太陽能晶硅電池片印刷工藝及工藝物化初步研究

趙立華，易輝，費(fèi)玖海，呂磊，張建亮，任曉慶

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

1 太陽能電池原理和分類

1.1 按技術(shù)成熟程度分類

1)晶硅電池：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅?/p>

2)薄膜電池：a-Si，CIGS，CdTe，球形電池，多晶硅薄膜，有機(jī)電池。

優(yōu)點(diǎn)：資源豐富，環(huán)境安全；電池/組件一次完成，生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：效率低，不穩(wěn)定—光衰減。

3)新型概念電池：量子點(diǎn)、量子阱電池，迭層電池，中間帶電池，雜質(zhì)帶電池，a-Si/C-Si異質(zhì)結(jié)，偶極子天線電池，熱載流子電池(也稱第三代電池)。

1.2 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展

單晶硅電池在20世紀(jì)70年代初引入地面應(yīng)用。在石油危機(jī)推動(dòng)下，太陽能電池開始了一個(gè)蓬勃發(fā)展時(shí)期，不但出現(xiàn)了許多新型電池，而且引入許多新技術(shù)：鈍化技術(shù)、陷光技術(shù)、背表面場(chǎng)(BSF)技術(shù)、異質(zhì)結(jié)太陽能電池技術(shù)、聚光電池等。

多晶硅電池也有長(zhǎng)足發(fā)展，先進(jìn)的技術(shù)有：采用磷吸雜和雙層減反射膜技術(shù)、PERL電池技術(shù)、PECVD/SiN+表面織構(gòu)化等。

1.3 向高效化和薄片化方向發(fā)展

光電轉(zhuǎn)化效率提高是各種太陽能電池永遠(yuǎn)的追求，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)，在不斷的進(jìn)步。如2009年工業(yè)界達(dá)到17%，截至到目前以18.5%左右的效率成為主流。隨著材料和工藝的不斷進(jìn)步，轉(zhuǎn)換效率會(huì)不斷提高。

與此同時(shí)，薄片化也是必須的，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)有兩種。硅片減?。汗杵蔷Ч桦姵爻杀緲?gòu)成中的主要部分。硅—間接半導(dǎo)體，理論上100μm可以吸收全部太陽光。電池制造工藝—硅片厚度下限150μm。降低硅片厚度是結(jié)構(gòu)電池降低成本的重要技術(shù)方向之一。帶硅技術(shù)：直接拉制硅片，免去切片損失。

2 絲網(wǎng)印刷工藝

晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖1。

圖1 硅太陽能電池制造流程

制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

2.1 絲網(wǎng)印刷原理

圖2為絲網(wǎng)印刷原理示意圖，絲網(wǎng)印刷由五大要素構(gòu)成，即：絲網(wǎng)、刮刀、漿料、工作臺(tái)以及基片。

圖2 絲網(wǎng)印刷原理示意圖

刮刀的作用是將漿料以一定的速度和角度將漿料壓入絲網(wǎng)的漏孔中，刮刀在印刷時(shí)對(duì)絲網(wǎng)保持一定的壓力，刃口壓力在10～15N/cm之間。

刮刀材料一般為聚胺脂橡膠或氟化橡膠，硬度范圍為邵氏A60°～A90°，刮板條的硬度越低，印刷圖形的厚度越大，刮刀材料必須耐磨，刃口有很好的直線性，保持與絲網(wǎng)的全接觸。

印刷速度與印刷圖形和印刷用漿料的黏度有關(guān)，速度越高，刮刀帶動(dòng)漿料進(jìn)入絲網(wǎng)漏孔的時(shí)間越短，漿料的填充性會(huì)差如果印刷線條精細(xì)，速度應(yīng)低一些，正銀工序中柵線的線寬在0.1～0.12mm，一般速度設(shè)定在200～250mm/s，背鋁和背銀工序因印刷線條寬速度設(shè)定在300mm/s。刮刀角度的設(shè)定與漿料有關(guān)；漿料你黏度值越高，流動(dòng)性越差，需要刮刀對(duì)漿料向下的壓力越大，刮刀角度??；刮刀角度調(diào)節(jié)范圍為45°～75°。

