選擇性電極型晶硅太陽能電池金屬柵線印刷位置精度的檢測方法

段湘寧，周 兵，沈 欣，于國豐

（1.遼寧省葫蘆島市信息中心，125000 遼寧葫蘆島；2.浙江省鴻禧光伏科技股份有限公司，314206 浙江平湖；3.德國JRT光伏技術有限公司，D-79364 德國Malterdingen）

選擇性電極型晶硅太陽能電池通過提高柵線印刷區載流子擴散濃度來降低金屬柵線與電池片的接觸電阻，從而提高電池片光電轉換效率，其工藝關鍵點在于金屬柵線印刷位置與重擴區的重合精度。目前量產技術已經可以識別并參照重擴區位置進行柵線印刷，而后，由于無法在線準確測量柵線相對于重擴區的實際印刷位置，因此無法實現絲網印刷設備圖形定位的閉環控制。

1 選擇性電極型晶硅太陽能電池以及目前量產中的困境

晶硅太陽能電池中的電子空穴對在光子作用下由穩態進入激發態，部分激發狀態下的電子空穴對分離為電子和空穴，在外部電路導通的情況下形成電流回路，實現光能到電能的轉換。選擇性電極型晶硅太陽能電池受光面30的高方阻特性可以提高光電轉換率，而柵線印刷區域的低方阻重擴區31具有更好的導電性能，因此選擇性電極型晶硅太陽能電池具有更好的綜合光電轉換效率。

目前產業化量產中采用的選擇性電極制備工藝主要有如下幾種：

1.1 在擴散工藝前采用噴蠟技術對預定的柵線印刷區進行選擇性噴涂，對于P型太陽能電池而言，蠟液中攜帶有高濃度n型施主雜質，并將在擴散工藝中向柵線印刷區摻雜高濃度載流子，實現對柵線印刷區的選擇性重擴散。

1.2 對電池片整個正表面進行低方阻重擴散后，采用絲網印刷工藝對受光面區域印刷刻蝕漿料。在刻蝕漿料對受光面表層的刻蝕作用下，新的受光面將具有隨著刻蝕深度而降低的擴散濃度。借助網板圖形的保護，柵線印刷區沒有印刷刻蝕漿料，因此將保留擴散工藝形成的重擴散濃度。

1.3 對電池片整個正表面進行高方阻低擴散后，采用激光刻蝕的方法將外部高濃度載流子擴散到柵線印刷區域，而受光面高方阻特性維持不變。

無論采用何種方法實現柵線印刷區31的低方阻重擴散，后道工藝中形成的減反射膜20都會在光學角度降低重擴區31與低擴散區30的可識別性，因而目前普遍使用中的絲網印刷設備不能有效識別重擴區31的實際位置，金屬柵線絲網印刷工藝只能以工藝邊或中心點為參照基準進行對位印刷，并且不得不繼續沿用前道重擴區形成工藝中采用的硅片定位方法，同時在金屬柵線印刷定位過程中假定重擴散柵線印刷區嚴格對應預定位置。為提高重擴散柵線印刷區的位置精確性，前道重擴區形成工藝設備必須增加成本投入提升定位精度等級。

實際量產中，從前道重擴散柵線印刷區的形成、去磷硅玻璃、減反射膜制備到后道金屬柵線的絲網印刷，各個工藝之間以流水線工作模式相互銜接卻又彼此獨立，因此一旦前道重擴區形成工藝中的參考工藝邊在某個中間工藝中發生混亂，后道絲網印刷工藝將以“錯誤”的參考邊為基準進行柵線印刷，其結果是金屬柵線的“盲印”。準方片或菱形片以及電池片的尺寸公差也將使絲網印刷定位更加復雜。因此，以工藝邊或中心點為基準的定位方式中，前后道工藝具有高度的依賴性，前道重擴區形成工藝中的定位誤差也會與后道金屬柵線絲網印刷工藝中的定位誤差一起累計成為柵線與重擴區之間的重合性偏差。

隨著金屬柵線10寬度的不斷降低，重擴區31寬度的降低不僅可以進一步提高選擇性電極型電池片的轉換效率，也可以降低生產成本，尤其針對采用噴蠟技術實現選擇性重擴區的工藝更是如此。然而重擴區寬度的降低進一步提高了絲網印刷工藝中的對位精度要求。在對邊或對中心點的對位方式中，前后工藝的依賴性和誤差累積特性已成為限制選擇性電極型電池片發揮其技術優勢的瓶頸。

