EFG太陽電池的絲網(wǎng)印刷產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程要點(diǎn)

1、摘要本設(shè)計(jì)主要闡述了絲網(wǎng)印刷EFG太陽電池的制作工藝在高效、低成本太陽電池的研究和生產(chǎn)中有著重要的地位。通過對(duì)絲網(wǎng)印刷制作太陽電池的工藝進(jìn)行了分析，提出了一些降低成本、提高效率的工藝路線,使得絲網(wǎng)印刷擁有高效、穩(wěn)定自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，從而適合市場(chǎng)的變換跟需求。關(guān)鍵詞EFG太陽能電池絲網(wǎng)印刷高效率穩(wěn)定自動(dòng)化目錄摘要2緒言41 EFG太陽能電池52 .絲網(wǎng)印刷技術(shù)52.1 絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展史62.2 絲網(wǎng)印刷技術(shù)的原理72.3 絲網(wǎng)印刷技術(shù)的特點(diǎn)83 .絲網(wǎng)印刷的步奏84 .絲網(wǎng)印刷技術(shù)9參考文獻(xiàn)16緒言本論文主要從實(shí)用、商品化太陽電池的生產(chǎn)與工藝研究出發(fā)，對(duì)絲網(wǎng)印刷制作PN結(jié)硅單晶太陽電池進(jìn)行

2、了理論和工藝研究。對(duì)整個(gè)絲網(wǎng)印刷制作太陽電池工藝過程進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并對(duì)某些工藝進(jìn)行了工藝條件的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，提出了提高效率、降低成本的新工藝。在前文的基礎(chǔ)上提出了一種降低太陽電池接觸電阻、提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法，從而提高EFG太陽能電池的絲網(wǎng)印刷產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。通過對(duì)絲網(wǎng)印刷太陽電池工藝中柵極與半導(dǎo)體之間的接觸電阻的研究出發(fā)，理論分析了歐姆接觸的情形，載流子傳輸為兩種機(jī)理的結(jié)合，要降低接觸電阻應(yīng)盡量提高摻雜濃度，但同時(shí)也要考慮到高摻雜給太陽電池帶來的不良影響。1 .EFG太陽能電池當(dāng)光照在半導(dǎo)體上時(shí)，光所具有的能量被電子吸收，使其可以躍遷到更高的能級(jí)。太陽電池就是利用價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶

3、，產(chǎn)生自由載流子從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這就是太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射在PN結(jié)上時(shí)，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中出現(xiàn)了電子和空穴，由于PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)的非平衡載流子以及從發(fā)射區(qū)和基區(qū)擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，使得電子流入N區(qū)、空穴流入P區(qū)，此時(shí)若將PN結(jié)兩端開路，則由于構(gòu)不成回路電子和空穴分別在N區(qū)和P區(qū)形成積累，結(jié)果使得P區(qū)電勢(shì)高而N區(qū)電勢(shì)低，在PN結(jié)兩端形成光生電動(dòng)勢(shì)即開路電壓Va;若將PN結(jié)短路，則N區(qū)積累的電子就會(huì)通過外電路到達(dá)電勢(shì)較高的P區(qū)，與那里的空穴復(fù)合，而N區(qū)減少的電子又可以從勢(shì)壘區(qū)得到補(bǔ)償，從而達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平

4、衡，這樣，只要有光照在PN結(jié)上，電路中就會(huì)有源源不斷的電流流過形成光電流即短路電流Q01.這就是PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。具有光生伏特效應(yīng)的PN結(jié)實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)電源，這就是太陽電池的工作原理。EFG限定邊緣硅月I生長(zhǎng)技術(shù)，EFGX藝是通過直接從熔融狀態(tài)下的多晶硅牽引生長(zhǎng)出八邊形或十二邊形中空管狀的多晶硅“硅膜”。以十二邊形管為例，每邊邊長(zhǎng)125毫米，壁厚270微米，高度達(dá)到7米，而重量?jī)H為數(shù)千克。通過對(duì)每邊的邊緣進(jìn)行激光切割即可得到太陽能電池用的多晶硅片。由于中空管的壁厚即為成品硅片的厚度，因而在激光切割后無需后續(xù)的機(jī)械加工。這樣生產(chǎn)出來的硅片表面保持“晶體生長(zhǎng)”的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的“鑄錠切片”工

