太陽能晶硅電池片印刷工藝及工藝物化初步研究

趙立華，易輝，費玖海，呂磊，張建亮，任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

1 太陽能電池原理和分類

1.1 按技術成熟程度分類

1)晶硅電池：單晶硅，多晶硅。

2)薄膜電池：a-Si，CIGS，CdTe，球形電池，多晶硅薄膜，有機電池。

優點：資源豐富，環境安全；電池/組件一次完成，生產程序簡單。

缺點：效率低，不穩定—光衰減。

3)新型概念電池：量子點、量子阱電池，迭層電池，中間帶電池，雜質帶電池，a-Si/C-Si異質結，偶極子天線電池，熱載流子電池(也稱第三代電池)。

1.2 晶硅電池的技術發展

單晶硅電池在20世紀70年代初引入地面應用。在石油危機推動下，太陽能電池開始了一個蓬勃發展時期，不但出現了許多新型電池，而且引入許多新技術：鈍化技術、陷光技術、背表面場(BSF)技術、異質結太陽能電池技術、聚光電池等。

多晶硅電池也有長足發展，先進的技術有：采用磷吸雜和雙層減反射膜技術、PERL電池技術、PECVD/SiN+表面織構化等。

1.3 向高效化和薄片化方向發展

光電轉化效率提高是各種太陽能電池永遠的追求，從實驗室到工業化生產，在不斷的進步。如2009年工業界達到17%，截至到目前以18.5%左右的效率成為主流。隨著材料和工藝的不斷進步，轉換效率會不斷提高。

與此同時，薄片化也是必須的，實現的技術有兩種。硅片減薄：硅片是晶硅電池成本構成中的主要部分。硅—間接半導體，理論上100μm可以吸收全部太陽光。電池制造工藝—硅片厚度下限150μm。降低硅片厚度是結構電池降低成本的重要技術方向之一。帶硅技術：直接拉制硅片，免去切片損失。

2 絲網印刷工藝

晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖1。

圖1 硅太陽能電池制造流程

制作上下電極：用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

2.1 絲網印刷原理

圖2為絲網印刷原理示意圖，絲網印刷由五大要素構成，即：絲網、刮刀、漿料、工作臺以及基片。

圖2 絲網印刷原理示意圖

刮刀的作用是將漿料以一定的速度和角度將漿料壓入絲網的漏孔中，刮刀在印刷時對絲網保持一定的壓力，刃口壓力在10～15N/cm之間。

刮刀材料一般為聚胺脂橡膠或氟化橡膠，硬度范圍為邵氏A60°～A90°，刮板條的硬度越低，印刷圖形的厚度越大，刮刀材料必須耐磨，刃口有很好的直線性，保持與絲網的全接觸。

印刷速度與印刷圖形和印刷用漿料的黏度有關，速度越高，刮刀帶動漿料進入絲網漏孔的時間越短，漿料的填充性會差如果印刷線條精細，速度應低一些，正銀工序中柵線的線寬在0.1～0.12mm，一般速度設定在200～250mm/s，背鋁和背銀工序因印刷線條寬速度設定在300mm/s。刮刀角度的設定與漿料有關；漿料你黏度值越高，流動性越差，需要刮刀對漿料向下的壓力越大，刮刀角度小；刮刀角度調節范圍為45°～75°。

絲網的目數及絲徑決定可印刷圖形的寬度；對于背銀和背鋁這兩道工序印刷由于實際印刷圖形不復雜，所以對絲網要求不高，主要考慮印刷厚度即可，一般選用250～280目即可滿足要求；正銀印刷是對印刷要求最高的一道印刷工序，主要是保證柵線的寬度要求及印刷膜厚的均勻一致性，一般選用300～330目。

絲網的張力設定：絲網的張力與絲網的材料與目數有關，不同材料、不同絲徑的絲網承受的張力不同，目數越低，絲徑越粗，絲網承受的張力越大。絲網和感光膜的厚度決定印刷后圖形的厚度，即印后線條的厚度；絲網目數越低，絲經越粗，印刷后的漿料層就高一些，所用絲網目數較高時，則印刷后漿料層就低一些。

漿料是由功能組份、粘結組份、和有機載體組成的一種流體，在背銀，背鋁及正銀工序中所用漿料為導體漿料，漿料的技術性能指標是指漿料中功能成分經過烘干和燒結后與電池片的歐姆特性，其影響電池片的電性能指標如開路電壓，短路電流，并聯電阻，串聯電阻，轉換率等技術指標。

