1、晶體硅太陽能電池的絲網印刷技術    1導言 生產晶體硅太陽能電池最關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,將光生電子導出電池。這個金屬鍍膜工藝通常由絲網印刷技術來完成將含有金屬的導電漿料透過絲網網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工藝流程中需要進行多次絲網印刷步驟。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)的絲網印刷,見圖1。 多年來,太陽能絲網印刷設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進行多次印刷的能力。這一發展開創了全新的先進應用,如雙重印刷

2、和選擇性發射極金屬鍍膜。Baccini公司在20世紀70年代在微電子領域開發了絲網印刷技術,并在20世紀80年代將這一技術擴展到太陽能金屬鍍膜領域。今天,Baccini公司已成為應用材料公司Baccini集團,以多項先進技術引領業界的發展。 2基本的太陽能絲網印刷 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固定在網框上,放置在硅片上方;絲網封閉了某些區域而其它區域保持開放,以便導電漿料能夠通過。硅片和絲網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其網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之上,用刮刀涂抹漿料,使其均勻填

3、充于網孔之中。刮刀在移動的過程中把漿料通過絲網網孔擠壓到硅片上,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。 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印刷淀積的導線(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生的損壞。在正面(面向太陽的一面),大多數晶體硅太陽能電池的設計都采用非常精細

4、的電路(“手指線”)把有效區域采集到的光生電子傳遞到更大的采集導線“母線”上,接著再傳遞到組件的電路系統中。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的導電材料,而不是非常細的導電柵。同時,能夠將沒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,和外部電路系統相連接,見圖5。 4新一代絲網印刷的應用 如今晶體硅太陽能電池的平均轉化效率是15%,業界的發展目標是

5、將轉化效率提高到20%以上,絲網印刷設備能夠提供多種方法幫助實現這一目標。實現更高的轉化效率可以從以下兩個方面入手:電池工藝(創造出能夠將光能轉化為電能的有效區域)和金屬鍍膜(形成導電金屬線)。 5雙重印刷 電池正面導電線路的一個負面效應是陰影:導線阻擋了少量陽光,使其無法進入電池的有效區域,從而降低了轉化效率,見圖6。為了將這種陰影效應降到最低,導線必須盡可能做到最窄。然而,為了保持足夠的導電性,線條的高度必須增加,這樣才能保持同樣的橫截面積。實現更細,更高導線橫截面的解決方案就是將多條導線重疊印刷。這就意味著絲網印刷機必須能夠高準確度、高重復性地印刷非常細小的線條當前的標準線條小到80m相

6、當于人類一根頭發絲的平均厚度。 現在大多數導線燒結后的尺寸是110-120m寬,12-15m高。這樣尺寸的線條由于陰影效應帶來的轉化效率損失大約為1.29%。要減少這一損耗,導線寬度必須降低;同時,需要增加導線橫截面的高度,以此優化導電性能,見圖7。導線橫截面尺寸從110m寬/12m高轉變為80m寬/30m高之后,潛在的轉化效率絕對增益為0.5%。 應用材料公司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環境下實現了80m寬、平均30m高的導線橫截面尺寸。這種方法減少了大約20%的陰影損失,相應的也降低了電阻系數。通過在現有生產線上增加一臺額外的絲網

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多次印刷工藝。 導線雙重印刷(和其它的先進印刷應用)最關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。應用材料公司Baccini的最新研發成果使第二層印刷物的對齊精度達到±15m。這一技術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,漿料配方和絲網設計必須經過仔細的共同優化,從而最大限度地實現絲網印刷的硬件和工藝效能。 6選擇性發射極 另外一個新興的應用是選擇性發射極技術在絲網印刷的金屬線下精確地制造一個重度摻雜的n+區域,以便進一步降低接觸電阻,從而

8、實現轉化效率的提高,見圖8。 制作這些發射極區域有好幾種技術。每一種都要求高精度和高重復性的多重印刷步驟。此外,發射極區域必須略寬于上方的金屬線:對于100m寬的金屬線來說,最優化的發射極區域寬度為150m左右。很關鍵的一點是后續的金屬線必須非常精確地直接放置在發射極區域之上,否則,就會失去它的效率優勢。應用材料公司Baccini的絲網印刷技術在成熟度、對準精度、低成本和高速度方面都具有優勢,是實現這種電池工藝的理想選擇。 7絲網印刷的生產力 隨著太陽能光伏產業的生產規模越來越大、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、池工廠的產量約為1500硅片/小時(每條生產線),業界的目標是在不久的將來實現至少3000硅片/小時。這需要使用非常先進的機械自動化技術以最小的破片率高速處理硅片。 這就意味在絲網印刷工藝中如絲網放置,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”處理技術的發展,以此保持低破片率和高良率。應用材料公司Baccini以其高速軟處理技術和最低破片率成為享譽業界的領導者。擁有數十年經驗的工程師團隊正致力于開發多項技術創新, 從而保持Baccini絲網印刷設備在超薄硅片處理領域的領導地位。 8結論 晶體硅太陽能電池絲網印刷是一項用于積淀金屬線和其它應用的技術,它具有成本效益并且可以進行擴展。最新的絲網印刷系統具有高度自動化,極高的產量和處理超薄硅片的能力。應用材料公司先