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1、体硅太阳能电池的丝网印刷技术 1 导言 应用材料 ( 中国) 有限公司供稿 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 r 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
2、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。B a c c i n i 公司在 2 0世纪 7 0年代在微电子领域开发了丝网印 刷技术，并在 2 0世纪 8 0年代将这一技术扩展到太 阳能金属镀膜领域 。今天 ， B a c c i n i 公司已成为应用 材料公司 B a c c i n i 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 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
3、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 。 图 2印刷丝网上包含打开和闭合的区域， 通过打开的 区域 ， 导电浆料可以被 I p s EJ 到硅片上 图 1晶体硅太 阳能 电池的制造需要进行多次丝 网印刷步骤 。 应用材料公司 B a c c i n i 产品可以帮助实现绿色框中的步骤。 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
4、 h t t p ： www c i c ma g c o m 图 3在丝网一端放置导 电浆料 ， 用刮刀在将 浆料涂抹于丝网 ， 并从 网子 L 中挤压到硅 片上 。 放人烘干炉 ， 使导 电浆料凝 固。接着 ， 硅片被送人另 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
5、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 8 O I n) 。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
6、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 h t t p- www c fc ma g c o m 图 4 印刷后硅 片正面会有大小不 同的导线 ， 用来从有效 区域采集 电能 。 图 5背面的母线通过焊接可以实现和外部的连接 1 5 ，业界的发展 目标是将转化效率提高到 2 0 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人
7、 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 8 0 一相当 于人类一根头发丝的平均
8、厚度。 现在大多数导线烧结后的尺寸是 1 1 0 1 2 0 p , m 宽， 1 2 1 5 m高。这样尺寸的线条 由于阴影效应带 螂 嘲 图 6导线阻挡光线 ， 使其无法到达电池有效区域 。 图 7降低线条宽度减 少了有效 区域的阴影， 从而提高潜在转化效率 。 来的转化效率损失大约为 1 2 9 。 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 1 1 0 m宽 1 2 m高转变 为 8 0 m宽 3 0 m高之 后 ， 潜在的转化效率绝对增益为 0 5 。 应用材料公 司 B a c c i n
9、 i 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 8 0 m宽 、 平均 3 O m高 的导线横截面尺寸。这种方法减少 了大约 2 0 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 B a c c i n i 的 最新研发成果使第二层印刷物 的对齐精度达到 1 5 m。这一技术采用 了新
10、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 。 1 00 p m 图 8选择性发射极 是一个直接位于金属线 的重度掺杂区域 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
11、宽于上方 的金属线 ：对于 1 0 0 I-L m宽 的金属线来说 ， 最优化的发射极区域宽度为 1 5 0 t x m 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 B a c c i n i 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。 T P m m l T l i Q! m 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
12、越来 越重要。 目 前 ， 晶体硅太阳能电池工厂的产量约为 1 5 0 0 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 3 0 0 0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 B a c c i n i 以其高速软处理技术和最 低
13、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 B a c c i n i 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 B a c c i n i 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 。 四 L ， 一 ， - 一 ： 一
