晶體硅太陽能電池的絲網(wǎng)印刷技術(shù)

1、晶體硅太陽能電池的絲網(wǎng)印刷技術(shù)詳解生產(chǎn)晶體硅太陽能電池最關(guān)鍵的步驟之一是在硅片的正面和背面制造非常精細(xì)的電路，將光生電子導(dǎo)出電池。這個(gè)金屬鍍膜工藝通常由絲網(wǎng)印刷技術(shù)來完成將含有金屬的導(dǎo)電漿料透過絲網(wǎng)網(wǎng)孔壓印在硅片上形成電路或電極。典型的晶體硅太陽能電池從頭到尾整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中需要進(jìn)行多次絲網(wǎng)印刷步驟。通常，有兩種不同的工藝分別用于電池正面（接觸線和母線）和背面（電極/鈍化和母線）的絲網(wǎng)印刷。【表1】 多年來，太陽能絲網(wǎng)印刷設(shè)備在精度和自動化方面有了很大進(jìn)步，具備了在微米級尺寸上重復(fù)進(jìn)行多次印刷的能力。這一發(fā)展開創(chuàng)了全新的先進(jìn)應(yīng)用，如雙重印刷和選擇性發(fā)射極金屬鍍膜。Baccini公司在20世紀(jì)

2、70年代在微電子領(lǐng)域開發(fā)了絲網(wǎng)印刷技術(shù)，并在20世紀(jì)80年代將這一技術(shù)擴(kuò)展到太陽能金屬鍍膜領(lǐng)域。今天，Baccini公司已成為應(yīng)用材料公司Baccini集團(tuán)，以多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)引領(lǐng)業(yè)界的發(fā)展。表1：晶體硅太陽能電池的制造需要進(jìn)行多次絲網(wǎng)印刷步驟?；镜奶柲芙z網(wǎng)印刷印刷過程從硅片放置到印刷臺上開始。非常精細(xì)的印刷絲網(wǎng)固定在網(wǎng)框上，放置在硅片上方；絲網(wǎng)封閉了某些區(qū)域而其它區(qū)域保持開放，以便導(dǎo)電漿料能夠通過【圖2】。硅片和絲網(wǎng)的距離要嚴(yán)格地控制（稱為印刷間隙）。由于正面需要更加纖細(xì)的金屬線，因此用于正面印刷的絲網(wǎng)其網(wǎng)格通常比用于背面印刷的要細(xì)小得多。表2:印刷絲網(wǎng)上包含打開和閉合的區(qū)域，通過打開的區(qū)域

3、，導(dǎo)電漿料可以被印刷到硅片上。把適量的漿料放置于絲網(wǎng)之上，用刮刀涂抹漿料，使其均勻填充于網(wǎng)孔之中。刮刀在移動的過程中把漿料通過絲網(wǎng)網(wǎng)孔擠壓到硅片上【圖3】。這一過程的溫度，壓力，速度和其他變量都必須嚴(yán)格控制。每次印刷步驟后，硅片被放入烘干爐，使導(dǎo)電漿料凝固。接著，硅片被送入另一個(gè)不同的印刷機(jī)，在其正面或背面印制更多的線路。所有印刷步驟完成后，將硅片放入高溫爐里燒結(jié)。硅片正面和背面的印刷每塊太陽能電池的正面和背面都有通過絲網(wǎng)印刷淀積的導(dǎo)線【圖4】，它們的功能是不同的。正面的線路比背面的更細(xì)；有些制造商會先印刷背面的導(dǎo)電線，然后將硅片翻過來再印刷正面的線路，從而最大程度地降低在加工過程中可能產(chǎn)生的

4、損壞。在正面（面向太陽的一面），大多數(shù)晶體硅太陽能電池的設(shè)計(jì)都采用非常精細(xì)的電路（“手指線”）把有效區(qū)域采集到的光生電子傳遞到更大的采集導(dǎo)線“母線”上，接著再傳遞到組件的電路系統(tǒng)中。正面的手指線要比背面的線路細(xì)得多（窄到80m）。正因?yàn)槿绱耍娴挠∷⒉襟E需要更高的精度和準(zhǔn)確性。表3：在絲網(wǎng)一端放置導(dǎo)電漿料，用刮刀在將漿料涂抹于絲網(wǎng)，并從網(wǎng)孔中擠壓到硅片上。圖4：印刷后硅片正面會有大小不同的導(dǎo)線，用來從有效區(qū)域采集電能硅片的背面和正面的印刷要求是不同的，技術(shù)上也不那么嚴(yán)格。背面印刷的第一步工序是淀積一層以鋁為基礎(chǔ)的導(dǎo)電材料，而不是非常細(xì)的導(dǎo)電柵。同時(shí)，能夠?qū)]有捕捉到的光反射回電池上。這一層也

5、能“鈍化”太陽能電池，封閉多余分子路徑，避免流動電子被這些空隙所捕捉。背面印刷的第二步是制造母線，和外部電路系統(tǒng)相連接【圖5】。圖5:背面的母線通過焊接可以實(shí)現(xiàn)和外部的連接。新一代絲網(wǎng)印刷的應(yīng)用如今晶體硅太陽能電池的平均轉(zhuǎn)化效率是15%，業(yè)界的發(fā)展目標(biāo)是將轉(zhuǎn)化效率提高到20%以上，絲網(wǎng)印刷設(shè)備能夠提供多種方法幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率可以從以下兩個(gè)方面入手：電池工藝（創(chuàng)造出能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能的有效區(qū)域）和金屬鍍膜（形成導(dǎo)電金屬線）。雙重印刷電池正面導(dǎo)電線路的一個(gè)負(fù)面效應(yīng)是陰影：導(dǎo)線阻擋了少量陽光，使其無法進(jìn)入電池的有效區(qū)域，從而降低了轉(zhuǎn)化效率【圖6】。為了將這種陰影效應(yīng)降到最低，導(dǎo)

