具有高反射率加熱區段的快速熱焙燒紅外線傳送帶式熱處理爐的制作方法

專利名稱：具有高反射率加熱區段的快速熱焙燒紅外線傳送帶式熱處理爐的制作方法
技術領域：
本發明是針對提高的紅外線傳送式熱處理爐，特別用于絲網印刷的硅太陽能電池晶片的金屬化焙燒，其具有導致更高的加工生產能力和合成太陽能電池光電材料元件的效率的焙燒エ藝和改良的高峰(spike)區域。該改良系統特征為簡化的高峰區域加熱室，其利用布置在與反射器間隔的紅外線加熱燈元件后的高反射效率平板反射器表面。可選擇地，該反射器可配置為創建冷卻通道，其允許該爐的有用功密度基本上増加從而紅外線加熱燈在超過時間延長期直到額定功率輸出的100%操作而沒有過熱。在反射器元件的這個可選配置中，由燈產生的紅外線被聚焦從而大量頂射線進人工藝區這樣增加加熱效果和效率。
背景技術：
硅基太陽能電池的加工需要一些專門的エ藝以特定順序產生。一般地這些エ藝包括單晶硅錠，其在晶體生長爐中生長或在“定向凝固”爐里澆鑄成多晶塊。這些エ藝的結果是稱為錠的長“臘腸型”單晶團或多晶塊，硅的薄片用“線狀鋸”被從中橫向切割形成粗糙的太陽能晶片。這些晶片，無論是由單晶還是多晶結合在一起形成的，隨后被加工以形成在 150-330微米的厚度范圍內的光滑晶片。由于合適的硅不足，當前趨勢是使晶片更薄，典型地180微米厚度。完成的原始晶片進而被加工成功能的太陽能電池，能夠通過光伏效應產生電。晶片加工從各種清洗和蝕刻操作開始，以產生半導體“p-n”面結型ニ極管的稱為擴散的エ藝結束。擴散在高溫下在有可選的磷源的情況下發生，例如稀釋的磷酸噴射液體或由氣泡氮、 N2通過液體POCL3產生的三氯氧磷(POCL3)蒸汽。這樣摻雜的Si形成光伏電池的“發射” 層，一旦暴露在陽光(普通光子源)下，該層發射電子。這些電子通過燒結進入電池表面的絲網印刷的金屬接觸的精細網格收集，更詳細的描述如下。
為了加強形成低阻絲網印刷的金屬接觸到下面硅p-n結發射層的能力，額外量的磷沉積到晶片的前表面。磷通過持續到30分鐘的高溫擴散エ序被送入晶片。額外的“電活性”磷使得低阻接觸形成。然而，這種接觸的形成以電池效率的損失為代價。電池效率損失起源于通過吸收更高能量但短波長的光子產生在或接近表面的電子-空穴對。這些“藍光” 光子迅速重組和消失，因而消除它們對電池產生的能量的貢獻。在擴散和各種清洗和刻蝕エ藝來從晶片的側面移除不需要半導體結后，晶片被涂敷抗反射涂膜，典型地氮化硅(SiN3),—般通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)。在這些エ藝的某些之間，晶片為隨后的エ藝準備而在低溫干燥爐里干燥。SiN3抗反射涂層(ARC)沉積成大約0. 6微米的光的1/4波長的厚度。在ARC應用后，電池表現深藍表面色。ARC最小化了具有0. 6微米左右的波長的入射光子的反射。ARC SiNx涂層在PECVDエ藝中通過在高或低頻率微波場下混合不同濃度的硅烷、 SIH4、氨、NH3和純氮、N2、氣體形成。氫非常快速地分離和擴散進硅晶片。氫具有修復體積缺陷的偶然效應，特別在多晶材料中。缺陷是在電子-空穴對能夠重組因而減少電池效率或能量輸出的地方的阱。在隨后頂焙燒(見下面)期間，升高的溫度(高于400°C)將導致氫擴散出晶片。這樣，短的焙燒時間對于阻止這氫從晶片中“氣化出”是必要的。最好氫被捕捉和保持在塊體材料(特別是多晶材料的情況)中。太陽能電池的背部覆蓋鋁粉漿涂層，其通過絲網印刷工藝施加。這個Al涂層首先干燥，然后在頂爐中“焙燒”以使它與摻雜硼的硅形成合金，因而形成“背表面區域”。可選擇地，背表面鋁粉漿被干燥，然后晶片被突然翻轉，以在隨后也被干燥的電接觸圖案上用銀粉漿絲網印刷前表面。兩個材料，背表面鋁和前表面銀的接觸漿隨后在単一焙燒步驟共焙燒(隨后的焙燒參見上面)。這個共焙燒節省了一個エ藝步驟。背表面典型的全部覆蓋鋁基漿，同時前或頂表面絲網印刷有精細網狀銀基線，其連接到更大的母線導體來“收集”在下層摻雜Si發射層的耗盡區中或接近表面產生的電子。同吋，最高可能開ロ區域未覆蓋為了光向電的轉化。在這些漿干燥后，它們“共焙燒”。 背表面鋁合金同時前表面漿在傳送爐中高速高溫燒結以在太陽能電池的前表面上形成光滑、低歐姆電阻導體。本發明直接涉及這樣的共焙燒合金化/燒結エ藝和用于這樣的共焙燒或其他エ 業エ藝的頂爐。