太陽(yáng)能電池印刷線關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

張世強(qiáng)，邴守東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

太陽(yáng)能電池印刷線作為太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝設(shè)備，伴隨著光伏產(chǎn)業(yè)近十年的高速發(fā)展而發(fā)生了很大變化：從最初的半自動(dòng)手工印刷發(fā)展到現(xiàn)在的全自動(dòng)印刷線，整線設(shè)備隨著工藝的要求和技術(shù)的發(fā)展，向全自動(dòng)化，高效化方向發(fā)展，并逐步朝著滿足更大尺寸和更薄硅片的方向發(fā)展。

光伏產(chǎn)業(yè)已成為世界發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2003～2012年是世界太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的時(shí)期，這期間電池產(chǎn)量平均增長(zhǎng)率為40%，2007～2010年連續(xù)4年產(chǎn)量居世界第一，2010年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量約為10 GW，占全球總產(chǎn)量的50%。

1 太陽(yáng)能印刷線所完成的工序

太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，最初的太陽(yáng)能印刷設(shè)備是一個(gè)半自動(dòng)設(shè)備，其功能僅完成電池片3種工序(背鋁，背銀和正銀)的印刷，各工序間硅片的傳輸采用人工完成。見(jiàn)圖1。

（1）背面銀電極印刷(背銀)：在電池片的正極面(p區(qū))用銀鋁漿料印刷兩條電極導(dǎo)線（寬約3～4 mm）作為電池片的電極。

（2）背面鋁印刷(背鋁)：在電池片的正極面采用鋁漿料印刷整面(除背銀電極外)。。

（3）正面銀印刷(正銀)在電池片的正面（噴涂減反射膜的面）同時(shí)用銀漿料印刷一排間隔均勻的柵線和兩條電極。在工藝上要求柵線間距約3 mm、寬度約0.10～0.12 mm。

圖1 電池片正面和反面圖

隨著產(chǎn)能的增加，硅片成本的上升，采用更薄的硅片，人工完成各工序的硅片無(wú)法滿足產(chǎn)能的要求，而且造成碎片率很高。真正意義上的太陽(yáng)能印刷線是將三道印刷工序和兩道烘干工序連線，并增加了印刷后的測(cè)試和分選工序，形成一條集3次印刷、2次烘干、測(cè)試、分選共計(jì)7次工序的流水線型的印刷線。見(jiàn)圖2。

圖2 太陽(yáng)能印刷線完成的工序

2 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池線發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

最初我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池印刷設(shè)備為半自動(dòng)印刷機(jī)，單機(jī)版烘干爐以及手動(dòng)測(cè)試和分選，各工序由各獨(dú)立廠商提供，組成的印刷線產(chǎn)能大約為5 MW/條，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，碎片率為5%～7%；隨著光伏市場(chǎng)的快速發(fā)展特別是歐洲光伏市場(chǎng)超常規(guī)發(fā)展給我們光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇；我國(guó)太陽(yáng)能電池設(shè)備市場(chǎng)也高速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)各工序設(shè)備廠商也加緊研制太陽(yáng)能生產(chǎn)各工序設(shè)備，各工序設(shè)備陸續(xù)國(guó)產(chǎn)化。全自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)由于設(shè)備技術(shù)難度高，國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家遲遲未能研制成功；自2003年至2005年的短短3年間國(guó)內(nèi)新上標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線17條，產(chǎn)能接近450 MW。直到2010年國(guó)內(nèi)才研制出全自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)并在生產(chǎn)線上投入使用。

圖3 中電科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的太陽(yáng)能印刷線

3 國(guó)際太陽(yáng)能電池印刷線主要生產(chǎn)廠家

國(guó)際上主流太陽(yáng)能電池印刷設(shè)備有美國(guó)Applied materials公司（原 Baccini公司）、德國(guó)ASYS公司、英國(guó)DEK公司和日本的Microtech，基本上壟斷了全球晶體硅太陽(yáng)能電池的印刷設(shè)備市場(chǎng)。其中Applied materials的市場(chǎng)占有率最大，占60%以上。

4 太陽(yáng)能電池印刷線的關(guān)鍵技術(shù)

太陽(yáng)能電池印刷線共由10臺(tái)設(shè)備組成，即：上料機(jī)1臺(tái)，印刷機(jī)3臺(tái)，烘干爐2臺(tái)，測(cè)試分選上料機(jī)1臺(tái)，測(cè)試機(jī)1臺(tái)，分選機(jī)1臺(tái)，整線傳輸機(jī)1臺(tái)?？傮w有以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）硅片柔性傳輸技術(shù)：各工序間的硅片自動(dòng)傳輸通過(guò)傳輸機(jī)完成，目前主流生產(chǎn)線硅片厚度為180～200 μm，在傳輸過(guò)程中不能對(duì)硅片產(chǎn)生受力。

（2）精密工作臺(tái)技術(shù)：硅片是在工作臺(tái)上吸附固定后完成印刷的，工作臺(tái)的精度影響印刷的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)碎片率的影響很大。

（3）精密印刷頭技術(shù)：在印刷過(guò)程中要求壓力精確控制，始終保持設(shè)定的壓力數(shù)值，目前壓力設(shè)定一般為0～85 N，控制精度為5 N；目前采用氣動(dòng)伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（4）自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)：為保證印刷質(zhì)量，在印刷前一工位設(shè)置一個(gè)相機(jī)，在絲網(wǎng)的下面設(shè)置兩個(gè)相機(jī)完成硅片與絲網(wǎng)的對(duì)準(zhǔn)，目前的工藝水平對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到0.02 mm，可滿足要求。