6、線必須盡可能做到最窄。然而，為了保持足夠的導(dǎo)電性，線條的高度必須增加，這樣才能保持同樣的橫截面積。實(shí)現(xiàn)更細(xì)，更高導(dǎo)線橫截面的解決方案就是將多條導(dǎo)線重疊印刷。這就意味著絲網(wǎng)印刷機(jī)必須能夠高準(zhǔn)確度、高重復(fù)性地印刷非常細(xì)小的線條當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)線條小到80m相當(dāng)于人類一根頭發(fā)絲的平均厚度。圖6：導(dǎo)線阻擋光線，使其無法到達(dá)電池有效區(qū)域現(xiàn)在大多數(shù)導(dǎo)線燒結(jié)后的尺寸是110-120m寬，12-15m高。這樣尺寸的線條由于陰影效應(yīng)帶來的轉(zhuǎn)化效率損失大約為1.29%。要減少這一損耗，導(dǎo)線寬度必須降低；同時(shí)，需要增加導(dǎo)線橫截面的高度，以此優(yōu)化導(dǎo)電性能?！緢D7】。導(dǎo)線橫截面尺寸從110m寬/12m高轉(zhuǎn)變?yōu)?0m寬/30m

7、高之后，潛在的轉(zhuǎn)化效率絕對增益為0.5%。圖7：降低線條寬度減少了有效區(qū)域的陰影，從而提高潛在轉(zhuǎn)化效率應(yīng)用材料公司Baccini的方法是用兩臺不同的印刷機(jī)將兩種材料進(jìn)行重疊印刷。這一最新的工藝在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了80m寬、平均30m高的導(dǎo)線橫截面尺寸。這種方法減少了大約20%的陰影損失，相應(yīng)的也降低了電阻系數(shù)。通過在現(xiàn)有生產(chǎn)線上增加一臺額外的絲網(wǎng)印刷機(jī)和烘干爐，就能非常方便地以一種具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)多次印刷工藝。導(dǎo)線雙重印刷（和其它的先進(jìn)印刷應(yīng)用）最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于對準(zhǔn)精度，因?yàn)榈诙佑∷⑽锉仨毞浅＞珳?zhǔn)地置于第一層之上。應(yīng)用材料公司Baccini的最新研發(fā)成果使第二層印刷物的對齊精度達(dá)到1

8、5m。這一技術(shù)采用了新型的高分辨率照相機(jī)和新的軟件算法，具有自動調(diào)整程序，并可以在印刷初始階段進(jìn)行額外控制。此外，漿料配方和絲網(wǎng)設(shè)計(jì)必須經(jīng)過仔細(xì)的共同優(yōu)化，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷的硬件和工藝效能。選擇性發(fā)射極另外一個(gè)新興的應(yīng)用是選擇性發(fā)射極技術(shù)在絲網(wǎng)印刷的金屬線下精確地制造一個(gè)重度摻雜的n+區(qū)域，以便進(jìn)一步降低接觸電阻，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的提高?！緢D8】圖8：選擇性發(fā)射極是一個(gè)直接位于金屬線下的重度摻雜區(qū)域制作這些發(fā)射極區(qū)域有好幾種技術(shù)。每一種都要求高精度和高重復(fù)性的多重印刷步驟。此外，發(fā)射極區(qū)域必須略寬于上方的金屬線：對于100m寬的金屬線來說，最優(yōu)化的發(fā)射極區(qū)域?qū)挾葹?50m左右。很關(guān)鍵

9、的一點(diǎn)是后續(xù)的金屬線必須非常精確地直接放置在發(fā)射極區(qū)域之上，否則，就會失去它的效率優(yōu)勢。應(yīng)用材料公司Baccini的絲網(wǎng)印刷技術(shù)在成熟度、對準(zhǔn)精度、低成本和高速度方面都具有優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)這種電池工藝的理想選擇。絲網(wǎng)印刷的生產(chǎn)力隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大、工藝步驟越來越多（以獲取更高效率），很多問題包括高產(chǎn)量和處理更薄硅片的能力等變得越來越重要。目前，晶體硅太陽能電池工廠的產(chǎn)量約為1500硅片/小時(shí)（每條生產(chǎn)線），業(yè)界的目標(biāo)是在不久的將來實(shí)現(xiàn)至少3000硅片/小時(shí)。這需要使用非常先進(jìn)的機(jī)械自動化技術(shù)以最小的破片率高速處理硅片。這就意味在絲網(wǎng)印刷工藝中如絲網(wǎng)放置，漿料涂布和刮刀移動都需要以更快的速度進(jìn)行，同時(shí)，線條的寬度和對齊方式必須保持原有精度甚至更加精確。硅片越來越?。ㄒ虼烁右姿椋┑内厔萃苿恿恕败洝碧幚砑夹g(shù)的發(fā)展，以此保持低破片率和高良率。應(yīng)用材料公司Baccini以其高速軟處理技術(shù)和最低破片率成為享譽(yù)業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者。擁有數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)的工程師團(tuán)隊(duì)正致力于開發(fā)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，從而保持Baccini絲網(wǎng)印刷設(shè)備在超薄硅片處理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。結(jié)論晶體硅太陽能電池絲網(wǎng)印刷是一項(xiàng)用于積淀金