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)    1導(dǎo)言 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的電路,將光生電子導(dǎo)出電池。這個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生產(chǎn)工藝流程中需要進行多次絲網(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,見圖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步,具備了在微米級尺寸上重復(fù)進行多次印刷的能力。這一發(fā)展開創(chuàng)了全新的先進應(yīng)用,如雙重印刷

2、和選擇性發(fā)射極金屬鍍膜。Baccini公司在20世紀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80年代將這一技術(shù)擴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,以多項先進技術(shù)引領(lǐng)業(yè)界的發(fā)展。 2基本的太陽能絲網(wǎng)印刷 印刷過程從硅片放置到印刷臺上開始。非常精細的印刷絲網(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。硅片和絲網(wǎng)的距離要嚴格地控制(稱為印刷間隙)。由于正面需要更加纖細的金屬線,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小得多。 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

3、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,見圖3。這一過程的溫度、壓力、速度和其他變量都必須嚴格控制。 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,硅片被送入另一個不同的印刷機,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)。 3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(見圖4),它們的功能是不同的。正面的線路比背面的更細;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)計都采用非常精細

4、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得多(窄到80m)。正因為如此,正面的印刷步驟需要更高的精度和準確性。 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,而不是非常細的導(dǎo)電柵。同時,能夠?qū)]有捕捉到的光反射回電池上。這一層也能“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,見圖5。 4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

5、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現(xiàn)這一目標(biāo)。實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率可以從以下兩個方面入手: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)。 5雙重印刷 電池正面導(dǎo)電線路的一個負面效應(yīng)是陰影:導(dǎo)線阻擋了少量陽光,使其無法進入電池的有效區(qū)域,從而降低了轉(zhuǎn)化效率,見圖6。為了將這種陰影效應(yīng)降到最低,導(dǎo)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。實現(xiàn)更細,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)印刷機必須能夠高準確度、高重復(fù)性地印刷非常細小的線條當(dāng)前的標(biāo)準線條小到80m相

6、當(dāng)于人類一根頭發(fā)絲的平均厚度。 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,需要增加導(dǎo)線橫截面的高度,以此優(yōu)化導(dǎo)電性能,見圖7。導(dǎo)線橫截面尺寸從110m寬/12m高轉(zhuǎn)變?yōu)?0m寬/30m高之后,潛在的轉(zhuǎn)化效率絕對增益為0.5%。 應(yīng)用材料公司Baccini的方法是用兩臺不同的印刷機將兩種材料進行重疊印刷。這一最新的工藝在實際生產(chǎn)環(huán)境下實現(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)

7、印刷機和烘干爐,就能非常方便地以一種具有成本效益的方式實現(xiàn)多次印刷工藝。 導(dǎo)線雙重印刷(和其它的先進印刷應(yīng)用)最關(guān)鍵的一點在于對準精度,因為第二層印刷物必須非常精準地置于第一層之上。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到±15m。這一技術(shù)采用了新型的高分辨率照相機和新的軟件算法,具有自動調(diào)整程序,并可以在印刷初始階段進行額外控制。此外,漿料配方和絲網(wǎng)設(shè)計必須經(jīng)過仔細的共同優(yōu)化,從而最大限度地實現(xiàn)絲網(wǎng)印刷的硬件和工藝效能。 6選擇性發(fā)射極 另外一個新興的應(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重度摻雜的n+區(qū)域,以便進一步降低接觸電阻,從而

8、實現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的提高,見圖8。 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)鍵的一點是后續(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、對準精度、低成本和高速度方面都具有優(yōu)勢,是實現(xiàn)這種電池工藝的理想選擇。 7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

9、池工廠的產(chǎn)量約為1500硅片/小時(每條生產(chǎn)線),業(yè)界的目標(biāo)是在不久的將來實現(xiàn)至少3000硅片/小時。這需要使用非常先進的機械自動化技術(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行,同時,線條的寬度和對齊方式必須保持原有精度甚至更加精確。 硅片越來越薄(因此更加易碎)的趨勢推動了“軟”處理技術(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業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者。擁有數(shù)十年經(jīng)驗的工程師團隊正致力于開發(fā)多項技術(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。 8結(jié)論 晶體硅太陽能電池絲網(wǎng)印刷是一項用于積淀金屬線和其它應(yīng)用的技術(shù),它具有成本效益并且可以進行擴展。最新的絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)具有高度自動化,極高的產(chǎn)量和處理超薄硅片的能力。應(yīng)用材料公司先