晶體硅太陽能電池的絲網(wǎng)印刷技術

導言
　
　　生產(chǎn)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(wǎng)印刷技術來完成——將含有金屬的導電漿料透過絲網(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?！颈?】

表1：晶體硅太陽能電池的制造需要進行多次絲網(wǎng)印刷步驟。
應用材料公司Baccini產(chǎn)品可以幫助實現(xiàn)綠色框中的步驟。

　　多年來，太陽能絲網(wǎng)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(fā)展開創(chuàng)了全新的先進應用，如雙重印刷和選擇性發(fā)射極金屬鍍膜。Baccini公司在20世紀70年代在微電子領域開發(fā)了絲網(wǎng)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(yè)界的發(fā)展。
　
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，以便導電漿料能夠通過【圖2】。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。

表2:印刷絲網(wǎng)上包含打開和閉合的區(qū)域，通過打開的區(qū)域，導電漿料可以被印刷到硅片上。

　　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【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。

表3：在絲網(wǎng)一端放置導電漿料，用刮刀在將漿料涂抹于絲網(wǎng)，并從網(wǎng)孔中擠壓到硅片上。

　　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。
　
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)印刷淀積的導線【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(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計都采用非常精細的電路（“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80μm）。正因為如此，正面的印刷步驟需要更高的精度和準確性。

圖4：印刷后硅片正面會有大小不同的導線，用來從有效區(qū)域采集電能。

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　　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?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【圖5】。

圖5:背面的母線通過焊接可以實現(xiàn)和外部的連接。

新一代絲網(wǎng)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(yè)界的發(fā)展目標是將轉化效率提高到20%以上，絲網(wǎng)印刷設備能夠提供多種方法幫助實現(xiàn)這一目標。實現(xiàn)更高的轉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化為電能的有效區(qū)域）和金屬鍍膜（形成導電金屬線）。
　
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(qū)域，從而降低了轉化效率【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(xiàn)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(wǎng)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80μm——相當于人類一根頭發(fā)絲的平均厚度。

圖6：導線阻擋光線，使其無法到達電池有效區(qū)域。

　　現(xiàn)在大多數(shù)導線燒結后的尺寸是110-120μm寬，12-15μm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(yōu)化導電性能?！緢D7】。導線橫截面尺寸從110μm寬/12μm高轉變?yōu)?0μm寬/30μm高之后，潛在的轉化效率絕對增益為0.5%。

圖7：降低線條寬度減少了有效區(qū)域的陰影，從而提高潛在轉化效率

　　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(chǎn)環(huán)境下實現(xiàn)了80μm寬、平均30μm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(shù)。通過在現(xiàn)有生產(chǎn)線上增加一臺額外的絲網(wǎng)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(fā)成果使第二層印刷物的對齊精度達到+/‐15μm。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(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。
　
選擇性發(fā)射極
　
　　另外一個新興的應用是選擇性發(fā)射極技術——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，從而實現(xiàn)轉化效率的提高。【圖8】

圖8：選擇性發(fā)射極是一個直接位于金屬線下的重度摻雜區(qū)域

　　制作這些發(fā)射極區(qū)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(fā)射極區(qū)域必須略寬于上方的金屬線：對于100μm寬的金屬線來說，最優(yōu)化的發(fā)射極區(qū)域?qū)挾葹?50μm左右。很關鍵的一點是后續(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。應用材料公司Baccini的絲網(wǎng)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(yōu)勢，是實現(xiàn)這種電池工藝的理想選擇。
　
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?。ㄒ虼烁右姿椋┑内厔萃苿恿?ldquo;軟”處理技術的發(fā)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(yè)界的領導者。擁有數(shù)十年經(jīng)驗的工程師團隊正致力于開發(fā)多項技術創(chuàng)新， 從而保持Baccini絲網(wǎng)印刷設備在超薄硅片處理領域的領導地位。
　
結論
　
　　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用的技術，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。應用材料公司先進的Baccini絲網(wǎng)印刷機以其出色的對準精度和精細導線生產(chǎn)能力幫助業(yè)界實現(xiàn)新興的多重印刷應用，如雙重印刷和選擇性發(fā)射極技術，從而提高電池效率并降低太陽能電力的每瓦成本。