目前可用于這樣的共焙燒、合金化/燒結エ藝的頂傳送帶式爐具有分成多個區域的加熱室。每ー個區域由各種形式的隔離體與外面環境隔絕，壓縮隔離纖維板是最常見的。典型地，第一區域，僅在入口內供有比下2或3個區域更多的紅外(IR)燈，從而迅速增加進來的硅晶片的溫度到大約425°C -450°C。這個溫度被保持為了下ー些區域以穩定晶片的溫度和保證完全燒掉銀粉漿的所有有機成分。目的是最小化接觸中的所有碳含量， 由于碳被認為增加接觸電阻。快速焙燒通常產生最有利的結果，因為雜質沒有時間擴散進入發射層。高速率焙燒是關鍵的，由于使雜質擴散進入摻雜硅的發射區的活化能通常低于燒結銀顆粒的活化能。為了獲得該高焙燒速率，晶片進入高頂強度“高峰”區域，這里晶片的溫度快速升到 700-950°C區間，然后通過各種方法冷卻，直到晶片出爐。晶片在峰值溫度不保持。一定程度上，峰值寬度應該最小化，也就是，保持短，同時上升和下降速度坡度應該是陡峭的。然而，在頂爐技術的現有狀態中，這些必要條件沒有滿足。一定程度上，高強度高峰區域是簡單地復制第一區域，其中頂燈沿晶片傳輸帶布置，在帶的上方和帶的下方及其支撐系統。結果，現有技術受到在不同エ藝區域加熱晶片的頂燈的高無效使用和在高峰區域中其特征在于寬峰和緩速度坡溫度曲線的過度保持之苦。目前可用爐在高峰區域中能夠產生從大約80°C到大約100°C/秒的區間的溫度上升速度。由于峰值溫度必須接近1000°C， 目前可用的以恒定傳輸帶傳送速率上升的速率需要高峰區域物理上是長的，因為帶以恒定速度移動。目前エ藝的保持峰也太長。目前可用爐的淺曲線/寬峰特征エ藝限制在頂表面的金屬接觸上具有有害效果， 其明顯限制如下的電池效率。前表面銀粉漿典型地包含四相(1)作為粉末的載體和包含揮發溶劑和非揮發聚合物的媒介相；溶劑在干燥步驟揮發和聚合物在燒盡步驟期間除去；兩個步驟都在實際峰區域焙燒步驟之前發生；(2)在焙燒期間保持漿到基板、溶解金屬粉末和提供到基板的粘結的粘合相(有機樹脂和玻璃料)；(3)功能相(形狀為小球或薄片狀的金屬顆粒)；以及(4)調節劑(例如熔劑)，其為專用到漿カ加工的少量的添加劑，但其影響在焙燒中使用的需要的熱分布圖。溶劑在干燥機中在焙燒之前完全蒸發。隨后樹脂必須被完全燒掉以阻止碳妨礙金屬接觸的電性質量。這在大約425°C到450°C獲得。隨著溫度在焙燒エ藝中繼續上升， 玻璃料開始熔化。エ藝的這方面的溫度根據玻璃料的成分和它的玻璃化轉變溫度Tg。氧化鉛是玻璃料的重要成分，由于它溶解銀顆粒。Tg典型的在550°C -600°C左右，在該溫度，玻璃料從固態、無定形結構轉換成更流態和可流動的結構。エ藝中的溫度繼續升高到 7000C -950°C區間來一起燒結銀顆粒，這樣形成較低電阻的導體。由于幾個原因快速完成這順序是重要的。第一，玻璃料玻璃必須不能流動太多， 否則絲網印刷接觸線會變寬，因而通過阻塞更多來自入射太陽能輻射的電池表面而減小有效收集區域。第二，玻璃料很大程度上不該混合銀顆粒由于這會増加接觸的串聯電阻。最后，所有該材料必須蝕刻穿透SiNx抗反射(ARC)涂層(厚度大約0. 15微米或0. 6微米的 1/4的目標波長來反射最小化)，但不繼續傳送穿過以前通過磷擴散到ρ型硅的頂表面上形成的“淺的”、摻雜Si的發射層。發射層通常厚度為0. 1到0. 5微米，但淺發射層通常在 0. 1-0. 2微米區間。這樣，為了控制蝕刻深度，燒結必須快和徹底地被淬火。淬火，也就是，在蝕刻AR 涂層和形成玻璃到硅基底的良好的粘合性后，阻止銀顆粒擴散進發射層(形成微晶)之下的硅，必須通過迅速冷卻完成。這是關鍵的。如果銀穿入太深而到摻雜Si的發射層，那么結被縮短。結果是電池釋放效率，歸因于用于產生的電子的短的電路路徑。作為電池的低并聯電阻特性，這也是已知的。但相反地，也絕對必要緩慢快速冷卻，為了退火玻璃相來増加粘結性。總之，冷卻曲線看起來像這樣從峰焙燒溫度快速冷卻到大約700°C，然后慢速冷卻用于退火目的，然后快速冷卻來允許晶片在足夠低的溫度以能夠通過機器人設備處理而出爐，機器人設備必須具有涂上橡膠的吸盤來從移動的傳輸器拿起晶片而不損傷表面。由于具有尺寸的和頂燈的成本限制，在高峰區域増加燈密度通常是不可行的方案。此外，峰溫度在高峰區域僅保持幾秒，下降熱分布圖需要陡峭。