CN102393139A - 一种辊道式太阳电池硅片烧结炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辊道式太阳电池硅片烧结炉，其中，在所述烧结炉中，传输硅片的载体是可以沿一个方向传输的辊道，该辊道中包括多个可旋转的辊体，其中，与硅片接触部位的辊体材质是非金属的；在烧结区和下料区之间设置有强制风冷区，替代了传统的水冷区。这种辊道式太阳电池硅片烧结炉与传统的金属网带式烧结炉相比，不但能够避免硅片在传输的过程中受到污染和出现“网纹”，而且能够提高传送速度、实现快速升温和冷却、达到理想的温度尖峰效果、提高电池烧结质量；因为取消了水冷区，还可以缩短炉体长度、降低能耗。

Description

一种辊道式太阳电池硅片烧结炉
技术领域
本发明涉及一种太阳电池硅片烧结炉，尤其是涉及一种采用辊道传输硅片的太阳电池硅片烧结炉。
背景技术
在太阳电池硅片的整个生产工艺流程中，扩散、印刷和烧结三道工序是最主要的。其中，烧结工艺主要用于烘干印刷在硅片表面的浆料，烧掉从浆料中挥发出的有机溶剂，同步烧结太阳电池硅片的正反面，使印刷至硅片上浆料中的金属电极与硅片形成良好的欧姆接触，利于电池的电流输出，把电池应该达到的效率发挥出来。如果硅片与电极之间的欧姆接触不良，则可导致部分电流无法输出，从而降低电池片的能量转化效率。也就是说烧结工序是使晶体硅片真正具有光电转换功能的至关重要的一步，烧结质量的好坏直接影响最终太阳电池片效率的高低。因此，烧结设备的性能好坏直接影响着电池片的质量。
目前，国内外的太阳电池生产制造厂家主要使用网带式隧道烧结炉，在烧结炉的纵向上依次设有预热排胶区、升温区、烧结区和降温区。在不同区域布置不同密度的加热灯管，以此来控制各区域温度。印刷有电极的硅片通过网带传输，依次经过烧结炉的不同炉温区，完成预热排胶、升温、烧结和降温的电极烧结过程。虽然这种网带式隧道烧结技术已经比较成熟，但存在如下问题：一是硅片与金属网带直接接触，金属对硅片有污染；二是普通网带式隧道烧结炉的运行速度较低，一般只有2000mm/min，而目前电池片烧结工艺要求能达到5000mm/min以上的高速烧结，如果用网带式隧道烧结炉进行高速烧结，会使网带的运行平稳性变差，在电池片的背电极面造成网纹，影响外观质量，甚至会造成破片；三是金属网带会蓄积大量热量，高速烧结如何使网带在很短的时间内降温、以保证电池片的出炉温度，也是一个较难解决的问题；四是由于网带的蓄热作用，使烧结炉不能在较短的时间内达到工艺需要的烧结温度850℃～950℃，达到烧结温度后，即便采用水冷却，也不能很快降温，难以满足硅片冷却速率≥70℃/S的要求；五是网带的蓄热作用也增加了炉体升温段和降温段的长度，一般网带式隧道烧结炉需要10米～12米的长度才能完成整个烧结过程，从而增加了烧结炉的体积和造价；六是由于网带的质量要远远大于硅片的质量，因此，加热网带和冷却网带带走的热量要远大于硅片烧结所需要的热量，从而烧结炉的能耗被大大提高。
中国专利CN102032777A针对网带式烧结炉能耗高、热效率低、占地面积大等问题，提出了一种无网带硅片烧结炉。其工作原理是由一组固定托架和移动托架组成的输送装置代替了金属网带，通过移动托架周期性地完成上升、前移、下降和后退动作，将放置在固定托架上的硅片逐步向前搬移。固定托架和移动托架支撑硅片的托脚用钢丝制成、在其外表面设有陶瓷涂层。该专利虽然从一定程度上解决了网带式传输存在的上述缺点，但这种往复式搬运方式，仍然存在以下问题：一是硅片不能连续平稳输送，并且输送速度不容易提高、难以满足5000mm/min的输送要求；二是为了满足硅片在搬运过程中不断地上下移动的需要，就会加大炉膛内部的有效高度，由于炉温的上下温差要大于水平温差，这样势必会造成硅片经过的温场波动较大、烧结温度不容易精确控制；三是硅片的传输过程是通过移动托架和固定托架的交互动作进行间歇式搬移，不能连续平稳输送，因此，不能在炉膛内放置跟随硅片运动的测温装置，实现对硅片烧结全过程的动态测温；四是其支撑硅片的托脚用钢丝制成、在其外表面设有陶瓷涂层，由于钢丝和陶瓷涂层的热膨胀系数差异较大，在850℃～950℃的高温下容易造成陶瓷涂层脱落，导致硅片与钢丝直接接触，由此丧失防止硅片污染的作用。为此，申请人开发了一种辊道式太阳电池硅片烧结炉，有效解决了以上二种输送方式存在的不足。
发明内容
本发明针对现有技术的弊端，提供一种辊道式太阳电池硅片烧结炉，在所述烧结炉中，传输硅片的载体是可以沿一个方向传输的辊道，该辊道中包括多个可旋转的辊体。
优选的是，辊道的与硅片接触部位的材质是非金属的；所使用的辊道的与硅片接触部位的材质不同于用来支撑和传动辊道的部位的材质。