絲網(wǎng)的目數(shù)及絲徑?jīng)Q定可印刷圖形的寬度；對(duì)于背銀和背鋁這兩道工序印刷由于實(shí)際印刷圖形不復(fù)雜，所以對(duì)絲網(wǎng)要求不高，主要考慮印刷厚度即可，一般選用250～280目即可滿足要求；正銀印刷是對(duì)印刷要求最高的一道印刷工序，主要是保證柵線的寬度要求及印刷膜厚的均勻一致性，一般選用300～330目。

絲網(wǎng)的張力設(shè)定：絲網(wǎng)的張力與絲網(wǎng)的材料與目數(shù)有關(guān)，不同材料、不同絲徑的絲網(wǎng)承受的張力不同，目數(shù)越低，絲徑越粗，絲網(wǎng)承受的張力越大。絲網(wǎng)和感光膜的厚度決定印刷后圖形的厚度，即印后線條的厚度；絲網(wǎng)目數(shù)越低，絲經(jīng)越粗，印刷后的漿料層就高一些，所用絲網(wǎng)目數(shù)較高時(shí)，則印刷后漿料層就低一些。

漿料是由功能組份、粘結(jié)組份、和有機(jī)載體組成的一種流體，在背銀，背鋁及正銀工序中所用漿料為導(dǎo)體漿料，漿料的技術(shù)性能指標(biāo)是指漿料中功能成分經(jīng)過烘干和燒結(jié)后與電池片的歐姆特性，其影響電池片的電性能指標(biāo)如開路電壓，短路電流，并聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻，轉(zhuǎn)換率等技術(shù)指標(biāo)。

表1為美國(guó)FERRO公司的相關(guān)工序印刷漿料的特性。

表1 相關(guān)工序印刷漿料特性

2.2 工序?qū)τ∷㈦姌O的要求/背面銀/鋁電極印刷

背銀印刷在電池片的正極面(P區(qū))用銀鋁漿料印刷兩條電極導(dǎo)線（寬約3～4mm）作為電池片的電極。背鋁印刷在電池片的正極面采用鋁漿料印刷整面(除背銀電極外)。

圖3 背面銀/鋁電極印刷

2.3 工序?qū)τ∷㈦姌O的要求/正面銀電極印刷

正銀印刷在電池片的正面（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3mm，寬度約0.10mm。

3 太陽能電池印刷質(zhì)量分析

現(xiàn)在以某大型電池片廠商的工藝為例，對(duì)電池印刷工藝的質(zhì)量特點(diǎn)和缺陷進(jìn)行分析。

3.1 晶硅電池片的質(zhì)量檢驗(yàn)（印刷）

檢驗(yàn)項(xiàng)目：顏色色差（變更）；絨面色斑（變更）；亮斑；裂紋、裂痕及針孔；彎曲度（變更）；崩邊、缺口、掉角；印刷偏移（變更）；TTV；鋁珠、鋁苞（變更）；印刷圖形（變更）；漏漿；外形尺寸。印刷圖形見圖4。

圖4 印刷圖形

3.2 印刷偏移

A級(jí)：位移偏差≤0.5mm；角度偏差≤0.3°

B級(jí)：0.5mm＜位移偏差≤1.0mm；角度偏差≤0.3°

C級(jí)：位移偏差＞1.0mm；角度偏差＞0.3°

3.3 TTV(即單片電池片最厚與最薄的誤差)

A級(jí)：TTV的變化＜電池片標(biāo)稱厚度的15%；B級(jí)：TTV的變化＜電池片標(biāo)稱厚度的25%；C級(jí)：TTV的變化≥電池片標(biāo)稱厚度的25%。

3.4 印刷圖形級(jí)別判定

主柵線：A級(jí)：主柵粗細(xì)均勻，不允許有斷線、缺失、扭曲以及突出。B級(jí)主柵線粗細(xì)均勻，允許有輕微斷線、缺失面積不超過主柵線總面積的5%，扭曲以及突出不超出正常位置的0.2mm；不允許有變色現(xiàn)象。C級(jí)：主柵線：斷線、缺失面積不超過主柵線總面積的20%。

背電場(chǎng)：A級(jí)：背電場(chǎng)完整、厚薄均勻，不允許有缺失。B級(jí)：允許有缺失，缺失面積不超過背電場(chǎng)總面積的5%；變色面積不超過背電場(chǎng)總面積的15%。C級(jí)：缺失面積大于背電場(chǎng)總面積的5%，變色面積不超過背電場(chǎng)總面積的50%。