表1為美國FERRO公司的相關工序印刷漿料的特性。

表1 相關工序印刷漿料特性

2.2 工序對印刷電極的要求/背面銀/鋁電極印刷

背銀印刷在電池片的正極面(P區)用銀鋁漿料印刷兩條電極導線（寬約3～4mm）作為電池片的電極。背鋁印刷在電池片的正極面采用鋁漿料印刷整面(除背銀電極外)。

圖3 背面銀/鋁電極印刷

2.3 工序對印刷電極的要求/正面銀電極印刷

正銀印刷在電池片的正面（噴涂減反射膜的面）同時用銀漿料印刷一排間隔均勻的柵線和兩條電極，在工藝上要求柵線間距約3mm，寬度約0.10mm。

3 太陽能電池印刷質量分析

現在以某大型電池片廠商的工藝為例，對電池印刷工藝的質量特點和缺陷進行分析。

3.1 晶硅電池片的質量檢驗（印刷）

檢驗項目：顏色色差（變更）；絨面色斑（變更）；亮斑；裂紋、裂痕及針孔；彎曲度（變更）；崩邊、缺口、掉角；印刷偏移（變更）；TTV；鋁珠、鋁苞（變更）；印刷圖形（變更）；漏漿；外形尺寸。印刷圖形見圖4。

圖4 印刷圖形

3.2 印刷偏移

A級：位移偏差≤0.5mm；角度偏差≤0.3°

B級：0.5mm＜位移偏差≤1.0mm；角度偏差≤0.3°

C級：位移偏差＞1.0mm；角度偏差＞0.3°

3.3 TTV(即單片電池片最厚與最薄的誤差)

A級：TTV的變化＜電池片標稱厚度的15%；B級：TTV的變化＜電池片標稱厚度的25%；C級：TTV的變化≥電池片標稱厚度的25%。

3.4 印刷圖形級別判定

主柵線：A級：主柵粗細均勻，不允許有斷線、缺失、扭曲以及突出。B級主柵線粗細均勻，允許有輕微斷線、缺失面積不超過主柵線總面積的5%，扭曲以及突出不超出正常位置的0.2mm；不允許有變色現象。C級：主柵線：斷線、缺失面積不超過主柵線總面積的20%。

背電場：A級：背電場完整、厚薄均勻，不允許有缺失。B級：允許有缺失，缺失面積不超過背電場總面積的5%；變色面積不超過背電場總面積的15%。C級：缺失面積大于背電場總面積的5%，變色面積不超過背電場總面積的50%。

STP印刷：A級：標識若有虛印、印粗現象（字母線寬度應小于0.22mm)，但仍可辨識時則作為A級。若標識存在缺印但仍可辨識時，按字母高度1/3判定。B級：標識若有虛印、印粗現象，當字母線寬度大于0.22mm，但仍可辨識，如實心“P”若標識存在缺印但仍可辨識時，按字母高度1/3判定。C級：若字母變形或無法辨識時直接降為C級。見圖5。

圖形異常原因和解決方案如表2所示。

圖5 印刷圖形示例

表2 圖形異常原因和解決方案

4 設備工藝物化初探

作為設備制造商來講，要想做出好用、實用、耐用的專用設備，就需要摸清楚設備研制的規律和客戶需求的特點。有的用戶追求設備精度，有的用戶追求設備的生產效率和工藝適應性，有的客戶追求滿足基本功能基礎上的性價比。同時，半導體設備的特點就是工藝高度物化，設備制造商越來越多地承擔著器件單項工藝的開發工作，并不斷地將其物化到設備系統當中去。因此，需要高度重視產品應用工藝的研究，達到為用戶提供系統解決方案的目的，最終實現雙方的利益最大化。

4.1 提高自動化程度和生產效率

采用直線電機和伺服電機驅動，精密導軌絲杠傳動，光柵尺反饋的閉環控制，定位準確。x、y、θ三軸自動對位，對位精度高。工作臺需要實現料片可靠吸附和印刷圖形的自動對準等工藝要求，是保證精密印刷的關鍵部件。必須具有x、y、θ三向的運動調節，對大面積基片的吸附和具備透光性的承片臺。x、y向運動通過直線導軌滑塊實現導向，通過線性電機加測長光柵尺實現快速調整和準確定位。θ向是通過直線電機驅動和圓弧形光柵測量來實現旋轉和定位。

