太阳能电池丝网印刷工艺.ppt

太阳能电池丝网印刷工艺 丝网印刷的定义 利用丝网图形部分网孔透浆料 非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷 印刷时在丝网一端倒入浆料 用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力 同时朝丝网另一端移动 浆料在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上 印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触 接触线随刮刀移动而移动 而丝网其它部分与承印物为脱离状态 保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物 当刮板刮过整个印刷区域后抬起 同时丝网也脱离基片 并通过回墨刀将浆料轻刮回初始位置 工作台返回到上料位置 至此为完整的一个印刷行程 丝网印刷的五个要素 丝网印刷由五大要素构成 即丝网 刮刀 浆料 工作台以及基片 刮刀 刮刀的作用是将浆料以一定的速度和角度将浆料压入丝网的漏孔中 刮刀在印刷时对丝网保持一定的压力 刃口压强在10 15N cm之间 刮板压力过大容易使丝网发生变形 印刷后的图形与丝网的图形不一致 也加剧刮刀和丝网的磨损 刮板压力过小会在印刷后的丝网上存在残留浆料 刮刀和回墨刀的拆装 1 刮刀 回墨刀和螺丝2 刮刀螺丝向外 面向自己 3 将刮刀的孔对准刮刀轴 平行方向推入 4 装上螺丝时 注意垫片方向 1 2 3 4 回墨刀 回墨刀螺丝 刮刀 刮刀螺丝 刮刀和回墨刀的拆装 1 将刮刀固定螺丝锁上2 将回墨刀固定螺丝先锁至一半3 将回墨刀开口朝右方向装上4 将螺丝向右锁上 1 2 3 4 丝网印刷 浆料 浆料是由功能组份 粘结组份和有机载体组成的一种流体 功能组份一般为贵金属或贵金属的混合物 载体是聚合物在有机溶剂中的溶液 功能组份决定了成膜后的电性能和机械性能 载体决定了厚膜的工艺特性 是印刷膜和干燥膜的临时粘结剂 功能组份和粘结组份一般为粉末状 在载体中进行充分搅拌和分散后形成膏状的厚膜浆料 烧结后的厚膜导体是由金属与粘结组份组成 有机载体包括有机高分子聚合物 有机溶剂 有机添加剂等等 它调节了浆料的流变性 固体粒子的浸润性 金属粉料的悬浮性和流动性以及浆料整体的触变性 决定了印刷质量的优劣 丝网印刷 网版 网版是由不锈钢织成不同网目大小的网纱及涂在网纱上的乳胶装在网框架组成 网版图样设计开孔处则将乳胶去除 刮刀刷过网纱时可将施放在网版上的浆料透过图样开孔处印在基材上 主要决定印刷厚度为乳胶厚度 丝网印刷时根据不同的网版张力 乳胶厚度 刮刀下压力量 刮刀速度 刮刀下刀及离刀迟滞时间等等参数可得到不同的印刷厚度 此外 浆料的粘滞性 基材表面的亲疏水性 烘干温度时间都会影响到印刷的高度及深度 丝网印刷流程 一般电池片结构 银电极 作用 输出电流 电极就是与电池p n结两端形成紧密欧姆接触的导电材料 与p型区接触的电极是电流输出的正极 与n型区接触的电极是电流输出的负极 耐高温烧结 良好的导电性能及附着力 以及贵金属成本等因素 决定了用银而不是其他贵金属 正面电极由两部分构成 主栅线是直接接到电池外部引线的较粗部分 副栅线则是为了将电流收集起来传递到主线去的较细部分 制作成窄细的栅线状以克服扩散层的电阻 电极图形 例如电极的形状 宽度和密度等 对于太阳电池转换效率影响较大 银电极 电极材料的选择能与硅形成牢固的接触 