STP印刷：A級(jí)：標(biāo)識(shí)若有虛印、印粗現(xiàn)象（字母線寬度應(yīng)小于0.22mm)，但仍可辨識(shí)時(shí)則作為A級(jí)。若標(biāo)識(shí)存在缺印但仍可辨識(shí)時(shí)，按字母高度1/3判定。B級(jí)：標(biāo)識(shí)若有虛印、印粗現(xiàn)象，當(dāng)字母線寬度大于0.22mm，但仍可辨識(shí)，如實(shí)心“P”若標(biāo)識(shí)存在缺印但仍可辨識(shí)時(shí)，按字母高度1/3判定。C級(jí)：若字母變形或無法辨識(shí)時(shí)直接降為C級(jí)。見圖5。

圖形異常原因和解決方案如表2所示。

圖5 印刷圖形示例

表2 圖形異常原因和解決方案

4 設(shè)備工藝物化初探

作為設(shè)備制造商來講，要想做出好用、實(shí)用、耐用的專用設(shè)備，就需要摸清楚設(shè)備研制的規(guī)律和客戶需求的特點(diǎn)。有的用戶追求設(shè)備精度，有的用戶追求設(shè)備的生產(chǎn)效率和工藝適應(yīng)性，有的客戶追求滿足基本功能基礎(chǔ)上的性價(jià)比。同時(shí)，半導(dǎo)體設(shè)備的特點(diǎn)就是工藝高度物化，設(shè)備制造商越來越多地承擔(dān)著器件單項(xiàng)工藝的開發(fā)工作，并不斷地將其物化到設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中去。因此，需要高度重視產(chǎn)品應(yīng)用工藝的研究，達(dá)到為用戶提供系統(tǒng)解決方案的目的，最終實(shí)現(xiàn)雙方的利益最大化。

4.1 提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率

采用直線電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密導(dǎo)軌絲杠傳動(dòng)，光柵尺反饋的閉環(huán)控制，定位準(zhǔn)確。x、y、θ三軸自動(dòng)對(duì)位，對(duì)位精度高。工作臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)料片可靠吸附和印刷圖形的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)等工藝要求，是保證精密印刷的關(guān)鍵部件。必須具有x、y、θ三向的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)大面積基片的吸附和具備透光性的承片臺(tái)。x、y向運(yùn)動(dòng)通過直線導(dǎo)軌滑塊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，通過線性電機(jī)加測(cè)長(zhǎng)光柵尺實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整和準(zhǔn)確定位。θ向是通過直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和圓弧形光柵測(cè)量來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和定位。

另外，針對(duì)全自動(dòng)印刷生產(chǎn)線，轉(zhuǎn)臺(tái)式的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)使運(yùn)行效率提升了3倍，滿足了當(dāng)前工業(yè)化大生產(chǎn)要求。

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)印刷頭實(shí)現(xiàn)壓力精密控制和行程可調(diào)

針對(duì)不同的印刷產(chǎn)品和生產(chǎn)要求，需要設(shè)備至少具備4種印刷方式：

（1）單向印刷：印刷刮板只往一個(gè)方向印刷料片。單向印刷，工作速度快，效率高，但質(zhì)量可能不如雙向印刷。

（2）雙向印刷：印刷刮板前后兩個(gè)方向往復(fù)印刷料片一次。

（3）快速印刷：印刷刮板前向印刷料片，工作臺(tái)返回時(shí)，回膏刮板涂墨。

（4）標(biāo)準(zhǔn)印刷：回膏刮板涂墨，然后印刷刮板向前印刷料片。

印刷頭采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，印刷過程勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度可調(diào)，刮板角度可調(diào)，印刷壓力可調(diào)，同時(shí)采用壓力分級(jí)補(bǔ)償技術(shù)，使印刷壓力恒定。網(wǎng)框升降機(jī)構(gòu)

是由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶及帶輪閉環(huán)控制4根絲杠實(shí)現(xiàn)升降。調(diào)節(jié)導(dǎo)向柱和鎖母，即能保證網(wǎng)框與工作臺(tái)平行。工作時(shí)，關(guān)鍵在于保證網(wǎng)框與刮板和網(wǎng)框與工作臺(tái)的平行度，以及網(wǎng)框圖形與料片的正交性。

