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1、 原 文 原 文 pdf外 文 资 料 译 文硅太阳能电池金属化接触工艺的认识3.1：太阳能电池金属化工艺方法在太阳能电池的制造过程中，太阳能电池金属化过程是一个主要的提高效率，决定成本的步骤 43。为了能够得到高效太阳能电池，高质量、高性能的蒸镀金属金属接触经常在实验室受到应用。但这种技术对要求低成本的商业化生产显得太昂贵了。由于成本原因在太阳能电池生产中，最普遍的金属的金属化技术是丝网印刷银栅接触。另一种与之可相比的技术是埋栅金属接触技术。其过程包括激光刻槽和金属镀层。在下面的分项中将对这些金属化技术做简要的讨论。3.1.1 感光金属化接触在世界上，实验室高效太阳能电池的制造大部分是运用感
2、光金属化接触技术。这能够更精确的对太阳能电池的性能进行精确的预测。在这种技术中，金属硅的接触电阻式相当的低（110 -5/cm2） 44，同时还具有非常低的栅线宽度（-8m）同时还没有烧穿现象。因此，通过此技术制得的电池片具有很高的填充因子和很高的电池特性。可是，由于要用到感光掩蔽模板和金属电子束蒸镀，使这种技术变得相当耗时和昂贵。因此，导致了其它更简便的金属化技术在太阳能电池片的需求中得到研究、发展、和应用。在电池片正面运用的感光金属化接触（PL）技术也应在丝网印刷的背面接触中得到应用，这种丝网印刷被场接触通过运用快速热处理过程得到高效电池片 45。最近，运用感光栅线金属化技术有记录的高效
3、EFG 埋线电池在 Georgic.Tech 被制得，他们在快速热处理工艺下可得到 18.2%17.8%的转换效率 46。世界单晶最高转换效率记录是24.7%47，铸造多晶的记录是 20.3%48，它们都是通过运用感光金属化工艺过程而得到的。3.1.2：埋栅金属接触技术埋栅接触技术在新南威尔士大学得到发展，其目的是为了克服丝网印刷金属化的局限如不能制造好的栅线，不能得到高的高宽比，不能得到好的金属电导率和低的接触电阻 49。接触的凹槽可通过机械加工或激光束来制得。金属化接触是通过 Ni/Cu 化学电镀和烧结来获取的 50。埋栅电池片的优点是传导的栅线被深深地埋入相当深的凹槽，这减少了阻抗损失和
4、接触处的复合，因此带来了高的填充因子，开路电压和短路电流。这种技术同样适用于浅发射极接触，因此降低了表面复合并增强了蓝光的响应。具有表面浅扩散发射结和氧化物层钝化的激光刻槽埋栅电池片已经被制造出来，在 12cm3 的电池片区域中转换效率可在 19.8%以上 51。通过运用机械加工 V 型凹槽和化学电镀 Ni/Cu，大面积多晶硅片的高效（17.5%）埋栅电池片已经被报道出来 52。对埋栅太阳能电池低成本的选择性发射结已经正在研究。选择性发射极的形成可通过丝网印刷具有掺杂剂的浆料得到 53。3.1.3：丝网印刷技术丝网印刷（SP）金属化技术与感光金属化技术和埋栅金属化技术相比生产周期更短，成本更低
5、，同时它也一直是研究的对象。丝网印刷设备持久耐用，简单，成本低，并且丝网印刷技术很容易实现自动化，生产量已经达到每小时生产 1000 片。生产过程仅产生少量的化学物质的浪费且对环境无大的影响，生产设备也易实现模块化 54。对于大规模太阳能电池片的生产丝网印刷是一个很好的降低成本的选择。同时在生产中填充因子 FF0.7 的高质量的金属接触也可实现。图 3.1 展示了丝网印刷过程的示意图。在实际的印刷过程中，刮刀使浆料运动且透过丝网。这个过程使浆料的粘度降低，这使得浆料能通过图案部分到达基台。随着刮刀的经过，丝网便与基台剥离开来，此时浆料的粘度也变为正常。影响丝网剥离台面的因素有浆料和它的粘度，印
6、刷的面积，丝网的张力，刮刀的速度和台面与丝网的间距。丝网是具有高张力的交错编织的筛网，它通过一些有机乳胶来确定印刷图案。丝网印刷的不足之处是金属浆料的成本问题，因为高纯的银金属颗粒的微观大小是有要求的，同时对太阳能电池的生产过程浆料的组成也需专门的设计。虽然这样由于以上提到的优点，丝网印刷在硅太阳能电池的金属化技术中仍是应用最广泛的。太阳能电池片的金属化接触必须满足以下特定要求 55：1， 对 Si 来说要有低的接触电阻2， 要有低的栅线阻抗3， 对衬底有很小的影响4， 好的栅线清晰度5， 好的精度6， 好的粘附力7， 较低的成本在硅片的扩散层和减反射膜上的栅线浆料的烧结与焊接技术很相似，都要