这种接触应是欧姆接触 接触电阻小 有优良的导电性 纯度适当 化学稳定性好 银的特性熔点 961 78 电阻率 1 586 10 8 m 20 银的特征氧化数为 1 其活动性比铜差 常温下 甚至加热时也不与水和空气中的氧作用 有很好的柔韧性和延展性 是导电性和导热性最好的金属 银电极 正面电极因为要减少电极遮光面积 所以使用导电性能良好的银浆 因为先前的减反射膜已经形成正面的电性绝缘 所以银浆一般掺有含铅的硼酸玻璃粉 PbO B2O3 SiOglassfrit 在高温烧结时玻璃粉硼酸成分与氮化硅反应并刻蚀穿透氮化硅薄膜 此时银可以渗入其下方并与硅形成此种局部区域性的电性接触 铅的作用是银 铅 硅共熔而降低银的熔点 银与硅形成欧姆接触 有机物挥发玻璃料在减反射膜表面聚集玻璃料腐蚀穿过减反射膜玻璃料通过与Si发生氧化还原反应产生腐蚀坑PbO SiPb SiO2Ag晶粒在冷却过程中于腐蚀坑处结晶 由于玻璃料对Si表面腐蚀具有各向异性 导致在Si表面形成了倒三角形的腐蚀坑 因此Ag晶粒在腐蚀坑处结晶时与Si表面接触的一侧呈倒金字塔状 而与玻璃料接触的一侧则成圆形 银晶粒的析出机理 1 与PbO和Si发生的氧化还原反应类似 玻璃料中的Ag2O与Si发生如下反应 Ag2O Si Ag SiO2 2 Ag和被腐蚀的Si同时融入玻璃料中 冷却时 玻璃料中多余的Si外延生长在基体上 Ag晶粒则在Si表面随机生长 3 在烧结过程中通过氧化还原反应被还原出的金属Pb呈液态 当液态铅与银相遇时 根据Pb Ag相图银粒子融入铅中形成Pb Ag相 Pb Ag熔体腐蚀Si的晶面 冷却过程中 Pb和Ag发生分离 Ag在晶面上结晶 形成倒金字塔形 铝背场 1 背铝作为背电场能够阻挡电子的移动 减小了表面的复合率 有利于载流子的吸收 2 减少光穿透硅片 增强对长波的吸收 3 Al吸杂 形成重掺杂 提高少子寿命 4 铝的导电性能良好 金属电阻小 而且铝的熔点相对其他的合适金属来说熔点低 有利于烧结 5 在烧结时p type的铝掺杂渗入形成使原本掺杂硼的p typeSi形成一层数微米厚的p typeSi作为背场 以降低背表面复合速度来提高电池的开路电压Voc 6 因为硅片吸收系数差 当厚度变薄时衬底对入射光的吸收减少 此时背场的存在对可以抵达硅片深度较深的长波长光吸收有帮助 所以短路电流密度Jsc的影响就更明显 7 p和p 的能阶差也可以提升Voc p 可以形成低电阻的欧姆接触所以填充因子FF也可改善 铝背场 对铝浆的技术要求形成铝背p p 结 提高开路电压 形成硅铝合金对硅片进行有效地吸杂 提高效率 能与硅形成牢固的欧姆接触 有优良的导电性 化学稳定性好 有适宜大规模生产的工艺性 价格较低 铝的特性熔点 660 37 具有良好的导热性 导电性和延展性 在空气中其表面会形成一层致密的氧化膜 使之不能与氧 水继续作用 铝板对光的反射性能也很好 铝背场的形成 1 将铝浆印刷在硅的表面 2 将沉积好的硅片放进峰值温度超过577 铝硅合金共熔温度 的链式烧结炉里进行烧结 3 当温度低于577 时 铝硅不发生作用 当温度升到共晶温度577 时 在交界面处 铝原子和硅原子相互扩散 随着时间的增加和温度的升高 硅铝熔化速度加快 最后整个界面变成铝硅熔体 在交界面处形成组成为11 3 硅原子和88 7 铝原子的熔液 印刷品质 浆料本身的性质对产品有很大的影响 1 因为材料热膨胀系数的差异 浆料成分的不同也会造成太阳能电池的翘弯问题 2 烧结后浆料的附着性也是一个问题 要通过拉力测试 3 背场有铝球形成 