EFG太阳电池的丝网印刷产业化进程要点

1、EFG太阳电池的丝网印刷产业化进程摘要本设计主要阐述了丝网印刷EFG太阳电池的制作工艺在高效、低成本太阳电 池的研究和生产中有着重要的地位。通过对丝网印刷制作太阳电池的工艺进行了 分析，提出了一些降低成本、提高效率的工艺路线 ,使得丝网印刷拥有高效、稳 定、自动化程度高的特点，从而适合市场的变换跟需求。关键词 EFG太阳能电池丝网印刷高效率 稳定自动化17目 录摘要 2绪言 4一EFG太阳能电池 5二. 丝网印刷技术 52.1丝网印刷技术的发展史 62.2丝网印刷技术的原理 72.3丝网印刷技术的特点 8三. 丝网印刷的步奏 8四. 丝网印刷技术 9五. 丝网印刷在未来的生产中的发展前景 12

2、参考文献16绪言本论文主要从实用、商品化太阳电池的生产与工艺研究出发， 对丝网印刷制 作PN结硅单晶太阳电池进行了理论和工艺研究。对整个丝网印刷制作太阳电池 工艺过程进行了系统的阐述，并对某些工艺进行了工艺条件的实验和改进，提出 了提高效率、降低成本的新工艺。在前文的基础上提出了一种降低太阳电池接触 电阻、提高光电转换效率的方法，从而提高EFG太阳能电池的丝网印刷产业进程。 通过对丝网印刷太阳电池工艺中栅极与半导体之间的接触电阻的研究出发，理论分析了欧姆接触的情形，载流子传输为两种机理的结合，要降低接触电阻应尽 量提高掺杂浓度，但同时也要考虑到高掺杂给太阳电池带来的不良影响。一.EFG太阳能电

3、池当光照在半导体上时，光所具有的能量被电子吸收，使其可以跃迁到更高的 能级。太阳电池就是利用价带电子吸收光子能量跃迁到导带，产生自由载流子从而实现光电转换，这就是太阳电池能量转换的基础PN结的光生伏特效应。当适当波长的光照射在PN结上时，在导带和价带中出现了电子和空穴，由于PN结势垒区存在着较强的内建电场，产生在势垒区的非平衡载流子以及从发射区和 基区扩散进势垒区的非平衡载流子在内建电场的作用下，使得电子流入N区、空穴流入P区，此时若将PN结两端开路，则由于构不成回路电子和空穴分别在N区和P区形成积累，结果使得 P区电势高而N区电势低，在PN结两端形成光生 电动势即开路电压Va;若将PN结短路

4、，则N区积累的电子就会通过外电路到达 电势较高的P区，与那里的空穴复合，而N区减少的电子又可以从势垒区得到补 偿，从而达到一个动态平衡，这样，只要有光照在PN结上，电路中就会有源源不断的电流流过形成光电流即短路电流 Q01'.这就是PN结的光生伏特效应。具 有光生伏特效应的PN结实际上就相当于一个电源，这就是太阳电池的工作原理。EFG限定边缘硅膜生长技术，EFG工艺是通过直接从熔融状态下的多晶硅 牵引生长出八边形或十二边形中空管状的多晶硅“硅膜”。以十二边形管为例， 每边边长125毫米，壁厚270微米，高度达到7米，而重量仅为数千克。通过对 每边的边缘进行激光切割即可得到太阳能电池用的

5、多晶硅片。由于中空管的壁厚即为成品硅片的厚度，因而在激光切割后无需后续的机械加工。这样生产出来的 硅片表面保持“晶体生长”的特点，与传统的“铸锭切片”工艺很不相同。传统 工艺在线切过程中会在硅片中引入大量的多晶或单晶体，并且会导致大量硅料损失于线切的砂浆中。EFG工艺几乎可以将全部硅管转化为硅片，硅管经激光切割 后边缘交接处剩余的少量部分还可以再循环利用，用于新硅管的生长。可见，EFG 工艺比传统工艺消耗的多晶硅材料更少，能量利用效率更高。二.丝网印刷技术2.1丝网印刷技术的发展史丝网印刷技术从本上世纪70年代开始产生并发展，由于其相对简单的生产 工艺，在市场上确立了优势。而丝网印刷也有各种不

6、同的制造工艺， 其中我们运 用的是一种最简单的工艺，它也被一些生产厂商和实验室改进并提高。 但是所有 的改进和变化都是为了获得更高的转换效率和更低的成本，所以许多的改进工艺已经运用于经济生产活动，而更多的还只是停留在实验室阶段。2.2丝网印刷技术的原理丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面 时，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上（刮刀有手动和自动两种）。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能 穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物上只有图像部位有印迹。

7、换言 之,丝网印刷实际上是利用油墨渗透过印版进行印刷的，这就是称它为丝网印刷而不叫蚕丝网印刷或绢印的原因， 因为不仅仅蚕丝用作丝网材料， 尼龙、聚酯纤 维、棉织品、棉布、不锈钢、铜、黄铜和青铜都可以作为丝网材料。M 耐11 TF图5 卬剧原理示总2.3丝网印刷技术的特点为了使电极和硅表面形成好的欧姆接触，由磷扩散所形成的表面n-型材料掺杂浓度偏高。正如上面所陈述的，高浓度掺杂降低材料内的少数载流子寿命， 使得光生载流子不能得到有效地收集。而短波长的太阳光是被这一层材料吸收 的，因此这些太阳光的能量不能得到很好的利用，形成所谓的“死层”。电池前表 面的复合高，因为电池的前表面没有采取有效的钝化措

