晶体硅太阳能电池的丝网印刷技术

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1导言

生产晶体硅太阳能电池最关键的步骤之一是在硅片的正面和背面制造非常精细的电路,将光生电子导出电池。这个金属镀膜工艺通常由丝网印刷技术来完成――将含有金属的导电浆料透过丝网网孔压印在硅片上形成电路或电极。典型的晶体硅太阳能电池从头到尾整个生产工艺流程中需要进行多次丝网印刷步骤。通常,有两种不同的工艺分别用于电池正面(接触线和母线)和背面(电极/钝化和母线)的丝网印刷,见图1。

多年来,太阳能丝网印刷设备在精度和自动化方面有了很大进步,具备了在微米级尺寸上重复进行多次印刷的能力。这一发展开创了全新的先进应用,如双重印刷和选择性发射极金属镀膜。Baccini公司在20世纪70年代在微电子领域开发了丝网印刷技术,并在20世纪80年代将这一技术扩展到太阳能金属镀膜领域。今天,Baccini公司已成为应用材料公司Baccini集团,以多项先进技术引领业界的发展。

2基本的太阳能丝网印刷

印刷过程从硅片放置到印刷台上开始。非常精细的印刷丝网固定在网框上,放置在硅片上方;丝网封闭了某些区域而其它区域保持开放,以便导电浆料能够通过。硅片和丝网的距离要严格地控制(称为印刷间隙)。由于正面需要更加纤细的金属线,因此用于正面印刷的丝网其网格通常比用于背面印刷的要细小得多。

把适量的浆料放置于丝网之上,用刮刀涂抹浆料,使其均匀填充于网孔之中。刮刀在移动的过程中把浆料通过丝网网孔挤压到硅片上,见图3。这一过程的温度、压力、速度和其他变量都必须严格控制。

每次印刷步骤后,硅片被放入烘干炉,使导电浆料凝固。接着,硅片被送入另一个不同的印刷机,在其正面或背面印制更多的线路。所有印刷步骤完成后,将硅片放入高温炉里烧结。

3硅片正面和背面的印刷

每块太阳能电池的正面和背面都有通过丝网印刷淀积的导线(见图4),它们的功能是不同的。正面的线路比背面的更细;有些制造商会先印刷背面的导电线,然后将硅片翻过来再印刷正面的线路,从而最大程度地降低在加工过程中可能产生的损坏。在正面(面向太阳的一面),大多数晶体硅太阳能电池的设计都采用非常精细的电路(“手指线”)把有效区域采集到的光生电子传递到更大的采集导线――“母线”上,接着再传递到组件的电路系统中。正面的手指线要比背面的线路细得多(窄到80μm)。正因为如此,正面的印刷步骤需要更高的精度和准确性。

硅片的背面和正面的印刷要求是不同的,技术上也不那么严格。背面印刷的第一步工序是淀积一层以铝为基础的导电材料,而不是非常细的导电栅。同时,能够将没有捕捉到的光反射回电池上。这一层也能“钝化”太阳能电池,封闭多余分子路径,避免流动电子被这些空隙所捕捉。背面印刷的第二步是制造母线,和外部电路系统相连接,见图5。

4新一代丝网印刷的应用

如今晶体硅太阳能电池的平均转化效率是15%,业界的发展目标是将转化效率提高到20%以上,丝网印刷设备能够提供多种方法帮助实现这一目标。实现更高的转化效率可以从以下两个方面入手:电池工艺(创造出能够将光能转化为电能的有效区域)和金属镀膜(形成导电金属线)。

5双重印刷

电池正面导电线路的一个负面效应是阴影:导线阻挡了少量阳光,使其无法进入电池的有效区域,从而降低了转化效率,见图6。为了将这种阴影效应降到最低,导线必须尽可能做到最窄。然而,为了保持足够的导电性,线条的高度必须增加,这样才能保持同样的横截面积。实现更细,更高导线横截面的解决方案就是将多条导线重叠印刷。这就意味着丝网印刷机必须能够高准确度、高重复性地印刷非常细小的线条――当前的标准线条小到80μm――相当于人类一根头发丝的平均厚度。