7、求能够润湿表面并不出现分层现象。图 3.1 丝网印刷过程3.1.3.1：丝网印刷浆料的组成浆料有四种不同的物质混合而成：金属粉末，玻璃釉料和改性剂，溶剂、不易挥发的聚合物或树脂 56。这些成分的作用如下：1:功能成分，它包括金属粉料（例如，Ag，印刷前电极的导电浆料） ，为电流提供传导。2：粘合物质，它能使浆料粘附在基衬上，溶解金属粉料并黏贴在衬底上或高温烧结中提供粘附力。同时它也会对烧结动力有影响。它也通常成为玻璃釉料，它是金属氧化物和熔融二氧化硅的混合物而形成的一不定形的玻璃相。在加入浆料之前，这种玻璃相物质将被研磨成薄粉或细粉。通常，其中的主要氧化物是最重要的原料成分。对一般的烧结过程它
8、的加入量在 2%5%之间，其它的成分：铋（Bi ） ，硼（B ） ，铝（Al） ，铜（Cu）和钛（Ti） 。磷（P）的加入可以提高与 n 型发射极的接触。3：载体相，它的作用是为粉料提供载体，其包括一些挥发性的溶剂和不易挥发的聚合物。这些成分在烧结之前的烘干和燃烧环节将被蒸发掉。载体相也会对浆料在丝网印刷过程中浆料在衬底上的假塑性和粘附性有影响。4：改性剂，它们是厂家所特有的且加入少量的添加剂。这些添加剂会影响到浆料烧结前后的一些特性。这些改性剂通常是一些金属元素的混合物，如：Ge， Bi，Pb， Li，Cd，In，和 Zn57。典型的前电极浆料含有大约 70%的 Ag。银粉是一些 12m 具
9、有非常好的球形颗粒或是在大约 5m 的片状物，通常这些片状粉料只有很少的量但它们对烧结过程中是否能产生好的接触和银栅线是否烧穿都有很大的影响。细栅线浆料的流变性决定于它的组成和原料的一些特性。丝网印刷过程要求印刷后浆料的粘度必须在一定的范围内，这将由浆料的流变性所决定浆料中一些无机颗粒的流变性。大多数浆料的配方一般包括不止一种不同特性的固体颗粒，例如颗粒的大小，分布，和表面积。对于一个稀释的固体颗粒分散体系，根据爱因斯坦关系式悬浮体的粘度随着固体相分数的增加呈线性增长，方程式如下 58：Vel = Vs/Vo = 1+2.5 （3-1）式中，Vs：悬浮颗粒的粘度，Vo：悬浮介质（溶剂）的粘度，
10、：颗粒所占的体积分数。在高的颗粒浓度下，悬浮颗粒的粘度将会比上式所计算的增长的要快你，这是因为颗粒之间也有相互作用。随着固体相体积分数的进一步增加，将会达到这样一个点：流动性将不会发生。此时悬浮溶液的粘度将会达到一个极大点，这一点称为最大填充率，它由颗粒的外形，大小，分布等因素决定 58。浆料需要有足够的稠度，以便在印刷过程中产生连续的细栅线，更进一步说，为了能够产生连续的栅线，浆料的粘度在印刷过程中应足够的低，这是为了确保浆料能够连续地透过丝网开口处转移到基衬底上。因此，浆料必须具有一定的假塑性。例如粘度应当随着剪切应力的增加而减小，这也被称为触变性。也意味着，在一定时间段内浆料应当保持足够
11、低的粘度。3.2.3.2丝网的制造为了得到所需要的金属栅线厚宽比和精准度，丝网的设计显得非常重要。因此知道制造丝网中包括些什么事非常重要的。首先，用于印刷的丝网是在网板上通过拉伸一个不锈钢丝编织的网而制成的，网框通常是由铝制成的且有不同的规格（12in12in，8in8in，或其它） ，丝网附着在网框上且保持有一定的张力。 （图 3.2）之后用一有机感光乳剂涂满整个丝网以填充所有的开口区域。这种乳剂是一基本的有机材料，它是作为一种在丝网与衬底间的填充材料。这种乳剂也被用来确定印刷的图案。首先，在衬底一侧沉积一层不定形的感光层，并且将其压入丝网。在乳层上面是一相对透明的（图案部分是暗的）同时有
12、UV 日光灯进行照射。暴露的部分变得坚硬，而暗的部分即栅线部分将被清洗掉。下一步需要印刷的部分将会在丝网上构成图案。乳剂的厚度在提高金属栅线的高度上起着一个非常重要的作用，合适的感光膜厚度大约为 8m59，处于感光层占丝网间距的体积大小决定了沉积在硅片上浆料的最大量。通过使用较细的丝线和增大丝网的分割，沉积的不定形浆料可以得到提高且浆料更易透过丝网。可是绷网张力的增加将会很大的减少网版的使用寿命和使用时所设定的最大刮刀压力。图 3.2 较好线径（2-mil 线宽）丝网的感光乳胶层和目数（360）丝网通常有一系列的标准目数如 290 目，325 目，400 目和 500 目。丝网直径分布在 0.