优选的是，辊道的与硅片接触部位的材质是非金属材质，而用来支撑和传动辊道的部分的材质是金属材质。
优选的是，组成辊道的辊体中的至少一部分为表面光滑的平辊体或表面凸凹不平的辊体。表面凸凹不平的辊体包括：表面带有凹槽的螺纹状辊体、表面带有若干点状或线状凸起的辊体、表面带有若干圆环状物的不等径辊体。
优选的是，组成辊道的辊体中的至少一部分为实心辊体或空心辊体。也就是说，组成辊道的辊体可以都是实心辊体，也可以都是空心辊体，也可以是部分实心辊体和部分空心辊体共同组成的辊道。
优选的是，辊道的与硅片接触部位的材质是陶瓷、石英陶瓷或石英玻璃；或者辊道的与硅片接触部位的材质的成分是SiO2或Si3N4或SiC，或SiO2和Al2O3结合的材料。
优选的是，辊道的传输速度在15000mm/min以下任意可调，或者传输速度在4000mm/min～12000mm/min之间。
优选的是，在烧结炉的烧结区和下料区之间设置有强制风冷区，硅片完成烧结后直接进入强制风冷区快速冷却；所述强制风冷区可以包括：离开烧结区而继续向前传送的强制风冷区辊道，和设置在强制风冷区辊道上方和/或下方的吹风装置；设置在强制风冷区辊道上方和下方的吹风装置彼此相对设置，且冷风从上下二个方向同时吹向硅片。
优选的是，吹风装置所吹出的冷风可以是洁净空气、氮气或者洁净空气与氮气的混合物，或者是经过冷却处理的上述气体。
优选的是，所述吹风装置的吹风压力在6000Pa以下任意可调，与其匹配的风量满足硅片冷却速率≥80℃/S。
优选的是，烧结炉的炉体由上下可以分离的二部分组成，上半部分炉体可以在机械力的作用下沿垂直方向向上自由升起。
优选的是，烧结炉使用的加热方式是红外辐射加热、微波加热或电热丝加热中的单独一种热源或上述三种热源的任意组合。
本发明提供的辊道式太阳电池硅片烧结炉，对硅片无污染、无网纹、与电池背面不粘接、输送速度快、温差小、温度重复性和稳定性好、升温降温快、无须水冷却、长度短，可大大降低能耗、提高作业效率，而且可有效实现温度尖峰、提高电池烧结质量。
附图说明
图1为本发明所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉的一个实施例的主视图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉中一种辊体结构的示意图；
图4为本发明所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉中另一种辊体结构的示意图。
其中，附图标记如下：
1上炉体、2下炉体、3辊道、4加热管、5硅片、6吹风装置、7炉体支架、8铰链、9辊道上的凸起物、10辊道金属支撑轴头、11轴承、12辊道上的螺纹、13非金属圆环、14金属辊轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1和图2所示，本发明公开了一种太阳电池硅片烧结炉，其炉体由上料区、烘干区、预烧区、烧结区、强制风冷区和下料区组成，没有传统网带式烧结炉所需的水冷却区，硅片烧结后可以直接进入强制风冷区冷却。其传输硅片的载体是可以沿一个方向传输的辊道3，由若干可以旋转的耐高温辊体承托硅片5、通过辊体的连续运转将硅片连续、平稳、水平地向前传输，在传输过程中依次完成烘干、预烧、烧结和冷却等操作。炉体的外侧可以设置有炉体支架7，用于将炉体支撑起来。并且炉体可以分成上炉体1和下炉体2。可以通过驱动机构，将上炉体1和下炉体2分开，以便操作或维修。这种驱动机构可以是铰链8。
为了保证在850℃～950℃的高温下传输硅片5又不污染硅片，暴露在炉膛内、与硅片5接触部位的辊道3是耐高温且对硅片没有污染的非金属材质，可使用的材料有SiO2或Si3N4或SiC，或SiO2和Al2O3结合的材料等。其中高纯度的熔融石英陶瓷辊和石英玻璃管，由于对硅片5没有污染、高温性能稳定且成本相对较低，成为硅片5传输辊道的首选材料。本发明中，由于高温下与硅片5接触的辊道3采用了对硅片5没有污染的材质，有效地消除了金属网带传输带来的金属污染问题。
为了保证辊道有良好的运转性能，实现硅片5平稳传输，本发明设计了一种金属和非金属复合的辊道3。即暴露在炉膛内、承托和传输硅片5的部分是耐高温、对硅片5没有污染的非金属材质。在炉膛外部、辊道两端起支撑传动作用的部件的材质是耐磨性好、便于机械加工的金属材质，譬如不锈钢、耐热钢、普通钢等。起支撑传动作用的部件可以是辊道金属支撑轴头10，而其由轴承11进行支撑。这种结构的辊道3非金属部分在炉体内部、而金属部分在炉体外部，可有效防止像陶瓷涂层那样、因膨胀系数不同导致非金属部分和金属部分脱落的问题；同时，暴露在炉膛内的非金属辊道3由于导热率较低，可有效防止热量通过辊体传导到炉体外部的金属支撑和传动机构上。避免了金属支撑和传动机构因温度升高而不能正常工作或使用寿命降低。因此，这种复合结构既实现了对硅片5没有污染的目的，又保证了辊道3长久、平稳地运行。