原因 硅片表面织构化过程时造成表面高低差过大 干燥时间太短 在烧结时铝颗粒间相互融溶而使颗粒间距缩短 工艺参数对印刷的影响 软件 主要分Cycle Print Operator等界面 非印刷相关的硬件参数印刷参数常用操作界面 软件控制参数意义 印刷参数 PRINTINGAlternatesqueegee单程印刷 刮刀向前运动印刷一片片子 向后返回印刷下一片 Doublesqueegee两次印刷 对每一块片子向前印刷一次 再向后印刷一次 SqueegeeandFlood印刷后回料 常用 Floodandsqueegee回料后印刷 SCREENSnap off网版间距印刷时电池到网板的距离 Park网版停止位置 印刷完成后电池到网板的距离 Speedupward网板上升速度 QUEEGEEDown stop刮板高度 这是印刷时刮刀的位置 Park刮板的停止位置 印刷和回墨完成后 印刷头的停止位置 Pressure刮刀压力 ADVANCEMENTPosition1刮刀起始位置 Position2印刷后的返回位置 Position3印刷后停止位置Position4印刷后开始返回时位置 机器印刷时括刀后退的开始位置 FLOODSUEEGEEPrintingspeed印刷速度 Floodspeed回料速度X Y Thetapieceoffsets网板位置在三个方向上偏移量 印刷参数 Snap off网版间距印刷时电池到网板的距离 这个参数关系到Z向电机的运动 因为向下是正向 所以这个参数是一个负数 丝网间距的零点由压力传感器来决定 每次照点时会进行一次零点的寻找 丝网间距的调节规律是设置值越大 透墨量越高 当到达一定高度时 油墨无法触及承印物表面时就会造成印刷不全或无法印刷 设置值越小 透墨量越低 当低到一定高度时 硅片无法在设定的脱离速度和真空的带动下脱离网版而粘黏在网版上就是粘片 Park网版停止位置 印刷完成后电池到网板的距离 这个参数也是个负数 此值设定偏低时会造成网版在印刷完成后由于位置较低而刮花印刷图形 Speedupward网板上升速度 这是Z向电机在印刷完成后从印刷位置向上移动至停止位置的速度 此值设定过慢时 会使硅片来不及脱离网版而造成粘片 QUEEGEEDown stop刮刀高度 这是印刷时刮刀的位置 这个参数的零点以网版承载浆料的一面为准 由于丝网间距和刮板高度为两个不同的电机进行控制 所以他们并不与snape off相关联 如果操作人员改变了snap off 一定要同步修改这个参数 但一般在压力模式下 此值变更的意义不大 Park刮刀的停止位置 印刷和回墨完成后 印刷头的停止位置 Pressure刮刀压力 印刷时括刀下降到Down stop位置 这个位置的参数必须设置得比电池稍低 0 3 0 4mm应该足够了 这样实际的压力 左边显示的数值 才能达到设置值 单位是牛顿 在压力模式下 印刷压力越大 瞬时刮刀下降的位置就会越低 很可能会远超过0 3 0 4mm 对网版和印刷质量造成比较大的损害 所以在日常设定印刷压力时需以小为宜 实际参数设定时 压力越大 承印量越小 压力越小 承印量越大 压力的变化实际是刮刀位置的变化 印刷工序注意点 1 第一道背面银电极 第二道背面铝背场的印刷和烘干 主要监控印刷后的湿重 第三道正面银电极的印刷 主要监控印刷后的湿重和次栅线的宽度 第二道道湿重过大 一方面浪费浆料 同时还会导致其不能在进高温区之前充分干燥 甚至不能将其中的所有有机物赶出从而不能将整个铝浆层转变为金属铝 另外湿重过大可能造成烧结后电池片弓片 湿重过小 