増加燈密度將明顯適得其反，因為增加的密度容易導致更多的緩坡，由于高峰區域的內表面和產品上的反射。同樣地，増加燈的功率目前也不可行，因為更高的輸出將導致燈単元的過熱，尤其是外部的石英管。大多數爐是熱電偶控制的。既然頂燈并排布置，以1.25英寸量級的間距，每個燈加熱相鄰的燈。當熱電偶檢測溫度接近900°C時，它們自動地削減給燈的功率。 這導致低功率密度，改變頂燈發射的光譜輸出(所以較低能量輸出)，導致需要降低傳輸帶速度，這樣慢化處理。依次，這導致進入其它區域的連鎖反應，由于帶是連續的和在ー個區域慢化將減慢在所有區域帶的速度，所以調整必須在所有區域進行來補償。依次，慢化上游或下游區域影響焙燒區域。燈的過熱，例如，由于熱電偶延遲或失敗，能導致燈變形、下陷和最終失敗。這種變形也影響傳送到產品的頂輸出的一致性。在爐中氣氛控制是重要的。當許多鍍金屬爐操作在空氣氣氛中操作時，氣氛必須是相對控制的和層狀的或最低限度的湍流的，由于進入的空氣能引導污染基底表面的顆粒，內部湍流能擾亂產品基底晶片，因為它們很薄、輕和脆，在150-350微米厚度的量級。此外，在高溫處，內部湍流能導致燈振動，其導致疲勞衰壞、或不一致或降低的輸出。相應地，在頂爐和頂焙燒エ藝技術中有未滿足的需求，其為明顯提高傳統燈的凈有效加熱速度，以提供高峰區域的熱分布圖和更好的控制，以允許爐溫度和氣氛條件的改進控制，以改進淬火和退火分布圖，以提高爐區域的熱的一致性，和以改進這樣的爐的生產量，同時在相同或減少的爐著陸區域上完成這些目的。

發明內容
本發明涉及具有多個熱加熱區的傳送帶或間歇式頂爐，包括至少ー個高峰區域 (spike zone)，其中頂加熱元件被超高反射率(在高于大約95%頂反射率的量級)平板型反射器元件支持，區別于通常的塊絕緣材料。可選擇地，燈元件(elementa)可通過將它們放置在高反射率支持単元中的槽中而側向隔離。在另ー個選擇中，空氣或惰性氣體可沿通道表面被弓I導來實現燈的冷卻。發明的高反射率支持平板導致有效地加倍加熱速率和高級材料的爐加工生產量， 高級材料例如硅、硒、鍺或鎵基太陽能電池晶片。本發明也包括所有エ序控制系統，其導致改進的太陽能電池產量；和作為エ序操作的更好的控制的結果而獲得提高效率的太陽能電池的焙燒方法，其特征在于，陡的溫度上升和下降溫度曲線、淬火和退火溫度分布圖的精確控制和非常陡的峰。本發明的改進控制延伸遍及燒盡、高峰、淬火、中斷淬火和退火(回火)區來改進接觸構成，降低氫的除氣， 控制蝕刻深度和提高黏著性，此外改進電池輸出的效率。發明的燈隔離系統通過在具有被頂燈陣列后面間隔的平板的高峰區模塊中以實例說明執行。典型地，該頂燈以1.5英寸中心被間隔，反射器板在后地被間隔(分別高于或低于燈，沿爐方向的頂和底燈)，在從大約1英寸到4英寸的范圍內，優選1英寸-2. 5英寸。在平的反射器板的選擇中，所述板可逐漸地側向波動，在燈的橫向中心線之間，波動的肋平行和均勻間隔地布置來助于反射率的集中。在另ー選擇中，可使用多個高反射率元件，其具有平行的深槽，或在單一高反射率元件中形成的深槽，其中，屏蔽肋布置在相鄰對的燈之間。對于多數生產操作，該槽不必用頂透明傳輸窗覆蓋。可選擇地，在或接近燈處橫跨爐導入的空氣可用來冷卻燈。在使用槽的情況下，空氣可沿槽以層流被導引，和從在燈上的中心開ロ或從傳輸帶區域的相反側被排出。加熱模塊可単獨使用，一個在爐傳送帶上，可選擇地ー對被使用，布置成互相面對和間隔分開，ー個在爐傳送帶之上和一個在其之下，以在其中限定生產加工區域，區別于爐中其它區域。在一個燈由于干涉肋看不到相鄰燈的深槽的可選實施例中，這提供了燈的互相之間的頂隔離，其阻止相鄰燈互相之間加熱。在使用深槽的地方，它們有寬范圍的橫截面圖形，包括正方形、矩形、三角形、半圓形、拋物線形或它們形成部分五邊形、六邊形、八邊形或橢圓形。槽的幾何形狀被選擇以將頂輻射能量朝向產品引導穿過爐傳送帶，而不通過直接輻射加熱相鄰燈。可選擇地，槽在它們的相反端開ロ用于在層流中沿槽指向的冷卻氣體流的進ロ或 /和排出。冷卻氣體至少在每一個通道的一端通過歧管被引入，且在另一端或端的中間排