（5）烘干爐溫區(qū)溫度控制技術(shù)：在烘干時(shí)根據(jù)溫度高低設(shè)定4個(gè)溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)的溫度設(shè)定在不同溫度，采用專門的溫度控制模塊實(shí)現(xiàn)。

（6）柔性機(jī)械手傳輸技術(shù)：在上料機(jī)和分選機(jī)中有機(jī)械手完成電池片的搬運(yùn)，在采用柔性抓取后高速運(yùn)動(dòng)完成。

（7）電氣控制技術(shù)及軟件技術(shù)：采用工控機(jī)控制，CANopen總線控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)和I/O的控制，通過(guò)各參數(shù)的優(yōu)化，達(dá)到整線的效率要求，并使設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行。

（8）在線檢測(cè)技術(shù)：在三道印刷工序前后工序檢測(cè)硅片是否存在碎片。

5 未來(lái)太陽(yáng)能電池設(shè)備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

設(shè)備的發(fā)展目的是為了滿足工藝的需要，提高電池的最終產(chǎn)品質(zhì)量，主要表現(xiàn)在提高光電轉(zhuǎn)換效率及整線生產(chǎn)效率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本；主要分析如下：

（1）提高整線生產(chǎn)效率：目前單線的生產(chǎn)效率為1 200～15 00片/h，未來(lái)幾年的生產(chǎn)線可達(dá)到1 800～2 000片/h，效率提高30%～50%；一些國(guó)際大公司準(zhǔn)備推出的更高效率的雙線（DUAL-LINE）印刷線，將兩條線有機(jī)合并在一起，比單線有更大優(yōu)勢(shì)：兩條線共用一套烘干爐，設(shè)備的成本降低；整線的開機(jī)率大大提高，單線在某一工序換絲網(wǎng)時(shí)整線需要停下來(lái)，雙線可以在一條線停機(jī)時(shí)可以有效補(bǔ)償，整線的開機(jī)率大大提高；雙線的占地面積比兩條單線少30%，在同等情況下相當(dāng)減少?gòu)S房的投資。

（2）發(fā)展適應(yīng)適合大尺寸（210 mm×210 mm）方硅片的印刷線和薄硅片（厚度150 μm以下）的印刷線。目前主流的硅片尺寸為156 mm×156 mm，厚度150 μm?，F(xiàn)有的印刷線碎片率為 0.2%～0.5%。在同等效率下電池片由156 mm×156 mm變?yōu)?10 mm×210 mm，單線的產(chǎn)能將提高80%，以目前的單線1 500片/h(30 MW），印刷210 mm×210 mm硅片，年產(chǎn)能將達(dá)到了50 MW；硅片尺寸的增加也導(dǎo)致碎片率將增加數(shù)倍，現(xiàn)有的設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)，研制設(shè)備需突破硅片從印刷開始到最后的分選，要經(jīng)過(guò)多次的傳輸和抓取，需采取更柔性的方法實(shí)現(xiàn)。

（3）低壓印刷技術(shù)和烘干技術(shù)：硅片變大變薄后要求印刷壓力減少以降低碎片率，這需要工藝漿料和絲網(wǎng)的共同配合；現(xiàn)有的背鋁漿料在烘干后存在明顯的翹曲，在背銀和正銀印刷時(shí)碎片率大大增加，需要漿料廠家研制防止翹曲的漿料。

（4）提高轉(zhuǎn)換效率：影響光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素是細(xì)柵線的線條寬度太寬，厚度太薄，目前生產(chǎn)線工藝水平為細(xì)柵線寬度為100～120 μm，印刷厚度為15～20 μm；在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)印刷柵線寬度至80 μm，但受漿料和絲網(wǎng)工藝成本過(guò)高的影響，目前還沒(méi)有大批量生產(chǎn)。提高印刷厚度逐步采用二次印刷技術(shù)，即：在背銀工序印刷后再印刷一次，二次印刷能提高轉(zhuǎn)化效率0.5%，二次印刷對(duì)印刷就是套印技術(shù)，要求自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到15 μm，而現(xiàn)有的印刷線精度無(wú)法達(dá)到，而且整線的布局也不能滿足要求，需重新對(duì)整線布局，并對(duì)電氣硬件升級(jí)，采用高分辨率照相機(jī)達(dá)到精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的太陽(yáng)能印刷線經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，在國(guó)家“十五”、“十一五”、“十二五”3 個(gè) 5 年計(jì)劃等政策鼓勵(lì)的支持下有了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已研制出達(dá)到目前生產(chǎn)線要求的印刷線，但市場(chǎng)占有率很低；我國(guó)是光伏生產(chǎn)大國(guó)，設(shè)備企業(yè)和光伏企業(yè)聯(lián)合研制符合新工藝的設(shè)備具有很大優(yōu)勢(shì)，目前雙方都有迫切合作的愿望，相信在不久的將來(lái)我國(guó)的太陽(yáng)能印刷線將是光伏產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)設(shè)備，引領(lǐng)全球的發(fā)展。

[1] Darren Brown.絲網(wǎng)印刷在太陽(yáng)能電池制造中的挑戰(zhàn)[J].集成電路應(yīng)用，2009(8)：60-61.

[2] 張世強(qiáng)，李萬(wàn)河，徐品烈.硅太陽(yáng)能電池的絲網(wǎng)印刷技術(shù)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（6）：55-56.

[3] 魏真.絲網(wǎng)印刷在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用[J].廣東印刷，2011（3）：65-66.