所有铝浆均会在后续的烧结过程中与硅形成熔融区域而被消耗 而该合金区域无论从横向电导率还是从可焊性方面均不适合于作为背面金属接触 另外还有可能出现鼓包等外观不良 第三道道栅线宽度过大 会使电池片受光面积较少 效率下降 印刷工序注意点 2 隐裂片 保持电池片背面和印刷台面平整 注意各道印刷台面和网版内不要有碎片等大的异物 必要时更换台面纸 清洗网版并处理混有异物的浆料 3 粘片 按照形式来分可以分为连续的粘片和非连续的粘片 对于连续的粘片 往往是由于印刷参数设置不合理导致的 主要有snap off设置太低 或者网版的PARK位置太低 印刷压力过大等原因 有时台面真空不足也会造成此类问题 也有些情况下如果浆料的粘度过大也会造成粘片 特别是对于搅拌不足的浆料尤其容易发生粘片 对于非连续粘片 一般是正对某个台面的问题 一般可能是由于台面纸透气性比较差 或者某个台面的真空有问题 4 结点和断线 发生在3道 一般是由于浆料在网版内停留时间较长 浆料变干 聚集成大的颗粒 或者浆料内有大的异物 刮条经过时 大颗粒将网孔撑大 该部位印刷的浆料比其他部位多 形成所谓结点 而严重时这些颗粒或异物会堵塞网孔 浆料无法透过 造成断栅 一般用无尘布蘸取松油醇擦拭网版 频繁出现时需要检查浆料粘度是否过大 若浆料正常 则需更改相关工艺参数以解决 必要时清洗或更换网版 丝网印刷注意事项 1 保持印刷平台的清洁 随时清除平台上的任何碎片和异物 防止产生碎片或损坏网版 2 及时清理行走臂和烘箱里的碎片 防止堵塞电机或产生新的碎片 3 印刷台上的贴纸要平整 干净 否则易引起碎片或报警 4 根据具体情况 及时调整印刷参数 5 出现报警时应首先查看报警信息显示 然后采取相应措施 6 机器自动运行时不要打开或调用需手动状态下运行的软件功能 如摄像校正 输入输出显示控制等 否则会造成死机 7 设备运行中禁止修改系统时间 否则会造成死机 烧结原理 印刷了浆料的硅片经过烘干排焦过程后使浆料中的大部分有机溶剂挥发 膜层收缩为固状物紧密粘附在硅片上 这时可视为金属电极材料和硅片接触在一起 所谓的烧结过程是要使电极和硅片本身形成欧姆接触 其原理为当电极里金属材料和半导体单晶硅加热到共晶温度时 单晶硅原子以一定比例融入到熔融的合金电极材料中 单晶硅原子融入到电极金属中的整个过程一般只需要几秒钟的时间 融入单晶硅原子数目取决于合金温度和电极材料的体积 烧结合金温度越高 电极金属材料体积越大 则融入的硅原子数目就越多 这时的合金状态被称为晶体电极金属的合金系统 如果此时的温度降低 系统开始冷却形成再结晶层 这时原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来 也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层 如果外延层内含有足够的量的与原先晶体材料导电类型相同的杂质成分 就获得了用合金法工艺形成的欧姆接触 如果在结晶层含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成分就获得了用合金工艺形成的P N结 烧结作用和目的 就是把印刷到硅片上的电极在高温下烧结成电池片 最终使电极和硅片本身形成欧姆接触 从而提高电池片的开路电压和填充因子2个关键因素参数 是电极的接触具有电阻特性 达到生产高转效率电池片的目的 烧结过程中有利于PECVD工艺所引入 H向体内扩散 可以起到良好的体钝化作用 烧结方式 高温快速烧结加热方式 红外线加热 烧结过程 烧结是一个扩散 