5、藝很不相同。傳統(tǒng)工藝在線切過程中會(huì)在硅片中引入大量的多晶或單晶體，并且會(huì)導(dǎo)致大量硅料損失于線切的砂漿中。EFGX藝幾乎可以將全部硅管轉(zhuǎn)化為硅片，硅管經(jīng)激光切割后邊緣交接處剩余的少量部分還可以再循環(huán)利用，用于新硅管的生長(zhǎng)?？梢?，EFG工藝比傳統(tǒng)工藝消耗的多晶硅材料更少，能量利用效率更高。2 .絲網(wǎng)印刷技術(shù)2.1 絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展史絲網(wǎng)印刷技術(shù)從本上世紀(jì)70年代開始產(chǎn)生并發(fā)展，由于其相對(duì)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，在市場(chǎng)上確立了優(yōu)勢(shì)。而絲網(wǎng)印刷也有各種不同的制造工藝，其中我們運(yùn)用的是一種最簡(jiǎn)單的工藝，它也被一些生產(chǎn)廠商和實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)并提高。但是所有的改進(jìn)和變化都是為了獲得更高的轉(zhuǎn)換效率和更低的成本，所以許多的

6、改進(jìn)工藝已經(jīng)運(yùn)用于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)，而更多的還只是停留在實(shí)驗(yàn)室階段。2.2 絲網(wǎng)印刷技術(shù)的原理絲網(wǎng)印刷是把帶有圖像或圖案的模版被附著在絲網(wǎng)上進(jìn)行印刷的。通常絲網(wǎng)由尼龍、聚酯、絲綢或金屬網(wǎng)制作而成。當(dāng)承印物直接放在帶有模版的絲網(wǎng)下面時(shí)，絲網(wǎng)印刷油墨或涂料在刮刀的擠壓下穿過絲網(wǎng)中間的網(wǎng)孔，印刷到承印物上（刮刀有手動(dòng)和自動(dòng)兩種）。絲網(wǎng)上的模版把一部分絲網(wǎng)小孔封住使得顏料不能穿過絲網(wǎng)，而只有圖像部分能穿過，因此在承印物上只有圖像部位有印跡。換言之，絲網(wǎng)印刷實(shí)際上是利用油墨滲透過印版進(jìn)行印刷的，這就是稱它為絲網(wǎng)印刷而不叫蠶絲網(wǎng)印刷或絹印的原因，因?yàn)椴粌H僅蠶絲用作絲網(wǎng)材料，尼龍、聚酯纖維、棉織品、棉布、不銹鋼

7、、銅、黃銅和青銅都可以作為絲網(wǎng)材料。心A 11XII JI圖5 印刷原理示意2.3 絲網(wǎng)印刷技術(shù)的特點(diǎn)為了使電極和硅表面形成好的歐姆接觸，由磷擴(kuò)散所形成的表面n-型材料摻雜濃度偏高。正如上面所陳述的，高濃度摻雜降低材料內(nèi)的少數(shù)載流子壽命，使得先生載流子不能得到有效地收集。而短波長(zhǎng)的太陽光是被這一層材料吸收的，因此這些太陽光的能量不能得到很好的利用，形成所謂的“死層”。電池前表面的復(fù)合高，因?yàn)殡姵氐那氨砻鏇]有采取有效的鈍化措施。受絲網(wǎng)技術(shù)的限制，前表面的金屬電極不能做的很窄，從而遮擋了光在硅片內(nèi)的有效吸收。取決于硅片的電阻率，由絲網(wǎng)印刷技術(shù)生產(chǎn)的晶體硅電池的開路電壓在580620md問，短路電流