4.3 高精度自動(dòng)定位

隨著電池片工藝的不斷改進(jìn)，對(duì)設(shè)備提出了越來越高的定位精度要求。

定位系統(tǒng)有兩種定位模式，初始絲網(wǎng)定位和運(yùn)行中的料片定位。根據(jù)兩個(gè)CCD對(duì)角線上的兩個(gè)定位標(biāo)示圖像，得到其在同一坐標(biāo)系中的位置，進(jìn)而通過工作臺(tái)和網(wǎng)框的移動(dòng)將料片的位置與絲網(wǎng)的兩個(gè)定位標(biāo)志圖像擬合，完成系統(tǒng)定位。圖像識(shí)別軟件主要包含三大模塊：模板訓(xùn)練模塊、圖像識(shí)別模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)支持模塊。

4.4 設(shè)備模塊化強(qiáng)

大多高端自動(dòng)化印刷設(shè)備，采用網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)各伺服單元的模塊化，維護(hù)方便；同時(shí)采用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器（美國(guó)Copley等）完成3個(gè)控制環(huán)的精密調(diào)整，穩(wěn)定可靠。

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。由于采用了“零傳動(dòng)”，從而較傳統(tǒng)傳動(dòng)方式有明顯優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無接觸、無磨損、噪音低、速度快、精度高等，因而能夠滿足進(jìn)給系統(tǒng)伺服性能的更高要求，即更高驅(qū)動(dòng)能力以及更精確定位精度。

4.5 新印刷工藝—重復(fù)印刷提高漿料的寬厚比

為了提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，一種方法是重復(fù)印刷柵線，提高印刷金屬線寬比。因?yàn)閷?dǎo)電金屬線擋住了光線，使其無法照射到太陽能電池的有效區(qū)域上。比如，若將金屬線寬度和高度從120μm和12μm調(diào)整到70μm和30μm，那么轉(zhuǎn)化效率就能實(shí)現(xiàn)0.5%的提升。實(shí)現(xiàn)方法是在現(xiàn)有的生產(chǎn)線上增加一臺(tái)絲網(wǎng)印刷機(jī)和烘干爐，其中要注意的問題是二次印刷的套印精度需要精確控制，同時(shí)要仔細(xì)地優(yōu)化漿料配置和絲網(wǎng)設(shè)計(jì)，以求最大限度提高絲網(wǎng)印刷硬件和工藝效能。另外SE電池和MWT電池也是近期的發(fā)展方向，都對(duì)二次印刷提出了要求，不過從設(shè)備角度講，只是對(duì)圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行改造而已，比較簡(jiǎn)單。

4.6 柔性傳輸、改進(jìn)印刷漿料

提高整線生產(chǎn)效率對(duì)太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要，同時(shí)還要減少碎片率。印刷線的機(jī)械手傳輸動(dòng)作簡(jiǎn)潔、直觀，但畢竟是直接接觸料片，傳送帶傳遞方式由于不是取放式結(jié)構(gòu)，所以可進(jìn)一步降低碎片率。

太陽能電池片光電轉(zhuǎn)換效率受各種因素的影響，印刷漿料也是一個(gè)重要因素，不斷改進(jìn)的漿料也是提高效率的重要方面。另外，尤其是銀漿大部分是進(jìn)口，成本高，所以國(guó)內(nèi)廠家也在銀漿方面不斷投入研發(fā)，滿足工藝要求。

5 結(jié) 論

隨著各種太陽能電池工藝不斷涌現(xiàn)，以及生產(chǎn)線對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率提升的要求，圖形印刷的要求也越來越高，對(duì)自動(dòng)定位的要求也較高。

作為印刷制造商來講，要想做出好用、實(shí)用、耐用的專用設(shè)備，就需要摸清楚該設(shè)備研制的規(guī)律和客戶需求的特點(diǎn)，既能滿足用戶的指標(biāo)要求，同時(shí)滿足其工藝要求。因此，把用戶的工藝完全物化為印刷機(jī)的各個(gè)模塊功能，同時(shí)根據(jù)用戶產(chǎn)品的質(zhì)檢結(jié)果進(jìn)一步完善太陽能電池工藝和提升設(shè)備。

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