M I ο高反射率元件的使用，在平板中，在發明的加熱模塊中的波形或深槽結構允許增加給燈的功率以基本全額定功率。這導致加熱速率從大約160°C /秒増加到大約200°C / 秒，也就是，有效地加倍傳統的100瓦/英寸燈的加熱速率而沒有導致燈調低、關閉或變形。 此外，發明的燈隔離系統允許増加傳送帶的速度，由此增加產品的生產量和收益。僅以實例說明，但現有可利用的傳輸爐以大約150英寸/分鐘的傳輸速度操作，發明的加熱元件隔離系統允許加倍速率到大約300英寸/分鐘，旦那増加的速率是在900°C 士40°C的區間的高峰區域峰溫度處。而ー些現有可用的傳輸爐聲稱在一直到大約250英寸/分鐘可操作，它們不能在高功率密度下操作。本發明傳輸爐包括外套或外売，其形成與傳統形式的絕緣體隔熱的腔室，絕緣體例如纖維、纖維板或耐火磚。本發明的加熱模塊布置在外部隔熱的外殼中。傳送帶位于上部和下部加熱模塊之間，且合適的功率和控制系統集成在爐系統中。在燈平面間的間隔是傳送被焙燒的高級材料基板的傳送帶的通道。這是加工區域；這里描述的值得仿效的加工區域作為高峰區域。然而，應該理解爐的多個區域、直到所有區域能使用本發明的高反射率燈組件。對于前表面鈍化應用，為快速熱擴散(磷或硼)和/或快速熱氧化，本發明的快速斜坡高峰區可位于爐的入口，當晶片被傳輸通過爐時，多個區域可用來維持擴散溫度或氧化溫度。來自上部的和/或下部的紅外燈的輻射能量被優選由機械加工或鑄造高級鋁、白陶瓷材料形成的高反射率元件導引或聚焦，進入エ序加熱管道，貫穿全部加工區域(燒盡、 高峰和淬火/中斷區)以提供非常強烈的加熱環境。本發明的高峰區域通常在700°C到 1000°C的范圍內操作。燈功率的頂和底可単獨或成組地被調整來獲得每個區域的精確溫度梯度控制。溫度控制可使用熱電偶基溫度調節或電壓控制功率調節來實行。優選電壓控制功率調節，因為它由于穩定燈功率的維持而提供最快速的加熱速率和更一致的加熱結果，和一直可重復、可定義和恒定光譜輸出。它約定波動燈輸出對應于PID控制系統，其典型用來溫度維持性能。在本發明的ー個重要方面，本發明的ェ序包括可操作配置功率、冷卻系統(冷卻空氣流速率、量和流動路徑、和熱交換參數)和帶速度，不僅互相単獨地控制區域，而且控制單個燈，來獲得縱向地沿貫穿不同區域的材料加工流動路徑的熱分布圖的寬范圍以生產具有明顯改進的性能和效率的太陽能電池。本發明的高反射率元件提供了允許商業頂燈在或接近它們的最大允許功率水平的操作的重要特征，沒有推動燈的溫度超過石英燈封套開始軟化、失去剛性、下陷和最終失效的安全操作溫度。那特征是高反射率元件的幾何結構，特別是在波動或槽的構造的例子，導致頂燈的輸出被導引或/和聚焦成能量的高功率束導，其被引入加工區域用于加工區域中的優良可用的功率密度。此外，在深槽型構造的的情況下，相鄰槽間的間隔肋阻止燈加熱相鄰燈，限制和導引頂輻射朝向加工區域。最后，層冷卻氣體或空氣的使用有助于延長燈的壽命。在第一實施例中，冷卻空氣/氣體從燈管的一端導引到另一端。在第二個、優選的實施例中，冷卻空氣從分配歧管通過燈的每一端的入口開ロ被供向燈的中心以通過位于或在反射器通道的中心的孔排出。典型地，冷卻空氣從壓縮空氣源被引入燈端，并且沿燈而不是向焙燒區域中導引，壓縮空氣源例如具有過濾器和干燥器的壓縮系統。可選擇使用的冷氣體或空氣穿過在位于大約沿區域的加工流動中心線的高反射率元件的背部(頂或底)中的中心排氣孔或縫而離開冷卻槽。冷卻氣體，現在是熱的，可被收集和排出，或它們可通過歧管或槽循環進入爐的其它區域；例如，舉例來說預熱產品進入爐；通過反向循環上游到燒盡區域的能量重獲；通過減慢感光和易碎材料的冷卻速率的產品的過高峰區域回火；或在其它部分的加工中的基底上簡單地移除有機殘余物。加熱冷卻氣體的這個循環允許能量的更高效使用。為了控制蝕刻深度，高峰區域中出現的燒結必須快速和徹底的淬火。淬火，也就是，在蝕刻AR涂層和產生玻璃到硅基底的良好的粘合性后，阻止銀顆粒擴散進發射層(形成微晶)之下的硅，必須通過迅速冷卻完成。這是關鍵的。如果銀穿入太深到摻雜Si的發射層，那么結被縮短。結果是電池釋放效率，歸因于產生的電子的短的電路路徑。作為電池的低并聯電阻特性，這也是知道的。在本發明系統和エ藝中，該淬火完成在淬火區域，其特征在干，氣刀組件的使用， 氣刀組件仔細地使用控制的壓縮空氣體積，其具有的水平的空氣在晶片的頂和/或底部被導向來迅速將溫度從峰值區域的焙燒溫度區間從大約800°C到大約1000°C下降到從大約 500°C到700°C的區間，典型地在一秒或兩秒內下降200°C _400°C。此外，絕對必要的是，減慢或停止在淬火區域中產生的快速冷卻以使玻璃相退火以改進黏著性。