8、密度在2833mA/cm2間，以及填充因子在70375慰間。對(duì)于大面積的電池,電池表面10%-15%S積被電池表面電極遮擋了。三.絲網(wǎng)印刷的步奏徒片一淅法擴(kuò)裊里住一生區(qū)求坂見膜印刷正銀焦于*r印刷背病+烘干一印刷背銀燒外|阻1試圈2太陽能電池生產(chǎn)主薯工序在太陽電池的生產(chǎn)制造的發(fā)展過程中，都是圍繞著兩個(gè)重點(diǎn)，一個(gè)是提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，另一個(gè)是降低太陽電池的生產(chǎn)成本。我們知道，要提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率就必須選擇質(zhì)量高的半導(dǎo)體材料和先進(jìn)的制作工藝，可是這樣一來，太陽電池的生產(chǎn)成本就大幅度地增加了。目前在高效太陽電池的制作過程中，基本上是采用雙面鈍化、區(qū)域鋁背場(chǎng)nP電池工藝和發(fā)射區(qū)鈍化、硼背場(chǎng)

9、n,PP,電池工藝un等兩種工藝。為了達(dá)到高效的目的，這兩種工藝均采用了多道高溫制作工藝和生產(chǎn)成本昂貴的光刻、蒸鍍工藝，由于工藝步驟繁多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、難以形成規(guī)模化的生產(chǎn)，生產(chǎn)成本非常高。因此，在商用太陽電池的生產(chǎn)中，主要是用絲網(wǎng)印刷的工藝來制作太陽電池，具特點(diǎn)是成本低、易于形成規(guī)?；a(chǎn)。目前，我國(guó)地面用太陽電池的生產(chǎn)幾乎全部采用了絲網(wǎng)印刷的制作工藝。絲網(wǎng)印刷本身是一項(xiàng)傳統(tǒng)的工業(yè)化工藝技術(shù)，自從七十年代就得到了廣泛的應(yīng)用。由于其對(duì)設(shè)備要求低，且在生產(chǎn)成本的降低中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此該技術(shù)也廣泛地應(yīng)用于太陽電池的生產(chǎn)中。其次，采用絲網(wǎng)印刷工藝可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)周期。再次，采用絲網(wǎng)印刷可

10、降低工藝污染，避免了光刻、腐蝕等這類廢料較多的工藝。近年來，通過人們對(duì)絲網(wǎng)印刷工藝的改進(jìn)，使該工藝水平大幅度地提高，可以將柵線寬度降到50微米左右，膜厚提高到20微米左右，通過對(duì)漿料的改進(jìn)，使電池的參數(shù)得到明顯的改善。本節(jié)以太陽電池級(jí)硅材料為基礎(chǔ)對(duì)絲網(wǎng)印刷電池工藝進(jìn)行研究。常用的絲網(wǎng)材料有不銹鋼和尼龍2種。不銹鋼絲網(wǎng)的特點(diǎn)是絲徑細(xì)、目數(shù)多，耐磨性好，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定，拉伸性小，由于絲徑精細(xì)，油墨的通過性能好，尺寸精度穩(wěn)定，適于太陽能電池片的印刷。尼龍絲網(wǎng)是由化學(xué)合成纖維制作而成，具有很高的強(qiáng)度，耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐水性、彈性都比較好，由于絲徑均勻，表面光滑，故油墨的通過性也極好。其不足是尼

