EFG太陽電池的絲網(wǎng)印刷產(chǎn)業(yè)化進程要點

1、摘要本設計主要闡述了絲網(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。通過對絲網(wǎng)印刷制作太陽電池的工藝進行了分析，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)定自動化程度高的特點，從而適合市場的變換跟需求。關鍵詞EFG太陽能電池絲網(wǎng)印刷高效率穩(wěn)定自動化目錄摘要2緒言41 EFG太陽能電池52 .絲網(wǎng)印刷技術52.1 絲網(wǎng)印刷技術的發(fā)展史62.2 絲網(wǎng)印刷技術的原理72.3 絲網(wǎng)印刷技術的特點83 .絲網(wǎng)印刷的步奏84 .絲網(wǎng)印刷技術9參考文獻16緒言本論文主要從實用、商品化太陽電池的生產(chǎn)與工藝研究出發(fā)，對絲網(wǎng)印刷制作PN結硅單晶太陽電池進行

2、了理論和工藝研究。對整個絲網(wǎng)印刷制作太陽電池工藝過程進行了系統(tǒng)的闡述，并對某些工藝進行了工藝條件的實驗和改進，提出了提高效率、降低成本的新工藝。在前文的基礎上提出了一種降低太陽電池接觸電阻、提高光電轉換效率的方法，從而提高EFG太陽能電池的絲網(wǎng)印刷產(chǎn)業(yè)進程。通過對絲網(wǎng)印刷太陽電池工藝中柵極與半導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理的結合，要降低接觸電阻應盡量提高摻雜濃度，但同時也要考慮到高摻雜給太陽電池帶來的不良影響。1 .EFG太陽能電池當光照在半導體上時，光所具有的能量被電子吸收，使其可以躍遷到更高的能級。太陽電池就是利用價帶電子吸收光子能量躍遷到導帶

3、，產(chǎn)生自由載流子從而實現(xiàn)光電轉換，這就是太陽電池能量轉換的基礎PN結的光生伏特效應。當適當波長的光照射在PN結上時，在導帶和價帶中出現(xiàn)了電子和空穴，由于PN結勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建電場，產(chǎn)生在勢壘區(qū)的非平衡載流子以及從發(fā)射區(qū)和基區(qū)擴散進勢壘區(qū)的非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下，使得電子流入N區(qū)、空穴流入P區(qū)，此時若將PN結兩端開路，則由于構不成回路電子和空穴分別在N區(qū)和P區(qū)形成積累，結果使得P區(qū)電勢高而N區(qū)電勢低，在PN結兩端形成光生電動勢即開路電壓Va;若將PN結短路，則N區(qū)積累的電子就會通過外電路到達電勢較高的P區(qū)，與那里的空穴復合，而N區(qū)減少的電子又可以從勢壘區(qū)得到補償，從而達到一個動態(tài)平

4、衡，這樣，只要有光照在PN結上，電路中就會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結的光生伏特效應。具有光生伏特效應的PN結實際上就相當于一個電源，這就是太陽電池的工作原理。EFG限定邊緣硅月I生長技術，EFGX藝是通過直接從熔融狀態(tài)下的多晶硅牽引生長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125毫米，壁厚270微米，高度達到7米，而重量僅為數(shù)千克。通過對每邊的邊緣進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)的機械加工。這樣生產(chǎn)出來的硅片表面保持“晶體生長”的特點，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在硅片中引入大量的多晶或單晶體，并且會導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。可見，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2.1 絲網(wǎng)印刷技術的發(fā)展史絲網(wǎng)印刷技術從本上世紀70年代開始產(chǎn)生并發(fā)展，由于其相對簡單的生產(chǎn)工藝，在市場上確立了優(yōu)勢。而絲網(wǎng)印刷也有各種不同的制造工藝，其中我們運用的是一種最簡單的工藝，它也被一些生產(chǎn)廠商和實驗室改進并提高。但是所有的改進和變化都是為了獲得更高的轉換效率和更低的成本，所以許多的

6、改進工藝已經(jīng)運用于經(jīng)濟生產(chǎn)活動，而更多的還只是停留在實驗室階段。2.2 絲網(wǎng)印刷技術的原理絲網(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。當承印物直接放在帶有模版的絲網(wǎng)下面時，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（刮刀有手動和自動兩種）。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)印刷實際上是利用油墨滲透過印版進行印刷的，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，因為不僅僅蠶絲用作絲網(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)印刷技術的特點為了使電極和硅表面形成好的歐姆接觸，由磷擴散所形成的表面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”。電池前表面的復合高，因為電池的前表面沒有采取有效的鈍化措施。受絲網(wǎng)技術的限制，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，都是圍繞著兩個重點，一個是提高太陽電池的光電轉換效率，另一個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換效率就必須選擇質(zhì)量高的半導體材料和先進的制作工藝，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nP電池工藝和發(fā)射區(qū)鈍化、硼背場