這完成在緊跟著淬火區域的可選的、新的中斷淬火區域。這個區域包括限制數量的燈，典型地僅在晶片的接觸面上方，但也可包括晶片下方的燈。這些燈的使用中斷快速冷卻、將溫度穩定在450°C -700°C的區間，從而慢的、回火冷卻能在隨后的下游退火區域提供，從大約450°C -700°C降低到爐出ロ端的大約30°C -100°C的范圍的溫度。可選地且優選地，冷卻空氣導入這個中斷淬火區域來改進溫度分布圖的控制。也就是，控制冷卻空氣和燈從而有小或沒有冷卻過調量是重要的，其在退火區域被反射式(bounce-back)跟隨(曲線通常像數學平方根運算符號，V的形狀)。在三個區域(峰值、淬火和中斷淬火)中控制燈功率和空氣的結果是陡峭上升和下降峰，短停滯和平滑曲線轉換到中斷淬火區域的退火區域的下游。
維持晶片溫度來回火以改進在退火區域中的黏著性，接近出口處晶片進ー步冷卻到30°C -100°C的量級以允許機器手或其他處理設備或人工從傳送帶和/或從/到編組臺， 晶片被移動到其而轉移離開帯。總之，冷卻曲線可仔細地控制到目標加工的任何選擇和配置的溫度分布圖，其具有在從大約80°C -200°C毎秒的加熱和冷卻曲線。在焙燒和下游區域的合成控制曲線通常看起來像這樣快速加熱到陡的、明確界定的、短停滯峰，從大約850°C -950°C的峰值焙燒溫度快速冷卻到大約400°C -500°C，然后為了退火目的緩慢冷卻，以及最后冷卻到允許晶片在足夠低的溫度(30°C -IOO0C )出爐，該足夠低的溫度能夠使晶片被使用聚合體吸盤來從移動傳送器拿起而不損壞表面地自動設備處理。峰值溫度的停滯的短暫，也就是，峰分布圖的銳度，可被控制和控制冷卻的能力成為可能，正如選擇性地規劃帶的速度，至在峰區域的單個燈的功率和下游區域的冷卻，尤其是在淬火和中斷淬火區域，如上述。本發明的爐系統控制器可為所有區域根據需要配置來提供用于焙燒的特定產品的預選擇熱分布圖。本發明頂加熱區的特征在于具有高反射率的陶瓷/絕緣材料的反射器，其使用任何幾何形狀，從平到深溝或槽型，來反射或/和聚焦最大可能的頂光，導引它進入加工區來加熱被加工的產品。此外，由于燈設計或材料和漿組分(前面接觸漿和背面場漿)的改進在未來成為可用，所以，本發明的高反射率元件模塊容易容納本領域的這種進步來提供改進的エ藝和更高效率的電池。高反射率元件的波紋或槽表面可包含任何幾何形狀例如拋物面或更高階表面 例如，橢圓；半球；三角形；正方形；矩形；或梯形。


本發明參考附圖詳細描述，其中圖1是四側標高線圖系列，顯示出，首先在圖IA中，使用至少ー個集成燒盡區、淬火區、中斷淬火區和退火區的高反射率加熱區域的本發明的爐的示例性側視圖；圖IB是貫穿燒盡區的垂直截面圖；圖IC是通過峰值焙燒區、淬火區和中斷淬火區又轉變到退火區的垂直截面圖；和圖ID是通過退火區的垂直截面圖；圖2是采用本發明的高反射率元件模塊、頂和低和示出到燒盡區的循環的典型峰值加熱區的示意性等軸視圖；圖3是橫向于產品流軸線的一系列示意性正視圖，示出反射器槽的幾何形狀，其中圖3A示出了帶有在每個燈上方的冷卻空氣排氣縫的燈上的平板高反射率元件，圖:3B示出了在高反射率元件中形成的三角形反射槽幾何形狀，和圖3C示出了在高反射率元件中形成的可選的拋物線幾何形狀槽，具有在帶上和另ー個在下面的間隔的模塊；圖4是間隔的、成對的高反射率元件的模塊的橫向示例性等視軸圖，該模塊具有可選的深槽，在其中示出頂燈，和示出燈中心配件；圖5是ー對沿加工路徑的軸的示例性側視圖，示出在高反射率加熱元件模塊中的部件的關系，可選擇的側-到-中心冷卻路徑，和它們與傳送帶的關系，其中，圖5A示出了側-到-中心冷卻流的第一實施例，和圖5B示出了沒有使用冷卻空氣或氣體的平板高反射率元件的優選實施例；
圖6是示出可選擇的頂燈末端中心配件的系列圖，其中圖6A示出了橫向截面圖， 圖6B等角地示出了燈中心配件的第一實施例，和圖6C等角地示出了第二、優選中心配件； 以及圖7是示出了控制參數和反饋回路的本發明エ藝的結構和方法方面的流程圖。