11、龍絲網(wǎng)的拉伸性較大。這種絲網(wǎng)在繃網(wǎng)后的一段時(shí)間內(nèi)，張力有所降低，使絲網(wǎng)印版松馳，精度下降，在太陽能電池片的印刷中采用不銹鋼絲網(wǎng)。圖8為絲網(wǎng)的外形。圖8線網(wǎng)的外形PN站制作太陽電池，具在生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)中，我們采用了表面具有絨面吸收面的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本的工藝流程如圖2-6所示。另p.鬼格,投圖2-5漁神印刷太陽電海姑構(gòu)四.絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷過程從硅片放置到印刷臺(tái)上開始。非常精細(xì)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(dǎo)電漿料能夠通過【圖2】。硅片和絲網(wǎng)的距離要嚴(yán)格地控制（稱為印刷間隙）。由于正面需要更加纖細(xì)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

12、背面印刷的要細(xì)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(dǎo)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(dòng)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(yán)格控制。表3:在絲網(wǎng)一端放置導(dǎo)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(dǎo)電漿料凝固。接著，硅片被送入另一個(gè)不同的印刷機(jī)，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(jié)。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(dǎo)線【圖4】，

13、它們的功能是不同的。正面的線路比背面的更細(xì)；有些制造商會(huì)先印刷背面的導(dǎo)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(shè)計(jì)都采用非常精細(xì)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(dǎo)線一一“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(xì)得多（窄到80卜m。正因?yàn)槿绱耍娴挠∷⒉襟E需要更高的精度和準(zhǔn)確性。圖4:印刷后硅片正面會(huì)有大小不同的導(dǎo)線，用來從有效區(qū)域采集電能硅片的背面和正面的印刷要求是不同的，技術(shù)上也不那么嚴(yán)格。背面印刷的第一步工序是淀積一層以鋁為基礎(chǔ)的導(dǎo)電材

14、料，而不是非常細(xì)的導(dǎo)電柵。同時(shí)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)和外部的連接。新一代絲網(wǎng)印刷的應(yīng)用如今晶體硅太陽能電池的平均轉(zhuǎn)化效率是15%業(yè)界的發(fā)展目標(biāo)是將轉(zhuǎn)化效率提高到20%；上，絲網(wǎng)印刷設(shè)備能夠提供多種方法幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率可以從以下兩個(gè)方面入手：電池工藝（創(chuàng)造出能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能的有效區(qū)域）和金屬鍍膜（形成導(dǎo)電金屬線）。雙重印刷電池正面導(dǎo)電線路的一個(gè)負(fù)面效應(yīng)是陰影：導(dǎo)線阻擋了少量陽光，使其無法進(jìn)入電

15、池的有效區(qū)域，從而降低了轉(zhuǎn)化效率【圖6。為了將這種陰影效應(yīng)降到最低，導(dǎo)線必須盡可能做到最窄。然而，為了保持足夠的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)更細(xì)，更高導(dǎo)線橫截面的解決方案就是將多條導(dǎo)線重疊印刷。這就意味著絲網(wǎng)印刷機(jī)必須能夠高準(zhǔn)確度、高重復(fù)性地印刷非常細(xì)小的線條一一當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)線條小到80仙m-相當(dāng)于人類一根頭發(fā)絲的平均厚度。圖6:導(dǎo)線阻擋光線，使其無法到達(dá)電池有效區(qū)域現(xiàn)在大多數(shù)導(dǎo)線燒結(jié)后的尺寸是110-120Nm寬，12-15pm高。這樣尺寸的線條由于陰影效應(yīng)帶來的轉(zhuǎn)化效率損失大約為1.29%。要減少這一損耗，導(dǎo)線寬度必須降低；同時(shí)，需要增加導(dǎo)線橫截面的高度，以此

16、優(yōu)化導(dǎo)電性能?！緢D7】。導(dǎo)線橫截面尺寸從110pm寬/12pm高轉(zhuǎn)變?yōu)?0pm寬/30高之后，潛在的轉(zhuǎn)化效率絕對(duì)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(zhuǎn)化效率應(yīng)用材料公司Baccini的方法是用兩臺(tái)不同的印刷機(jī)將兩種材料進(jìn)行重疊印刷。這一最新的工藝在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了80pm寬、平均30pm高的導(dǎo)線橫截面尺寸。這種方法減少了大約20%勺陰影損失，相應(yīng)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(tái)額外的絲網(wǎng)印刷機(jī)和烘干爐，就能非常方便地以一種具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)多次印刷工藝。導(dǎo)線雙重印刷（和其它的先進(jìn)印刷應(yīng)用）最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于對(duì)準(zhǔn)精度，因?yàn)榈诙佑∷⑽锉仨毞浅＞?/p>

