太阳能电池的铝背电极。球形铝粉表面需要一定的氧化铝膜，在制浆过程氧化铝膜的表面活性与溶剂等实现很好的物理结合，而且避免微细的铝与溶剂里的水等起反应，在烧结过程氧化铝膜与溶剂还能够形成无机玻璃相，使铝在熔融状态不与硅直接接触形成高电阻的硅铝合金态。球形铝粉表面的氧化铝膜应该是活性很高的非晶型氧化铝，使球形铝粉颗粒本身就据有表面活性剂，而且非晶型氧化铝膜的熔点较低，在烧结中与溶剂很快完全形成无机玻璃相。球形铝粉经烧熔后按照印刷图形形成金属液，在电极和硅片之间的界面上形成液相，溶剂里的元素形成无机玻璃相并对硅表面具有腐蚀性，铝液随腐蚀面形成倒金字塔状态。当温度降低时，铝与其他元素物质即根据相图进行分相，使铝液重新结晶为固体成为铝背电极，并对硅进行P形掺杂，形成光电转化的半导体PN结特性。
目前用于晶硅太阳能电池铝背电极的球形铝粉生产方法，采用专利号200510004921.6的“微细金属粉末的生产设备”来生产，原料用重熔用铝锭(GB/ T1196-2008)经过重新融化成铝液体后，在惰性气体保护下喷雾生产出来，在铝液雾化成小颗粒时因惰性气体保护使铝液的表面张力不被破坏而冷却呈球形，并通过控制惰性气体中的含氧量形成氧化铝膜，再经过空气气动分级装置分出＜13微米的粒度。这种方法生产的球形铝粉原用于金属颜料，在晶硅太阳能电池背电极烧结应用上存在缺陷。(1)生产的球形铝粉内硅元素对应用太阳能电池的半导体材料生产要求含量过高。国家标准重熔用铝锭硅含量小于0.2％，经过重熔过程灰尘易进入铝液使硅又增加，使球形铝粉普遍含硅量在0.2％以上。球形铝粉中硅含量高在铝液重结晶时形成较粗的晶体结构使铝-硅附着差，并且导致铝液与硅片之间结合形成铝硅合金物质，增加电阻减少光电转化率，而且影响到铝对硅形成P形掺杂的半导体性质。(2)生产的球形铝粉中含有的产生半导体特性的微量元素“镓”极少，影响P型掺杂的半导体特性。镓是一种用于半导体材料添加的稀有金属，微量的镓元素在球形铝粉里，对背电极烧结过程没有影响，而且对P形掺杂产生的半导体性能更好，有利于提高光电转化率。但因铝生产过程中镓有不利的影响，为此重熔用铝锭中镓的含量极低(＜0.003％)，采用此原料生产的球形铝粉中镓含量也低。(3)生产的球形铝粉表面氧 化铝膜性质不稳定。在铝液雾化时保护用的惰性气体中增加含氧量，使球形铝粉表层形成氧化铝膜的生产方法，是在铝液态时＞700°的高温状态与氧发生反应，产生的氧化铝膜往往是晶体型的，这种氧化铝膜在1200°以上时才开始融化成为无机玻璃相，在背电极烧结900°左右的温度时，只是随着铝粉的熔化成为氧化铝的碎片在液相里，在铝液结晶呈固态后，这些氧化铝微细的碎片起到增加电阻、影响P型掺杂和铝硅附着的作用。(4)采用重熔用铝锭生产球形铝粉到用球形铝粉烧结成背电极，经过液-固相变化被重结晶了3次(电解铝液-重熔用铝锭-铝液-球形铝粉-烧结铝液-铝背电极)，重熔用铝锭熔化成液态和再冷却结晶，使铝金属的晶粒变粗，这个熔化-再冷却的次数越多，晶粒就越粗，铝的导电率、韧性就会下降。因此，现有的球形铝粉生产方法无法稳定生产出适合晶硅太阳能电池铝背电极应用并具有良好的P型掺杂功能的专用球形铝粉。
发明内容
本发明提供晶硅太阳能电池铝背电极并具有P型掺杂功能的专用球形铝粉生产方法，生产出的球形铝粉是第一次结晶的金属铝，晶体细小、活性大，铝含量＞99.8％，硅含量＜0.08％，铁含量＜0.1％，镓含量在0.005-0.01％之间，表层为表面活性高的非晶型氧化铝膜，专门用于晶硅太阳能电池铝背电极的原料，并具有P型掺杂的良好效果。