具體實施例方式下面詳細的描述以實施例的方式闡述了本發明，不是為了限制本發明的保護范圍、等同或原則。這個說明書將清楚地使本領域技術人員制造和使用本發明，和描述ー些實施例，適應性變化、變形、可選擇的和本發明的使用，包括現在被認為執行本發明的最佳方式。在這點上，本發明在幾個圖中闡述，和是足夠復雜的，很多部件、相互關系、和其中簡單的子組合不能完全在單ー專利性圖中闡述。為了清楚和簡潔，一些附圖示例性示出，或省略，不必在圖中來特定特征描述的部件，公開的本發明的方面或原則。例如，各種電動和氣動連接到光、制動器和升降風箱，對本領域技術人員來說是常規的，沒有示出。這樣在一個附圖中可示出一個特征的最佳模式實施例，和另ー特征的最佳模式將在另ー附圖標出。圖IA示意性地示出了傳輸爐10，其包含傳送帶13，傳送帶傳輸摻雜太陽能電池的晶片12經過加工區11，其連續經過多個爐加工模塊或部分，包括燒盡段14 ；緊跟的峰焙燒段16 ；它的下游順次是淬火段18 ；中斷淬火段20 ；以及回火或退火段22，后者使用空氣和/或水冷卻。每ー爐段中的各自加工區域部分采用那段的名字；這樣，燒盡，峰；淬火，中斷淬火和退火“區”指加工體積和那段的爐硬件，傳送帶橫向通過加工體積。傳送帶13，示意性地示出，從左向右移動并定義水平中心線(其上是段或區域的上模塊和其下是段或區域的下模塊)和縱向方向；這樣，垂直于帶移動定義為側向或尺寸。 由于附圖比例，沒有產品示出在圖1中的加工區域14、16、18、20和22中。入口和可選的出 ロ擋板Ma、24b分別布置在爐的入口端和出口端。典型地有上游干燥器，未示出。中間擋板，例如，在區域16和18之間，可提供。燒盡段包括多個三個或四個加熱模塊14a_14d，和焙燒段包括ー個或多個高峰區域模塊16。注意燒盡、峰和中斷淬火模塊可為本發明的高反射率元件類型的頂燈加熱模塊，或僅高峰區域模塊16可是本發明類型。圖IA和IB也示出了熱空氣45的循環，為更大地改進能量效率，熱空氣45從高峰區域高反射率元件模塊16返回上游到燒盡區域14中。空氣通過強制通風系統27a作為排氣28a在爐的上游端排出畑道外。此外，注入到淬火區18的空氣通過強制通風系統27b作為排氣28b排出。圖IB和IC示出了環境空氣沈，從中斷淬火區域20中的底部導引和從退火區域22的底部和/或側面導引，環境空氣沈允許在這些區域控制溫度分布圖。注意在圖IC中，在中斷淬火區域20的底部引入的冷卻空氣沈通過那個區域和退火區域22間的區域分離壁KMe中的傳輸帶間隙排出。可選擇的，中斷淬火區域20可通過其自己的畑道(未示出)單獨排放。在退火區域22中，如圖ID中最好所示，熱交換系統，例如，水管歧管可用來幫助冷卻(除冷卻空氣沈之外)。冷卻空氣沈通過強制通風系統27c作為排氣 28c離開區域22。現在轉向圖IB的詳細描述，這以縱向截面示出了燒盡區的左側(右側是對稱的相同)，具有用于傳送帶13的在左手區域隔離壁10 的入口，其作為寬、平箭頭示例性示出。 傳送帶路徑通過傳送中心線86示出為它橫向區域朝向右。帶之上和之下是示例性示出作為部分管和圖中軸位置點的燈40的插入的端ロ 88從而使空氣流動特征不模糊。上和下熱循環歧管54U和ML，其可選擇的，具有間隔孔47，用于從下游峰區域將熱空氣45排出，在圖2中最好地示出。此外，壓縮空氣或惰性氣體沈可被注入通過線92來幫助溫度控制和燒盡揮發物和煙的排出。這熱循環空氣和控制氣體形成通常的層流，通過從右向上左的延伸的大帶狀物45示出，其中它作為排氣28a排出煙道歧管27a和煙道管。圖IC從燒盡區14的右端向下游繼續，示出在左端，到退火區22的左端，開始于區域分割壁l(Me的右側，在右端示出。如前，傳送帶的中心線顯示為86。離開燒盡區14穿過區分割壁104b中的縫，在加工區11中運載生產的電池晶片12(為了簡化未示出)的帶13， 進入高反射率元件峰區域16，其在圖2-6A中詳細示出。頂燈，通過峰區域的高反射率元件被背靠支持，這里示出在可選的深槽構造中，將產品晶片溫度從典型地在400°C-45(TC的范圍內的燒盡溫度迅速地提高到選擇的峰溫度，用于熔化印刷在上表面的接觸線的銀和燒結熔劑和合金化背側漿。峰溫度基于接觸和背漿組分的特性被選擇。本發明的高反射率元件峰區域模塊以在超過80°C /秒到大約200°C /秒的范圍的、優選地在超過大約100°C /秒到大約160°C /秒的范圍的速率迅速焙燒太陽能電池晶片典型地進入到從大約750°C到大約950°C的范圍。那個焙燒速率在兩倍于現有爐容量的量級，且允許加熱速率一直到最大燈額定功率而沒有不適當的燈損壞，當以大于太陽能電池的生產量的2X量級提供有更大的操作效率吋。