以重擴區圖形識別技術為基礎的圖形定位方法，通過識別電池片上選擇性重擴區的實際位置調整網板或電池片的位置進行柵線印刷對位。這種以實際測量結果為基準的圖形定位方法，不再采用假定的重擴區位置為基準，不僅可以有效隔離前道重擴區形成工藝中的定位偏差，同時也可以規避工藝鏈中由于電池片翻轉而丟失參考基準的問題。對于準方片、菱形片和大尺寸公差的電池片，金屬柵線的對位印刷也將以重擴區圖形位置為基礎而不取決于電池片形狀，因此也能實現準確定位。圖形定位的精確性也為進一步降低重擴區寬度提供了可行性。

圖1-1 金屬柵線的反光造成無法視覺識別重擴區位置

然而，采用圖形定位技術進行柵線印刷后，常規光學檢測方法無法檢測金屬柵線10的實際印刷位置與重擴散柵線印刷區31的重合精度。如圖1所示，減反射膜20降低了重擴區31和低擴區30之間的可識別性，更為重要是，金屬柵線10對檢測光源01的反射能力大大高于電池片表面對光線的反射能力，金屬柵線10的反射光02將給金屬柵線周邊區域帶來光污染，造成無法視覺識別重擴區31的位置。

光致發光技術雖然在圖像采集過程中沒有入射光源，因此可以避免金屬柵線反射光造成光污染的問題，但由于光致發光效率的局限、減反射膜以及晶格的干擾，重擴散柵線印刷區的識別并不可靠。同時由于光致發光檢測部件需要在超低溫環境下工作，成本高，環境要求苛刻，因此不適合作為量產生產線的解決方案。

電致發光技術雖然可以應用于常規生產環境中，但剛剛經過柵線印刷而未經過烘干燒結的電池片不適合接觸式通電測量，只能用于檢測經過燒結后的電池片，額外的探針系統增加了設備的復雜程度和維護需求，并增加造成電池片隱裂的幾率。最為重要的是，采用電致發光技術對成品電池片的檢測具有很大的工藝延遲，無法及時在線檢測印刷位置偏差并實時為定位系統提供反饋信息，因此電致發光技術也不適用。

與此同時，由于無法準確檢測金屬柵線10實際印刷位置與選擇性重擴區31的重合精度，如果前道重擴區圖形相對于電池片位置參考基準發生偏移或角度偏轉的情況下，盡管印刷設備能夠識別重擴區31實際位置，并以圖形定位為基礎實現柵線10與重擴區31的完美重合，然而在金屬柵線10偏離電池片位置參考基準的情況下，電池片制造商通常據此認為柵線印刷位置偏移，設備制造商也無法有效證明圖形定位功能的有效性和可靠性。

2 金屬柵線印刷位置精度的檢測方法

采用重擴散柵線印刷區形成工藝，并在相同工藝步驟中，在電池片受光面30生成標記圖形32，在金屬柵線10印刷后直接測量標記圖形32位置與金屬柵線10之間的距離，結合前道工藝中標記圖形32與重擴散柵線印刷區31中心線的相對距離，計算金屬柵線10實際印刷位置與重擴散柵線印刷區31中心線的重合精度。該方法可以回避常規光學檢測方法中金屬柵線10反射光02對柵線周邊的光污染問題，獲得金屬柵線10實際印刷位置與重擴散柵線印刷區31的重合精度信息，向絲網印刷設備反饋實際印刷位置偏移量，實現絲網印刷設備圖形定位系統的高精度閉環控制，并為采用圖形定位技術的絲網印刷設備提供有效的定位精度檢測方法。此外，通過該檢測方法也可以實現網板壽命監測等功能。

圖2-1 通過一維標記檢測柵線印刷位置精度

在前述幾種選擇性電極型晶硅太陽能電池重擴散柵線印刷區31形成工藝中，可以采用同種工藝在柵線印刷區31之間的電池片受光面30上標記圖形32。具體而言，即噴蠟工藝中采用噴蠟技術在兩個相鄰的金屬柵線印刷區之間噴制標記圖形，并在后道擴散工藝中同步形成重擴區以及標記圖形；或在刻蝕漿料絲網印刷工藝中以網板乳膠膜保護的方式在兩個相鄰的柵線印刷區之間保留標記圖形；或采用激光刻蝕工藝在兩個相鄰的柵線印刷區之間刻蝕標記圖形。

類單晶或多晶型選擇性電極型晶硅太陽能電池所具有的不規則晶格結構可能干擾標記圖形的識別。同時視覺識別系統也具有取決于分辨率和視角范圍的測量誤差。為確保檢測系統可以準確定義基準參照點，可以設置多個標記圖形，圖像采集后首先選擇最清晰的標記圖形32作為基準參照點，并根據該參照點與其他標記圖形的距離判斷該參照點的可靠性。