本发明提供的方法由以下主要设备构成生产流程：中频炉-雾化室-冷却管道-分级机-气粒输送管-有紫外线照射装置的氧化铝膜生成罐-布袋除尘器-出料口，流程完全在氮气保护下由不锈钢压力容器、管道、阀门连通的密闭环境中；辅助的气体系统是：制氮机、气体压缩机、风机、臭氧加入装置、测氮仪表、管道和带有紫外线照射装置的排气口。整个设备的金属联通并接地，管道和容器上任意两点之间电阻小于3欧姆。
本发明提供的方法包括的原料配制和步骤：
1、从电解铝槽内选择出金属铝含量＞99.8％的铝电解液，放入中频炉内，调配至金属铝含量＞99.8％，硅含量＜0.08％，铁含量＜0.1％，金属镓含量0.005％-0.01％，调配好的铝液温度在720-780℃，铝液表层通有99.99％的氮气，防止与空气接触氧化。
2、用制氮机生产出纯度在99.99％以上的氮气，通过气体压缩机增压至5MPa以上对配置的铝液进行雾化生产出球形铝粉；雾化后氮气压力得到减压至常压，携带球形铝粉冷却到40℃以下后输送到分级机进行分级，分离出直径＜13微米的球形铝粉，通过气粒输送至氧化铝膜生成罐。直径＞13微米的球形铝粉经分级器收集和布袋除尘器进行气粒分离后，进行包装成为非太阳能电池用产品；氮气经管道至气体压气机循环使用。
3、经氮气进行气粒输送到氧化铝膜生成罐内的直径＜13微米球形铝粉，加入占气体体积10％的臭氧，罐内气体与固体体积比为5∶1，气动搅拌的情况下用波长185-220nm的紫外线进行照射，整个过程温度控制在50℃以下。经紫外线光催化作用下臭氧与铝低温反应，在球形铝粉表层生成非晶型氧化铝膜。
4、通过氮气风力输送将生成非晶型氧化铝膜的球形铝粉送到布袋除尘器，经布袋将气体与球形铝粉分离，在湿度＜50％的空气环境中，球形铝粉经出料口装入内有防静电 塑料袋的金属容器，两层包装。
5、带有臭氧的氮气从布袋除尘器分离出球形铝粉后，经过带有波长＞285nm紫外线照射器的不锈钢管道，经过波长＞285nm紫外线照射后，臭氧立即分解成无害的氧气，与氮气混合排出。
附图说明：
图1为本发明工艺流程示意图
具体实施方式
1)生产系统的检测
对各设备组成的生产系统进行检测，对“雾化室-冷却管道-分级机-气粒输送管-氧化铝膜生成罐-布袋除尘器-出料口”各设备之间进行气密性检测，不能有气体泄漏；对整个设备的金属连通、接地进行检测，管道和容器上任意两点之间电阻小于3欧姆，防止产生静电火花。
2)铝液的配置
从电解铝槽内选择金属铝含量＞99.8％的铝电解液，用真空铝包吸出放入中频炉进行精炼，使硅含量＜0.08％，铁含量＜0.1％，然后用高纯镓(6N)加入铝液内，调整铝液金属镓含量，使其达到0.005％-0.01％。在中频炉内经过电磁搅拌，铝液内微量元素分布均匀、成分一致，纯铝含量＞99.8％。整个过程向中频炉内通入纯度在99.99％以上的氮气，在铝液表面起到隔离空气、防止氧化的作用。
3)球形铝粉的雾化和分级
用制氮机生产出纯度在99.99％以上的氮气，通过气体压缩机增压至5MPa以上对配置的铝液导入雾化室进行雾化生产出球形铝粉；雾化后氮气压力得到减压至常压，携带球形球形铝粉经冷却管道冷却到40℃以下后，通过风机输送到分级机进行分级，分离出直径＜13微米的球形铝粉。通过气粒输送至氧化铝膜生成罐，而直径＞13微米的球形铝粉经分级器收集和布袋除尘器进行气粒分离后，进行包装成为非太阳能电池用产品，氮气经管道至气体压缩机循环使用。