另外，針對全自動印刷生產線，轉臺式的工作臺結構使運行效率提升了3倍，滿足了當前工業化大生產要求。

4.2 電機驅動印刷頭實現壓力精密控制和行程可調

針對不同的印刷產品和生產要求，需要設備至少具備4種印刷方式：

（1）單向印刷：印刷刮板只往一個方向印刷料片。單向印刷，工作速度快，效率高，但質量可能不如雙向印刷。

（2）雙向印刷：印刷刮板前后兩個方向往復印刷料片一次。

（3）快速印刷：印刷刮板前向印刷料片，工作臺返回時，回膏刮板涂墨。

（4）標準印刷：回膏刮板涂墨，然后印刷刮板向前印刷料片。

印刷頭采用伺服電機驅動，精密直線導軌導向，印刷過程勻速直線運動，速度可調，刮板角度可調，印刷壓力可調，同時采用壓力分級補償技術，使印刷壓力恒定。網框升降機構

是由直流伺服電機驅動同步帶及帶輪閉環控制4根絲杠實現升降。調節導向柱和鎖母，即能保證網框與工作臺平行。工作時，關鍵在于保證網框與刮板和網框與工作臺的平行度，以及網框圖形與料片的正交性。

4.3 高精度自動定位

隨著電池片工藝的不斷改進，對設備提出了越來越高的定位精度要求。

定位系統有兩種定位模式，初始絲網定位和運行中的料片定位。根據兩個CCD對角線上的兩個定位標示圖像，得到其在同一坐標系中的位置，進而通過工作臺和網框的移動將料片的位置與絲網的兩個定位標志圖像擬合，完成系統定位。圖像識別軟件主要包含三大模塊：模板訓練模塊、圖像識別模塊和數據庫支持模塊。

4.4 設備模塊化強

大多高端自動化印刷設備，采用網絡控制，實現各伺服單元的模塊化，維護方便；同時采用先進的驅動器（美國Copley等）完成3個控制環的精密調整，穩定可靠。

直線電機是一種將電能直接轉化成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。由于采用了“零傳動”，從而較傳統傳動方式有明顯優勢，如結構簡單、無接觸、無磨損、噪音低、速度快、精度高等，因而能夠滿足進給系統伺服性能的更高要求，即更高驅動能力以及更精確定位精度。

4.5 新印刷工藝—重復印刷提高漿料的寬厚比

為了提高太陽能電池的轉換效率，一種方法是重復印刷柵線，提高印刷金屬線寬比。因為導電金屬線擋住了光線，使其無法照射到太陽能電池的有效區域上。比如，若將金屬線寬度和高度從120μm和12μm調整到70μm和30μm，那么轉化效率就能實現0.5%的提升。實現方法是在現有的生產線上增加一臺絲網印刷機和烘干爐，其中要注意的問題是二次印刷的套印精度需要精確控制，同時要仔細地優化漿料配置和絲網設計，以求最大限度提高絲網印刷硬件和工藝效能。另外SE電池和MWT電池也是近期的發展方向，都對二次印刷提出了要求，不過從設備角度講，只是對圖像識別系統進行改造而已，比較簡單。

4.6 柔性傳輸、改進印刷漿料

提高整線生產效率對太陽能電池大規模生產至關重要，同時還要減少碎片率。印刷線的機械手傳輸動作簡潔、直觀，但畢竟是直接接觸料片，傳送帶傳遞方式由于不是取放式結構，所以可進一步降低碎片率。

太陽能電池片光電轉換效率受各種因素的影響，印刷漿料也是一個重要因素，不斷改進的漿料也是提高效率的重要方面。另外，尤其是銀漿大部分是進口，成本高，所以國內廠家也在銀漿方面不斷投入研發，滿足工藝要求。

5 結 論

隨著各種太陽能電池工藝不斷涌現，以及生產線對光電轉換效率提升的要求，圖形印刷的要求也越來越高，對自動定位的要求也較高。

作為印刷制造商來講，要想做出好用、實用、耐用的專用設備，就需要摸清楚該設備研制的規律和客戶需求的特點，既能滿足用戶的指標要求，同時滿足其工藝要求。因此，把用戶的工藝完全物化為印刷機的各個模塊功能，同時根據用戶產品的質檢結果進一步完善太陽能電池工藝和提升設備。

：

[1]魏俊民，周硯江.機電一體化系統設計[M].北京：中國紡織工業出版社，1998.

[2]胡裕德，馬樂生.伺服系統原理和設計[M].北京：北京理工大學出版社，1993.

[3]李淑艷.聚光太陽能系統與項目開發管理工具[J].電子工業專用設備，2010（5）：1-4.