在通过辊道3连续运转对硅片5传输的过程中，硅片5与辊体始终是瞬间接触、处在相对运动状态。同时，为了尽可能地减少硅片5与支撑物的接触面积、减少蓄热，消除硅片5大面积与支撑物接触可能出现的粘接和“网纹”现象，如图3和图4所示，本发明可以在辊体表面设计了一种螺纹状或环状结构、或者有若干点状或线状突出物的结构。例如，图3中的辊体上的螺纹12以及图4中的非金属圆环13。并且，上述螺纹状、环状或凸起物的结构可以稀疏布置。例如，稀疏至每一硅片仅仅与两个环状结构接触，以实现辊道以最少的支撑点对硅片进行传输，硅片与运转过程中的辊道形成了若干个瞬间的点或线接触，受热和支撑力都比较均匀，有效解决了硅片背面的粘连和“网纹”现象，同时也解决了传统的静态点支撑因受热和受力不均匀而容易破片的问题。在图4中，辊体的中心可以采用金属辊轴14，而在金属辊轴14的外侧套设非金属圆环13。硅片5仅与非金属圆环13接触。图2中示出了辊道上的突出物9。
硅片5通过辊道进行传输的过程中，始终在一个水平方向平稳连续地向前移动，没有上下起伏的运动过程，同时还可以实现硅片5匀速地输送，硅片5在连续输送过程中依次通过各温区，就完成了烘干、预烧、烧结和冷却等操作。因此，与通过移动托架周期性地往复上下前后移动、将硅片5逐步向前搬移的输送方式相比，辊道式传输不会对炉内气流造成扰动，不会对炉温带来波动，硅片5在水平方向移动不存在上下温差，并且是匀速移动，所以烧结温度更加均匀、烧结过程一致性好，从而电池烧结质量更高。另外，这种连续、水平的传输方式，可以像网带传输那样、在炉膛内放置跟随硅片5运动的测温装置，实现对硅片5烧结全过程进行动态测温。
为了实现较高的电池烧结质量、较高的作业效率和辊道维护检修等操作，辊道的传输速度设定在15000mm/min以下任意可调，正常的工作速度是4000mm/min～12000mm/min。
一般来讲，硅片5完成烧结后，降温速度越快越好，冷却速率最好是大于80℃/S。本发明在烧结区和下料区之间设置了一段强制风冷区，硅片5完成烧结、从烧结炉炉膛出来后直接输送到强制风冷区的辊道3上，在继续向前传输的过程中完成快速冷却，以达到快速降温的目的。实现强制风冷的方式可以是在强制风冷区辊道的上方和下方彼此相对设置吹风装置6。吹风装置6可以是带有无数小孔的风栅，冷风从上下二个方向同时集中定向吹向在辊道上输送的硅片5，使硅片5快速冷却；通常通过风栅吹向硅片5的冷风压力在6000Pa以下任意可调，与其匹配的风量要满足硅片冷却速率≥80℃/S、而又不破片的要求。从上下二个方向同时向硅片5吹风，是为了使冷风同时作用到硅片5的上下表面。使硅片5在冷却时受到的上下压力尽可能一致。一是可以使硅片5的冷却更均匀，二是可以防止硅片5因受力不一致导致破裂。再就是可以防止硅片5在高压高速冷风的作用下改变运行方向和轨迹而影响正常传输。设置带有无数小孔的风栅，是为了实现一定的风压和风速，起到对硅片集中定向吹风冷却、快速带走热量的作用。采用洁净空气、氮气或者洁净空气与氮气的混合物作为冷却介质，或者将上述气体预先经过一个冷却装置进行冷却处理，都是为了尽可能快地提高降温速率，提高降温效果。硅片5的强制冷却过程是在烧结炉炉膛外部完成的，不会因冷却风的流速和流向等因素对烧结段带来任何影响，从而保证了烧结工艺的稳定性。另外，通过辊道3传输，硅片5完成烧结离开炉膛时，只有热容量很小的硅片5进入强制冷却区，不像网带式隧道烧结炉那样硅片5要随着热容量很大的网带一起冷却，所以，辊道3传输的硅片冷却效果更好。通过以上措施，可以使硅片5的冷却速率达到150℃/S以上，实现了烧结电池片的高效快速冷却、达到了较好的温度尖峰效果、提高了电池烧结质量。
本发明中，辊道3始终在烧结炉中的固定位置上原地转动，靠辊道3转动的摩擦力将硅片5向前传送，辊道3在烧结炉的纵向上没有相对移动，只有硅片3纵向穿过烧结炉完成整个烧结过程。辊道3在烧结炉内被加热到预定温度、达到热平衡后，几乎不再吸收热量，与网带式烧结炉相比，整个烧结过程只有质量很小的硅片带走热量，硅片5的强制冷却过程也是在烧结炉炉膛外部完成的，因此，辊道式烧结炉与网带式隧道烧结炉相比，大大地降低了能耗。再者，也可以采用空心辊道。采用空心辊道，可起到减少蓄热、降低能耗的作用。
为了方便对炉膛内的辊道和碎片进行清理作业，本发明的烧结炉炉体由上下可以分离的二部分组成，以辊道水平方向的中心线为界、上炉体1可以沿垂直方向向上自由升起，可以通过液压***或铰链***来完成提升过程。在生产过程中，当发现碎片、卡片等异常现象时，启动提升***，迅速将上炉体1升起，完成清理和维修作业。