本發明的高反射率元件頂燈模塊因此提供阻止氫從基板電池過量消除的高速率的溫度增加坡度。在這個區域的燈能在子區域被供能，或単獨程序供能從而峰值溫度在接近出口區域分割壁10 處達到。峰值區域在區域分割壁l(Mc結束，且具有產品的帶立即進入淬火區域18，其限定在壁l(Mc和壁104d之間。壓縮空氣或惰性氣刀組件90包含側面間隔的壓縮空氣管92，其具有在其中的狹縫，其形成和導引空氣94的平面到帶上的產品上。這以幾百攝氏度非常快速地降低溫度，阻止蝕刻穿過熔化的銀接觸進入摻雜的發射層。冷卻曲線坡度相同陡峭，從而允許溫度曲線峰的寬度控制，即，在接觸熔化和燒結形成溫度處的停留。總之，在高反射率元件峰區域和快速的、控制的淬火的燈功率的控制，允許這個關鍵峰停留加工步驟的精確控制。在離開刀之后的冷卻空氣變熱和排出煙道強制通風系統和煙囪27b，作為獨立于其它空氣流的熱空氣^b。對于給定的傳送帶的速度和區域壁l(Mc和104d間的淬火區域的長度，壓縮空氣溫度和體積可控制來提供用于特定エ業加工的任何預選量的冷卻。在幾秒內400°C到600°C的溫度下降全部在本發明爐的能力之內。為了保證無過冷，也稱為“過調量”，淬火通過燈40的組合在可選擇的中斷淬火區域20中停止，且可選擇地輔助冷卻空氣沈通過擋板從下面進入。如在其他燈區域，至這些燈的能量能容易控制以提供任何水平的熱，從而曲線轉變光滑到需要回火和提升好的黏著性的退火溫度，其在退火區域22中發生，僅在區域分割l(Me的下游(在這圖的右側)。注意中斷淬火和退火區域的縫是大的，允許空氣流動而沒有紊流進入下游區域22。圖ID圖示了退火區特征，其中電池在預選溫度保持一定周期，足夠提升粘著性， 然后冷卻用于區域出ロ壁104f的卸貨的下游。這個區域的溫度分布圖通過入口空氣沈的組合可選擇性控制，空氣26通過底部入口 102導入，和/或通過側壁端ロ 96。空氣當它冷卻晶片基底時被加熱并作為熱排出空氣28c被排出強制通風系統27c，且這可以通過使用 ID風扇100控制和輔助。用于制備光電電池的金屬化爐的兩個實例在表1中示出，下面，一個沒有干燥器段，實施例1，和一個帶有干燥器段，實施例2。表1金屬化焙燒爐結構
權利要求
1.一種用于具有至少ー個加工區的熱加工爐的頂燈加熱模塊，在操作組合中包括a)高反射率氧化鋁陶瓷元件，具有配置為平的、波紋或槽表面的至少一面；b)頂燈陣列，間隔自所述高反射率元件配置的面，其中所述面配置有波紋或通道，所述陣列的每ー個所述燈的中心線被中心定位在且平行于所述波紋或通道的中心線；以及c)裝置，用于維持所述燈與所述高反射率元件的間隔關系以有效地將來自所述燈的頂光導引進入所述エ藝區。
2.如權利要求1所述的頂燈加熱模塊，其中所述高反射率元件包括通道，通道中的每 ー個配置有一般選自拋物線、橢圓、半圓、三角、正方形、矩形或梯形的橫截面幾何形狀。
3.如權利要求1所述的頂燈加熱模塊，其包括在每ー個所述通道的每一端的在每ー個所述維持裝置中的端ロ，用作冷卻用氣體穿過的通路。
4.如權利要求3所述的頂燈加熱模塊，其包括通過所述高反射率元件與所述通道的每一個相通的排出ロ，所述排出ロ布置在所述通道的側端的中間，所述端ロ適合于將在所述端ロ處進入的在所述通道的表面和所述燈之間的環形中的冷卻氣體傳到所述中間排出ロ。
5.如權利要求3所述的頂燈加熱模塊，其中與每個燈關聯的一個所述端ロ是用于冷卻氣體的入ロ，和與相同燈關聯的相對端ロ是排出ロ，從而冷卻氣體在ー個ロ被導入，通過在燈和通道表面之間的環中的傳送來冷卻燈，通過相對的端ロ排出。
6.如權利要求3所述的頂燈加熱模塊，其包括至少ー個排出氣體管，用來從所述通道上游排出到所述爐的第二加工區的熱冷卻氣體的循環。
7.ー種具有多個加工區的改進的頂燈加熱爐，所述區包括用于傳輸要被連續加工通過所述區的產品的傳送帶和冷卻系統，在操作組合中，改進包括a)具有至少一面配置為平的、波紋或槽表面的高反射率氧化鋁陶瓷元件；b)頂燈陣列，間隔自所述高反射率元件配置的面，其中所述面配置有波紋或通道，所述陣列的每ー個所述燈的中心線被中心定位在且平行于所述波紋或通道的中心線；以及c)裝置，用于維持所述燈與所述高反射率元件的間隔關系，以有效地將來自所述燈的頂光導引進入所述加工區。
