隨著光伏行業持續向高效降本發展，晶硅太陽電池正朝著大尺寸、薄片化的方向快速演進，硅片厚度已從200 μm以上減至150 μm以下，尺寸也從156 mm逐步提升至182 mm和210 mm級別。這一趨勢雖然有效降低了生產成本，但也帶來了電池翹曲變形加劇、碎片率上升等結構可靠性問題，制約了薄片化技術的進一步推廣。以往研究多基于傳統全鋁背場結構及小尺寸電池，已難以適用于當前主流的PERC、TOPCon、BC等新型電池結構在大尺寸薄硅片條件下的翹曲行為分析。美能探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

為系統揭示電池翹曲機理并指導工藝優化，本文通過建立182 mm×182 mm、210 mm×210 mm等多種尺寸的有限元模型，采用非線性結構分析方法，模擬電池在金屬化燒結冷卻過程中的變形行為，重點考察厚度、尺寸、柵線設計及材料性能對翹曲的影響，以期為電池結構設計與制造工藝提供理論依據和優化方向。

模型及方案

Millennial Solar

太陽電池幾何結構參數

采用ANSYS軟件建立PERC、TOPCon（雙面柵線）和BC（單面柵線）結構的有限元模型。電池尺寸選取182 mm × 182 mm、210 mm × 210 mm、210 mm × 105 mm、105 mm × 210 mm四種，厚度選取70、90、110、130、150 μm。柵線參數依據實際生產工藝設定。

電池柵線結構及網格示意圖

翹曲行為研究方案示意圖

雙面電池模型分為三層：正面柵線層、硅片層、背面柵線層；BC電池僅含硅片層和背面柵線層。采用8節點Solid185單元劃分網格，硅片區域網格密度1 mm，柵線區域0.5 mm。利用結構對稱性建立1/4模型以節約計算資源。

金屬材料模擬參數

約束條件為對稱邊界約束及中心點厚度方向位移約束。載荷為溫度載荷，模擬燒結后從850°C冷卻至25°C的過程，其中銀柵線和鋁柵線分別在835°C和577°C固化收縮。硅片熱膨脹系數取3.5×10??/K，并依據晶向定義其剛度矩陣。

線性與非線性有限元方法對比

Millennial Solar

方形全片尺寸下基于線性與非線性分析的翹曲形貌圖

電池翹曲屬于小應變、大位移的幾何非線性問題。線性分析因未考慮剛度矩陣隨位移的變化，計算結果誤差較大。在線性分析中，翹曲最大值出現在電池四角；而非線性分析中，電池呈筒狀變形，沿主柵方向曲率幾乎為零，沿細柵方向則有一定曲率。例如210 mm × 210 mm電池線性分析翹曲值為3.76 mm，非線性分析為3.24 mm，說明非線性方法更符合實際變形機制。

硅片類型對翹曲的影響

Millennial Solar

不同硅片類型下最大翹曲值變化曲線

對比（100）面單晶硅、（110）面單晶硅與多晶硅的翹曲行為發現，（100）面單晶硅翹曲最大，抗彎性能最差；（110）面單晶硅翹曲最小，抗彎性能最優；多晶硅因晶界與位錯影響光電性能，已較少使用。盡管（110）面硅片機械性能更優，但（100）面因制絨工藝成熟、光學性能好，仍是當前主流。

電池尺寸與厚度的影響

Millennial Solar

不同硅片尺寸下最大翹曲值變化

對于210 mm × 210 mm電池，厚度從150 μm減至70 μm時，翹曲值從1.69 mm增至8.25 mm。相同厚度下，182 mm × 182 mm電池翹曲小于210 mm × 210 mm電池。將210 mm × 210 mm電池沿垂直細柵方向切分為105 mm × 210 mm后，翹曲顯著降低；沿垂直主柵方向切分則改善不明顯。說明尺寸增大和厚度減薄均會加劇翹曲，且切割方向對翹曲行為有重要影響。

柵線寬度的影響

Millennial Solar

不同柵線寬度下最大翹曲值變化

在110 μm厚度下，細柵寬度從200 μm降至100 μm時，翹曲值從3.24 mm降至1.88 mm。而主柵寬度減小對翹曲改善有限。結果表明，背面細柵是引起翹曲的主要原因，優化其寬度可有效抑制變形。

柵線機械性能的影響

Millennial Solar

柵線楊氏模量、熱膨脹系數、屈服強度對最大翹曲值的影響

降低屈服強度可使柵線更早進入塑性階段，減少彈性變形積累的殘余應力，從而降低翹曲。楊氏模量和熱膨脹系數在柵線進入塑性階段后對最終翹曲值影響較小。

BC電池翹曲行為

Millennial Solar

BC結構下柵線材質與間距對最大翹曲值的影響

BC電池因正面無柵線，翹曲程度高于PERC電池。在相同背面結構下，BC電池翹曲更大，說明正面柵線在一定程度上抵消了背面收縮引起的變形。減小背面柵線寬度可降低BC電池翹曲，但銀柵線因屈服強度高，即使用更細寬度，其翹曲仍與較寬鋁柵線相當，優化空間有限。

本文通過有限元模擬研究系統揭示了大尺寸薄片晶硅太陽電池的翹曲行為機理與關鍵影響因素。研究發現，電池翹曲主要表現為沿細柵方向的筒狀變形，硅片晶向影響其抗彎性能，其中（110）面單晶硅表現最優，但當前產業主流的（100）面硅片因制絨工藝成熟仍被廣泛采用。電池厚度減薄與尺寸增大均會顯著加劇翹曲變形，例如210 mm × 210 mm電池厚度從150 μm降至70 μm時，翹曲值從1.69 mm增至8.25 mm；合理選擇切割方向可有效改善半片電池翹曲，沿垂直細柵方向切割效果顯著。研究進一步表明，背面細柵寬度和柵線屈服強度是控制翹曲的關鍵工藝參數，減小細柵寬度和采用低屈服強度材料能有效抑制變形。此外，BC電池因正面無柵線結構，翹曲問題更為突出，需在材料與結構設計上協同優化。本研究為后續電池結構設計、柵線優化和工藝改進提供了明確的理論依據與方向。

美能探針式臺階儀

Millennial Solar

在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

配備500W像素高分辨率彩色攝像機

亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm

360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺

超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

美能探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

原文參考：薄片化趨勢下晶硅太陽電池翹曲行為模擬研究

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發布的原創及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞光伏行業相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，若有侵權，請及時聯系我司進行刪除。