17、準(zhǔn)地置于第一層之上。應(yīng)用材料公司Baccini的最新研發(fā)成果使第二層印刷物的對(duì)齊精度達(dá)到土15mi這一技術(shù)采用了新型的高分辨率照相機(jī)和新的軟件算法，具有自動(dòng)調(diào)整程序，并可以在印刷初始階段進(jìn)行額外控制。此外，漿料配方和絲網(wǎng)設(shè)計(jì)必須經(jīng)過仔細(xì)的共同優(yōu)化，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷的硬件和工藝效能。選擇性發(fā)射極外一個(gè)新興的應(yīng)用是選擇性發(fā)射極技術(shù)一一在絲網(wǎng)印刷的金屬線下精確地制造一個(gè)重度摻雜的n+區(qū)域，以便進(jìn)一步降低接觸電阻，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的提高。【圖8】100pmMetaliMm口同麗04n也爭(zhēng)00Oo0150pmN+Dop&dSilicon圖8:選擇性發(fā)射極是一個(gè)直接位于金屬線下的重度摻雜區(qū)域制作

18、這些發(fā)射極區(qū)域有好幾種技術(shù)。每一種都要求高精度和高重復(fù)性的多重印刷步驟。止匕外，發(fā)射極區(qū)域必須略寬于上方的金屬線：對(duì)于100pm寬的金屬線來說，最優(yōu)化的發(fā)射極區(qū)域?qū)挾葹?50pm左右。很關(guān)鍵的一點(diǎn)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(huì)失去它的效率優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用材料公司Baccini的絲網(wǎng)印刷技術(shù)在成熟度、對(duì)準(zhǔn)精度、低成本和高速度方面都具有優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)這種電池工藝的理想選擇。五.絲網(wǎng)印刷在未來的生產(chǎn)中的發(fā)展前景太陽能是一種清潔的可再生能源。以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的太陽電池有著美好的應(yīng)用前景。其中，絲網(wǎng)印刷太陽電池的制作工藝在高效、低成本太陽電池的研究和生產(chǎn)中有著重要的地位。EFG

19、帶硅的材料損耗很小，通常制備50根八面體硅管，需要硅原料150-200KG,僅在培竭中浪費(fèi)500g左右的硅原料.到電池制造完成共有13%的損耗，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.但是EFG帶硅晶體材料不可能是單晶材料，只能是晶粒細(xì)小的多品，大小約100pm.實(shí)驗(yàn)中EFG片電池最高的光電轉(zhuǎn)換效率14.8%,成品率已超過90%太陽能電池印刷是電池片生產(chǎn)線的重要工序，對(duì)電池片的質(zhì)量起著重要作用，太陽能電池印刷技術(shù)是一個(gè)有機(jī)的整體，是各種技術(shù)的組合，需要工藝工程師和設(shè)備工程師的協(xié)同工作：既要了解各個(gè)參數(shù)的特點(diǎn)，又要了解其相互的制約關(guān)系；3種印刷工序既有相同之處又有區(qū)別，需要針對(duì)不同工序的具體要求分別優(yōu)化各工藝參數(shù)，制定出不同工藝實(shí)施方案，方可印刷出符合工藝的產(chǎn)品。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(shí)（每條生產(chǎn)線），業(yè)界的目標(biāo)是在不久的將來實(shí)現(xiàn)至少3000硅片/小時(shí)。這需要使用非常先進(jìn)的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)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(dòng)都需要以更快的速度進(jìn)行，同時(shí)，線條的寬度和對(duì)齊方式必