流动和物理化学反应综合作用的过程 在印刷状况稳定的前提下 温区温度 气体流量 带速是烧结的三个关键参数 由于要形成合金必须达到一定的温度 Ag Al与Si形成合金的稳定又不同 所以必须设定不同的温度来分别实现合金化 将印刷好的上 下电极和背场的硅片经过网印刷机的传送带传到烧结炉中 经过烘干排焦 烧结和冷却过程来完成烧结工艺最终达到上下电极和电池片的欧姆接触 烘干排焦一 在网带的上 下都装有加热带 由温控仪控制其温度 目的是将印刷有浆料硅片烘干 并使浆料内绝大部分焦油挥发出来 如果温度设置不合理 不能使大部分焦油从浆料中挥发出来 剩下的焦油在进入下一区域时会对烧结的效果影响很严重 对转换率有高达0 2 的影响 为了保证设备安全 在每个区域都设有2个热电偶 一个用于温度控制 一个用于过温保护 烘干排焦二 为了减少腔室内热量的损失 在设备强势内部的四周安装上隔热板 并在腔室外的两边装上了铝的隔热反射板 让整个腔室始终保持一个稳定的温度 有利于工艺的稳步进行 对流器 为了能让从浆料中挥发的焦油全部从抽风管道中抽走 设计了一个对流加热器 从烘干区上部的对流加热器中吹出温度受控的气体 吹到腔室中 在从烘干区的两头将气体抽出 保证从硅片挥发出来的焦油被对流加热器吹出的热气带出腔室内 而不会导致硅片挥发出来的热焦油在机器出口处冷凝而回流到设备里 对流盒子内置在加热盒子里 经过过滤的大气被热空气风扇吸入到一个温度可控的加热器中 最后进入到腔室内 但为保证安全操作 如果吸入的空气总量在增加 相应离开的总量必须是合适的 快速加热烧结 根据工艺要求 需要此腔室的灯管能提供很高 高到1000 的温度 并且能在高温下工作 一般用石英玻璃管加热器 此种设备用气流把快速加热箱分成4独立的加热系统 以保证每个腔室温度的独立性 可形成一个一个的温度阶梯 从而使最后一个温区的温度在很短时间达到一个很高的温度 这样设计还可以是每个隔离区域横向位置温度的不均匀性在一个很小的范围内 在此腔室内每个抽风口都特别设计了一个带加热装置的文氏阀 能保证腔室内产生的废气流很快离开腔室 避免在烧结温区废气对硅片的污染 还能让产生的废气流不在管道口处冷凝 对于温度的测试 2个热偶被安装在加热区域 一个用于温度控制 一个用于超温报警 最后一个温区中安装了2个热偶 于皮带正上方20mm处 他们反映了形成欧姆接触的共晶温度的真实值 他们的值可以在加热菜单看到 可以直接了解内部的实际温度 为了能让温度急剧下降 在高温区出口处的侧壁 上下部分都装有水冷系统 为了保证大部分热量都辐射到腔室内 在全部的加热盒子周围都覆盖上保温层 在外层还覆盖有双层的铝反射板 有效延长了灯管的使用寿命 冷却 冷却盒子是一个可循环的盒子 为了冷却电池片和皮带 运送冷却水的管道安装在皮带的上部和下部 冷却风扇分别安装在循环水管道的上方和下方 风速可以调整 上部的风扇将周围的空气通过冷却管道送到硅片和皮带上 下面的风扇吸走通过皮带周围和硅片底部的空气 烧结要达到的效果 1 正面Ag穿过SiNH扩散进硅但不可到达p n 2 背面Ag Al扩散进硅 这样 Ag Ag Al Al将与硅形成合金 建立了良好的电极欧姆接触 起到良好的收集电子的效果 烧结设备概述 烧结炉 设备 软件 烘干区 烧结区 冷却区 温度调节 上下功率调节 烧结传送带系统 入口 新带附属于旧带 完整的传送带轨道 悬链重量 压力滚轴 驱动滚轴 烧结炉结构 烧结各温区作用 烧结温度曲线 AlloyingabovetheAl Sieutectic ContactFormation SolventEva