4)非晶型氧化铝膜的生成
经氮气气动分级分离出直径＜13微米的球形铝粉，采用气粒输送方法输入氧化铝膜生成罐，罐内气体与粉体体积比为5∶1时，对罐内粉体搅拌，使臭氧与球形铝粉充分接触，同时用波长185-220nm的紫外线照射，整个过程罐内温度控制在50℃以下。在紫外线光催化作用下臭氧与铝低温反应，在球形铝粉表层生成表面活性高的非晶型氧化铝膜。
5)气粒分离、铝粉包装
生成非晶型氧化铝膜的球形铝粉输送到布袋除尘器进行气体与铝粉分离。球形铝粉具有氧化铝膜后，本身性质就比较稳定，可以与空气接触。由于非晶型氧化铝膜表面活性很强，容易吸收空气中的水分，需要在湿度＜50％的环境中对太阳能电池铝背电极用球形 铝粉进行包装。球形铝粉经出料口装入内有防静电塑料袋的金属容器，将塑料袋口用绳子扎好，在袋子外放上干燥剂后用金属容器包装。
6)废气无害化处理
分离出含有臭氧的氮气，通过装有紫外线照射装置的不锈钢管道，经过波长＞285nm的紫外线照射处理，臭氧完全分解为氧气，无公害排放。
Claims (5)
1.用于晶硅太阳能电池铝背电极并具有P型掺杂功能的直径＜13微米专用球形铝粉生产方法，其特征在于包括：采用金属铝含量＞99.8％、硅含量＜0.08％，铁含量＜0.1％，镓含量在0.005％-0.01％之间的金属铝液，在高纯氮气保护下雾化出球形铝粉，冷却到温度40℃以下后经氮气气动分级分离出直径＜13微米的球形铝粉，气粒输送到不锈钢氧化铝膜生成罐，加入臭氧，用紫外线照射使臭氧与铝粉在50℃以下快速反应，在表层生成非晶型氧化铝膜；反应完后输送到布袋除尘器将气体与铝粉分离；在干燥环境下，非晶型氧化铝膜的球形铝粉经出料口装入内有防静电塑料袋的金属容器两层包装。
2.根据权利要求1所述的球形铝粉生产方法，其特征在于由以下主要设备组成流程：中频炉-雾化室-冷却管道-分级机-气粒输送管-有紫外线照射装置的氧化铝膜生成罐-布袋除尘器-出料口，流程完全在氮气保护下，并在由不锈钢压力容器、管道、阀门连通的密闭环境中；气体系统由制氮机、气体压缩机、风机、臭氧加入装置、测氮仪表、管道和有紫外线照射装置的排气口构成；整个设备的金属连通并接地，管道和容器上任意两点电阻小于3欧姆。
3.根据权利要求1所述的球形铝粉生产方法，其特征在于，用制氮机生产出纯度在99.99％以上的氮气，通过气体压缩机增压至5MPa以上对配置的铝液进行雾化生产出球形铝粉；雾化后氮气压力减压至常压，携带球形铝粉冷却到40℃以下后通过风机输送到分级机进行分级，分离出直径＜13微米的球形铝粉，气粒输送至氧化铝膜生成罐；直径＞13微米的球形铝粉经分级器收集和布袋除尘器进行气粒分离后，进行包装成为非太阳能电池用产品，氮气经管道至气体压缩机循环使用。
4.根据权利要求1所述的球形铝粉生产方法，其特征在于，在氧化铝膜生成罐容器内，氮气中加入10％含量的臭氧，经波长在185-220nm之间紫外线照射的光催化作用下臭氧与铝反应，在球形铝粉表层生成表面活性高的非晶型氧化铝膜；含臭氧氮气气体与铝粉体积比为5∶1，温度控制在50℃以下。
5.根据权利要求1所述的球形铝粉生产方法，其特征在于，生成非晶型氧化铝膜的球形铝粉输送到布袋除尘器进行气体与铝粉分离，在湿度＜50％的环境下，对铝粉用金属桶内衬防静电塑料袋两层包装；含有臭氧的氮气，经过波长＞285nm的紫外线照射处理，气体中的臭氧完全分解为氧气，无公害排放。
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