9、n,PP,電池工藝un等兩種工藝。為了達到高效的目的，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、難以形成規(guī)?；纳a(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，具特點是成本低、易于形成規(guī)?；a(chǎn)。目前，我國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)印刷本身是一項傳統(tǒng)的工業(yè)化工藝技術，自從七十年代就得到了廣泛的應用。由于其對設備要求低，且在生產(chǎn)成本的降低中有著明顯的優(yōu)勢，因此該技術也廣泛地應用于太陽電池的生產(chǎn)中。其次，采用絲網(wǎng)印刷工藝可進行大規(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，通過人們對絲網(wǎng)印刷工藝的改進，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，通過對漿料的改進，使電池的參數(shù)得到明顯的改善。本節(jié)以太陽電池級硅材料為基礎對絲網(wǎng)印刷電池工藝進行研究。常用的絲網(wǎng)材料有不銹鋼和尼龍2種。不銹鋼絲網(wǎng)的特點是絲徑細、目數(shù)多，耐磨性好，強度高，尺寸穩(wěn)定，拉伸性小，由于絲徑精細，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)是由化學合成纖維制作而成，具有很高的強度，耐磨性、耐化學藥品性、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)及實驗中，我們采用了表面具有絨面吸收面的實際結構如圖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四.絲網(wǎng)印刷技術印刷過程從硅片放置到印刷臺上開始。非常精細的印刷絲網(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，以便導電漿料能夠通過【圖2】。硅片和絲網(wǎng)的距離要嚴格地控制（稱為印刷間隙）。由于正面需要更加纖細的金屬線，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格控制。表3:在絲網(wǎng)一端放置導電漿料，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，使導電漿料凝固。接著，硅片被送入另一個不同的印刷機，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。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)印刷淀積的導線【圖4】，

13、它們的功能是不同的。正面的線路比背面的更細；有些制造商會先印刷背面的導電線，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計都采用非常精細的電路（“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得多（窄到80卜m。正因為如此，正面的印刷步驟需要更高的精度和準確性。圖4:印刷后硅片正面會有大小不同的導線，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，技術上也不那么嚴格。背面印刷的第一步工序是淀積一層以鋁為基礎的導電材

14、料，而不是非常細的導電柵。同時，能夠將沒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現(xiàn)和外部的連接。新一代絲網(wǎng)印刷的應用如今晶體硅太陽能電池的平均轉化效率是15%業(yè)界的發(fā)展目標是將轉化效率提高到20%；上，絲網(wǎng)印刷設備能夠提供多種方法幫助實現(xiàn)這一目標。實現(xiàn)更高的轉化效率可以從以下兩個方面入手：電池工藝（創(chuàng)造出能夠將光能轉化為電能的有效區(qū)域）和金屬鍍膜（形成導電金屬線）。雙重印刷電池正面導電線路的一個負面效應是陰影：導線阻擋了少量陽光，使其無法進入電

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

16、優(yōu)化導電性能。【圖7】。導線橫截面尺寸從110pm寬/12pm高轉變?yōu)?0pm寬/30高之后，潛在的轉化效率絕對增益為0.5%。圖7:降低線條寬度減少了有效區(qū)域的陰影，從而提高潛在轉化效率應用材料公司Baccini的方法是用兩臺不同的印刷機將兩種材料進行重疊印刷。這一最新的工藝在實際生產(chǎn)環(huán)境下實現(xiàn)了80pm寬、平均30pm高的導線橫截面尺寸。這種方法減少了大約20%勺陰影損失，相應的也降低了電阻系數(shù)。通過在現(xiàn)有生產(chǎn)線上增加一臺額外的絲網(wǎng)印刷機和烘干爐，就能非常方便地以一種具有成本效益的方式實現(xiàn)多次印刷工藝。導線雙重印刷（和其它的先進印刷應用）最關鍵的一點在于對準精度，因為第二層印刷物必須非常精

17、準地置于第一層之上。應用材料公司Baccini的最新研發(fā)成果使第二層印刷物的對齊精度達到土15mi這一技術采用了新型的高分辨率照相機和新的軟件算法，具有自動調(diào)整程序，并可以在印刷初始階段進行額外控制。此外，漿料配方和絲網(wǎng)設計必須經(jīng)過仔細的共同優(yōu)化，從而最大限度地實現(xiàn)絲網(wǎng)印刷的硬件和工藝效能。選擇性發(fā)射極外一個新興的應用是選擇性發(fā)射極技術一一在絲網(wǎng)印刷的金屬線下精確地制造一個重度摻雜的n+區(qū)域，以便進一步降低接觸電阻，從而實現(xiàn)轉化效率的提高。【圖8】100pmMetaliMm口同麗04n也爭00Oo0150pmN+Dop&dSilicon圖8:選擇性發(fā)射極是一個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。每一種都要求高精度和高重復性的多重印刷步驟。止匕外，發(fā)射極區(qū)域必須略寬于上方的金屬線：對于100pm寬的金屬線來說，最優(yōu)化的發(fā)射極區(qū)域寬度為150pm左右。很關鍵的一點是后續(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，就會失去它的效率優(yōu)勢。應用材料公司Baccini的絲網(wǎng)印刷技術在成熟度、對準精度、低成本和高速度方面都具有優(yōu)勢，是實現(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。以光伏效應為基礎的太陽電池有著美好的應用前景。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500g左右的硅原料.到電池制造完成共有13%的損耗，具有很強的市場競爭力.但是EFG帶硅晶體材料不可能是單晶材料，只能是晶粒細小的多品，大小約100pm.實驗中EFG片電池最高的光電轉換效率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，對電池片的質(zhì)量起著重要作用，太陽能電池印刷技術是一個有機的整體，是各種技術的組合，需要工藝工程師和設備工程師的協(xié)同工作：既要了解各個參數(shù)的特點，又要了解其相互的制約關系；3種印刷工序既有相同之處又有區(qū)別，需要針對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（每條生產(chǎn)線），業(yè)界的目標是在不久的將來實現(xiàn)至少3000硅片/小時。這需要使用非常先進的機械自動化技術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都需要以更快的速度進行，同時，線條的寬度和對齊方式必