8.如權利要求7所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其中所述高反射率頂燈模塊提供給高峰焙燒區。
9.如權利要求8所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其包括排出系統，其將從所述高峰焙燒區的上游回收的加熱氣體循環到燒盡區和干燥區中的至少ー個。
10.如權利要求9所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其中所述爐包括所述高峰焙燒區的下游的回火區。
11.如權利要求10所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其中所述爐包括在所述高峰焙燒區和所述回火區之間的中間的淬火區和中斷淬火區中的至少ー個。
12.如權利要求11所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其中所述淬火區包括至少ー個氣刀組件，用于在它離開所述高峰焙燒區時快速降低在所述傳送帶上的產品的溫度。
13.如權利要求12所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其中所述中斷淬火區包括至少ー 個頂燈，以中斷為在所述退火區內回火準備的所述產品的冷卻。
14.如權利要求13所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其中所述退火區包括用于控制量的冷卻空氣的導入的口和熱交換組件中的至少ー個，以將所述產品的溫度帶到期望處理的溫度。
15.如權利要求7所述的改進的頂燈加熱的加工爐，其包括控制器，用于控制所述傳送帶的移動的速率、給所述頂燈隔離模塊中的每ー個所述頂燈的和所述冷卻系統的功率，以提供相對無限范圍的貫穿所述爐的區的熱加熱和冷卻曲線。
16.在具有運載產品通過多個加工區的傳送帶的エ業加工爐中加熱產品的方法，包括步驟a、在至少ー個焙燒區中提供陣列排列的多個頂燈；b、提供高反射率元件，其在所述焙燒區中鄰近所述燈，并布置成使得所述燈在所述高反射率元件和在所述焙燒區中運載產品的所述傳送帶之間，以有效地將頂光從所述燈導引到所述加工區中的所述產品上；c、所述高反射率元件配置有選自平的、波紋和槽的面對所述燈的表面，所述元件包括具有至少高于95%的頂反射率的白色的高溫度氧化鋁陶瓷；d、控制氣流進入所述加工焙燒區而不擾亂在所述傳送帶上的產品，所述空氣流動進入所述加工焙燒區，在所述產品的加工期間被加熱；以及e、從所述焙燒區排出所述即時熱的氣體并將它循環到所述爐的第二區。
17.如權利要求16所述的方法，其包括將來自所述焙燒區上游的所述加熱氣體循環到燒盡區和干燥區的至少ー個中來提高熱交換的熱操作的效率的步驟。
18.如權利要求16所述的方法，其包括通過傳送所述產品進入接觸被導引到所述產品的至少ー個表面上的冷空氣噴射流，將在所述焙燒區的僅下游的淬火區中的所述產品快速淬火的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，其包括通過提供來自至少一個頂燈的控制水平的熱來阻止產品的冷卻低于預選的最小值的所述產品的中斷淬火的步驟。
20.如權利要求16所述的方法，其中所述加工適合于焙燒太陽能電池晶片，所述加工包括如下配置步驟燈功率的控制、所述傳輸帶速度、和所述焙燒區的下游的所述產品的冷卻來提供預選擇的熱加熱和冷卻分布圖以生產具有改進效率的太陽能電池。
全文摘要
高反射率元件IR燈模塊和用于太陽能電池加工的燒結多區IR爐的方法，包括通過超高反射率陶瓷材料的平的或配置板的背部支持布置的燈。可選擇地，高反射率板可配置為有波紋或槽來分隔加工區中的每個燈與相鄰的燈。爐冷卻空氣被排出和為了能量守恒而上游循環。燈間隔可變化和每個燈的功率獨立控制來提供每一加熱區的溫度分布圖的無限控制。高反射率元件可由密度陶瓷纖維板構成，然后覆蓋高反射率陶瓷組分，和烤或焙燒以形成最終元件。
文檔編號F27B9/30GK102538453SQ201110372480
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者彼得·G·拉給, 理查·W·帕克斯, 路易斯·阿雷安卓·芮·加希亞 申請人:Tp太陽能公司