13、790.9m 之间，为了得到较好的精准度，对于正栅相印刷丝网夹角为 22.5，然而对于铝被场为 4560。为了尽可能减少印刷栅线宽度和网版成本丝网的目数和线型允许进行适当的配合以达到最好的浆料流通。丝网目数是指在印刷丝网上每英寸所具有的丝线数目。3.1.3.3 丝网印刷过程在实际的印刷过程中是刮刀使浆料在丝网上通过。这个过程中将会使浆料粘度下降并使浆料从图案部分转移到基衬上 59。当刮刀通过，丝网将与基衬剥离开来同时浆料的粘度会恢复正常。影响丝网与基衬的剥离有这几个因素：浆料粘度，印刷图案区域大小，网版张力，刮刀速度，丝网间距。通过刮刀将整个丝网印刷完成后，当感光乳胶不在时为了尽可能是使浆料最
14、小范围的流动发生，浆料的粘度必须要高些。用于太阳能的丝网印刷的浆料都具有假塑性，因此，在高剪切应力下将会有底的粘度，其它情况下应具有高的粘度，在印刷过程中高剪切应力可使浆料在大于 25cm/s 的速度下进行印刷来获得 59，同时还要使用一高的丝网目数。图 3.3 表述了对于不同的刮刀速度丝网目数相对于剪切率的变化。图 3.3 浆料的假塑性流变图 59在印刷过程中需要设定的一些重要参数包括如下：1， 丝网间距2， 刮刀压力3， 刮刀速度丝网间距决定了当刮刀移动时丝网所上升的到得位置。所施加上面的作用力使浆料粘度下降且使浆料从丝网中透过。如果丝网间距非常小，浆料将不会透过丝网，换句话说，如果间距太
15、大，刮刀必须施加的压力足够大才能使丝网下降接触到电池片。同时这样会快速降低网版的张力，因此会造成网版的使用寿命降低。刮条是由橡胶制的且通常是四边形，为了能使锋利的角边与丝网接触，安装时应与丝网成 45角接触（如图 3.1） 。刮条与丝网必须平行于硅片安装。刮条不能太软或太硬，如果太软它将会透过丝网且使浆料处于栅线的设计之外。如果刮条太硬，它将不能适应硅片表面的粗糙并且浆料不能均匀的提供或者更糟，会导致印刷过程中使电池片破裂。刮刀的速度决定了沉积浆料的多少。所设定的刮刀速度决定了沉积浆料的多少。所设定的刮刀速度决定了金属层浆料的触变性和能够沉积浆料的多少。如果速度太快，浆料仅有很少的时间来填充丝
16、网中的空隙，因此将会导致印刷线条的不连续，同时在速度大于 25cm/s 时，浆料的粘度会有很大的降低，这使得它又易填充开口 61。刮刀必须提供一个向下的压力以弥补丝网间距并使浆料通过开口。对于有较厚的感光膜网版，刮刀压力需要相对较高，刮条压力并不需要太高，太高会导致浆料在开口处被刮走，也会使感光膜受到压缩从而降低了网版的使用寿命，同时也会造成硅片的崩裂。换句话说，如果刮条压力太低，浆料不会被连续的通过丝网，此时浆料会变干，这便导致了在印刷过程中的堵塞。这时丝网需要清理，整个印刷过程需要重新开始。这现象对于高产出的商业丝网印刷是不想得到的。3.1.3.4高精度的丝网印刷这一部分将说明在丝网印刷中为获得高精度的印刷效果都有哪些不同因素的影响。这些因素效果包括丝网的类型，丝经，沉积浆料的成分，感光膜的厚度（感光填充物）和印刷参数。在丝网印刷过程中好的印刷精度可通过最优化不同的因素来获得。