为了获得较好的加热效果，本发明采用的加热方式是红外辐射加热、微波加热或电热丝加热中的单独一种热源或上述三种热源的任意组合，在图1中示出了加热管4。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (17)

1.一种辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，在所述烧结炉中，传输硅片的载体是可以沿一个方向传输的辊道，该辊道中包括多个可旋转的辊体。
2.根据权利要求1所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，辊道的与硅片接触部位的材质是非金属的。
3.根据权利要求2所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，所使用的辊道的与硅片接触部位的材质不同于用来支撑和传动辊道的部位的材质。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，辊道的与硅片接触部位的材质是非金属材质，而用来支撑和传动辊道的部分的材质是金属材质。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，组成辊道的辊体中的至少一部分为表面光滑的平辊体或表面凸凹不平的辊体。
6.根据权利要求5所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，所述表面凸凹不平的辊体包括：表面带有凹槽的螺纹状辊体、表面带有若干点状或线状凸起的辊体、表面带有若干圆环状物的不等径辊体。
7.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，组成辊道的辊体中的至少一部分为实心辊体或空心辊体。
8.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，辊道的与硅片接触部位的材质是陶瓷、石英陶瓷或石英玻璃。
9.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，辊道的与硅片接触部位的材质是SiO2或Si3N4或SiC，或SiO2和Al2O3结合的材料。
10.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，辊道的传输速度在15000mm/min以下任意可调，或者传输速度在4000mm/min～12000mm/min之间。
11.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，在烧结炉的烧结区和下料区之间设置有强制风冷区，硅片完成烧结后直接进入强制风冷区快速冷却。
12.根据权利要求11所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，所述强制风冷区包括：离开烧结区而继续向前传送的强制风冷区辊道，和设置在强制风冷区辊道上方和/或下方的吹风装置。
13.根据权利要求12所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，设置在强制风冷区辊道上方和下方的吹风装置彼此相对设置，且冷风从上下二个方向同时吹向硅片。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，吹风装置所吹出的冷风是洁净空气、氮气或者洁净空气与氮气的混合物，或者是经过冷却处理的上述气体。
15.根据权利要求12或13中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，所述吹风装置的吹风压力在6000Pa以下任意可调，与其匹配的风量满足硅片冷却速率≥80℃/S。
16.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，所述烧结炉的炉体由上下可以分离的二部分组成，上半部分炉体可以在机械力的作用下沿垂直方向向上自由升起。
17.根据权利要求1-3和6中任一项所述的辊道式太阳电池硅片烧结炉，其特征在于，所述烧结炉使用的加热方式是红外辐射加热、微波加热或电热丝加热中的单独一种热源或上述三种热源的任意组合。
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