现在大多数导线烧结后的尺寸是110-120μm宽,12-15μm高。这样尺寸的线条由于阴影效应带来的转化效率损失大约为1.29%。要减少这一损耗,导线宽度必须降低;同时,需要增加导线横截面的高度,以此优化导电性能,见图7。导线横截面尺寸从110μm宽/12μm高转变为80μm宽/30μm高之后,潜在的转化效率绝对增益为0.5%。

应用材料公司Baccini的方法是用两台不同的印刷机将两种材料进行重叠印刷。这一最新的工艺在实际生产环境下实现了80μm宽、平均30μm高的导线横截面尺寸。这种方法减少了大约20%的阴影损失,相应的也降低了电阻系数。通过在现有生产线上增加一台额外的丝网印刷机和烘干炉,就能非常方便地以一种具有成本效益的方式实现多次印刷工艺。

导线双重印刷(和其它的先进印刷应用)最关键的一点在于对准精度,因为第二层印刷物必须非常精准地置于第一层之上。应用材料公司Baccini的最新研发成果使第二层印刷物的对齐精度达到±15μm。这一技术采用了新型的高分辨率照相机和新的软件算法,具有自动调整程序,并可以在印刷初始阶段进行额外控制。此外,浆料配方和丝网设计必须经过仔细的共同优化,从而最大限度地实现丝网印刷的硬件和工艺效能。

6选择性发射极

另外一个新兴的应用是选择性发射极技术――在丝网印刷的金属线下精确地制造一个重度掺杂的n+区域,以便进一步降低接触电阻,从而实现转化效率的提高,见图8。

制作这些发射极区域有好几种技术。每一种都要求高精度和高重复性的多重印刷步骤。此外,发射极区域必须略宽于上方的金属线:对于100μm宽的金属线来说,最优化的发射极区域宽度为150μm左右。很关键的一点是后续的金属线必须非常精确地直接放置在发射极区域之上,否则,就会失去它的效率优势。应用材料公司Baccini的丝网印刷技术在成熟度、对准精度、低成本和高速度方面都具有优势,是实现这种电池工艺的理想选择。

7丝网印刷的生产力

随着太阳能光伏产业的生产规模越来越大、工艺步骤越来越多(以获取更高效率),很多问题――包括高产量和处理更薄硅片的能力等――变得越来越重要。

目前,晶体硅太阳能电池工厂的产量约为1500硅片/小时(每条生产线),业界的目标是在不久的将来实现至少3000硅片/小时。这需要使用非常先进的机械自动化技术以最小的破片率高速处理硅片。

这就意味在丝网印刷工艺中如丝网放置,浆料涂布和刮刀移动都需要以更快的速度进行,同时,线条的宽度和对齐方式必须保持原有精度甚至更加精确。

硅片越来越薄(因此更加易碎)的趋势推动了“软”处理技术的发展,以此保持低破片率和高良率。应用材料公司Baccini以其高速软处理技术和最低破片率成为享誉业界的领导者。拥有数十年经验的工程师团队正致力于开发多项技术创新, 从而保持Baccini丝网印刷设备在超薄硅片处理领域的领导地位。

8结论

晶体硅太阳能电池丝网印刷是一项用于积淀金属线和其它应用的技术,它具有成本效益并且可以进行扩展。最新的丝网印刷系统具有高度自动化,极高的产量和处理超薄硅片的能力。应用材料公司先进的Baccini丝网印刷机以其出色的对准精度和精细导线生产能力帮助业界实现新兴的多重印刷应用,如双重印刷和选择性发射极技术,从而提高电池效率并降低太阳能电力的每瓦成本。

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