圖2-1舉例說明了一種標記圖形的組合方式，共計5個等距離分布的標記線段32分布于6根金屬柵線10之間。視覺檢測系統一次性采集6根金屬柵線10和其中平均分布的5個標記線段32，并從5個標記線段中選擇最清晰可靠的標記線段作為基準參照點，測量該標記線段與其他至少1個可清晰識別的標記線段之間的相互距離，并根據該距離值判斷該標記線段作為基準參照點的可靠性。然后分別計算參照點32與左右相鄰兩根金屬柵線10之間的距離，結合重擴散工藝中設定的標記線段與重擴散柵線印刷區的中心距離，計算金屬柵線實際印刷位置與重擴散柵線印刷區中心線之間的重合精度偏差。實際生產中，由于金屬柵線位置測量信息相對而言準確可信，可以結合具體電池片工藝簡化程序，僅計算一根金屬柵線10與參照點32之間的距離，并設置不同的容差標準，優化測試系統運行的穩定性和準確性。

以上實例僅僅在一個自由度上對金屬柵線印刷位置精度進行了測量。通過在電池片表面不同區域設置幾組標記圖形，并結合單個標記圖形組在單個位置自由度上的測量結果，綜合計算多自由度印刷位置精度。

如圖2-2所示，可以通過一組十字形標記圖形32測量電池片柵線10和主柵線11兩個方向上的印刷位置精度。

圖2-2 通過二維標記檢測柵線與主柵線兩個方向上的印刷位置精度

通過分別布置在電池片左上角和左下角的兩組標記圖形組可以測量電池片柵線圖形在平面旋轉方向上的位置精度。如圖2-3所示，當左上角相機CLO測量的標記圖形32與金屬柵線10中心線距離XOI不等于左下角相機CLU測量的標記圖形32與金屬柵線10中心線距離XUI，則可認定金屬柵線相對于柵線印刷區發生旋轉偏移。

通過在電池片左邊區和右邊區設置標記圖形組并分別測量柵線印刷位置精度，可以實現對網板壽命的監控。如圖2-4所示，當電池片左邊區域金屬柵線能夠準確與重擴散柵線印刷區重合，即左邊相機CLO測量的標記圖形32與金屬柵線10中心線距離XLI等于標記圖形32與重擴散柵線印刷區31中心線距離XLS，而電池片右邊區域金屬柵線印刷位置發生向右偏移，即右邊相機CR測量的標記圖形32與金屬柵線10中心線距離XRI大于標記圖形32與重擴散柵線印刷區31中心線距離XRS，則可認定網板張力已經變低。但如果此時金屬柵線10的實際印刷位置仍在重擴散柵線印刷區以內，仍可繼續使用網板，直至右邊區域金屬柵線10實際印刷位置已經接近偏離重擴散柵線印刷區31，測量結果中位置偏差信息ΔX=XRI-XRS與通過工藝設定的容差參數對比后觸發程序發出警報，提示操作人員更換網板。

圖2-3 通過在電池片左上角和左下角兩組標記檢測柵線在旋轉方向上的印刷位置精度

圖2-4 通過在電池片左邊和右邊至少兩組標記檢測網板張力變化

這一功能對于保證電池片品質、降低電池片生產成本具有十分重要的意義。一方面可以最大發揮網板使用潛力，在網板張力臨近達到工藝最低要求的時候由系統自動提示更換網板，從而降低網板使用數量并降低生產成本；另一方面，由于網板數量以及更換頻率的降低，更換網板造成的總停機時間將隨之下降，提高了絲網印刷設備的實際利用率；此外，每次更換網板都必然消耗一定量的貴金屬漿料，隨著網板更換次數的降低，貴金屬漿料無功消耗量也將隨之降低。網板工藝監控功能將簡化工藝控制工作，提高工藝穩定性、產品品質以及產品品質的一致性。

3 實施檢測方法的有益效果

該檢測方法規避了柵線印刷位置檢測中的光污染問題，可在量產中實時在線檢測柵線印刷位置精度并反饋測量值，實現金屬柵線圖形對位印刷的閉環控制。該檢測方法同時也為采用圖形識別技術和圖形對位技術的選擇性電極型晶硅太陽能電池絲網印刷設備提供了可直觀衡量設備印刷精度的驗證方法。此外，利用該檢測方法可以實現對網板使用壽命的監測，提高網板和絲網印刷設備的使用率，降低生產成本，簡化工藝控制。