8、施。受丝网技术的限制， 前表面的金属电极不能做的很窄， 从而遮挡了光在硅片内的有效吸收。 取决于硅 片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在 580 620mV之间, 短路电流密度在28 33mA/cm2之间，以及填充因子在70 75%之间。对于大面 积的电池，电池表面10%-15%面积被电池表面电极遮挡了。.丝网印刷的步奏图2 衣阳能电池生产主要丁序在太阳电池的生产制造的发展过程中， 都是围绕着两个重点，一个是提高太阳电 池的光电转换效率，另一个是降低太阳电池的生产成本。 我们知道，要提高太阳 电池的转换效率就必须选择质量高的半导体材料和先进的制作工艺，可是这样一来，太阳电池的

9、生产成本就大幅度地增加了。目前在高效太阳电池的制作过程中， 基本上是采用双面钝化、区域铝背场 n"P电池工艺和发射区钝化、硼背场 n,PP, 电池工艺un等两种工艺。为了达到高效的目的，这两种工艺均采用了多道高温制作工艺和生产成本昂贵的光刻、蒸镀工艺，由于工艺步骤繁多、生产周期长、 难以形成规模化的生产，生产成本非常高。因此，在商用太阳电池的生产中，主 要是用丝网印刷的工艺来制作太阳电池，其特点是成本低、易于形成规模化生产。 目前，我国地面用太阳电池的生产几乎全部采用了丝网印刷的制作工艺。丝网印刷本身是一项传统的工业化工艺技术， 自从七十年代就得到了广泛的应用。由 于其对设备要求低，

10、且在生产成本的降低中有着明显的优势， 因此该技术也广泛 地应用于太阳电池的生产中。其次，采用丝网印刷工艺可进行大规模生产和降低 生产周期。再次，采用丝网印刷可降低工艺污染，避免了光刻、腐蚀等这类废料 较多的工艺。近年来，通过人们对丝网印刷工艺的改进， 使该工艺水平大幅度地 提高，可以将栅线宽度降到50微米左右，膜厚提高到20微米左右，通过对浆料 的改进，使电池的参数得到明显的改善。本节以太阳电池级硅材料为基础对丝网 印刷电池工艺进行研究。常用的丝网材料有不锈钢和尼龙2种。不锈钢丝网的特点是丝径细、目数多，耐 磨性好，强度高，尺寸稳定，拉伸性小，由于丝径精细，油墨的通过性能好，尺 寸精度稳定，适

11、于太阳能电池片的印刷。尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成， 具有很高的强度，耐磨性、耐化学药品性、耐水性、弹性都比较好，由于丝径均 匀，表面光滑，故油墨的通过性也极好。其不足是尼龙丝网的拉伸性较大。这种 丝网在绷网后的一段时间内，张力有所降低，使丝网印版松驰，精度下降，在太 阳能电池片的印刷中采用不锈钢丝网。图 8为丝网的外形。图8 绞网的外形在生产及实验中，我们采用了表面具有绒面吸收面的PN结制作太阳电池，其实际结构如图2所示，基本的工艺流程如图2-6所示。银褊电啜图2-5輕.网印刷太阳酝池结构四.丝网印刷技术印刷过程从硅片放置到印刷台上开始。 非常精细的印刷丝网固定在网框上， 放置 在硅片上

12、方；丝网封闭了某些区域而其它区域保持开放， 以便导电浆料能够通过【图2】。硅片和丝网的距离要严格地控制（称为印刷间隙）。由于正面需要更加纤细的金属线，因此用于正面印刷的丝网其网格通常比用于背面印刷的要细小得多表2:印刷丝网上包含打开和闭合的区域，通过打开的区域，导电浆料可以被印 刷到硅片上。把适量的浆料放置于丝网之上，用刮刀涂抹浆料，使其均匀填充于网孔之中。刮刀在移动的过程中把浆料通过丝网网孔挤压到硅片上【图3】。这一过程的温度，压力，速度和其他变量都必须严格控制。表3:在丝网一端放置导电浆料，用刮刀在将浆料涂抹于丝网，并从网孔中挤 压到硅片上。每次印刷步骤后，硅片被放入烘干炉，使导电浆料凝固

13、。接着，硅片被送入 另一个不同的印刷机，在其正面或背面印制更多的线路。所有印刷步骤完成后， 将硅片放入高温炉里烧结。硅片正面和背面的印刷每块太阳能电池的正面和背面都有通过丝网印刷淀积的导线【图4】 它们的功能是不同的。正面的线路比背面的更细；有些制造商会先印刷背面的导电线， 然 后将硅片翻过来再印刷正面的线路，从而最大程度地降低在加工过程中可能产生 的损坏。在正面（面向太阳的一面），大多数晶体硅太阳能电池的设计都采用非 常精细的电路（“手指线”）把有效区域采集到的光生电子传递到更大的采集导线 “母线”上，接着再传递到组件的电路系统中。正面的手指线要比背面的线 路细得多（窄到80卩m。正因为如此

14、，正面的印刷步骤需要更高的精度和准确 性。图4:印刷后硅片正面会有大小不同的导线，用来从有效区域采集电能硅片的背面和正面的印刷要求是不同的， 技术上也不那么严格。背面印刷 的第一步工序是淀积一层以铝为基础的导电材料， 而不是非常细的导电栅。同时, 能够将没有捕捉到的光反射回电池上。这一层也能“钝化”太阳能电池，封闭多 余分子路径，避免流动电子被这些空隙所捕捉。背面印刷的第二步是制造母线， 和外部电路系统相连接【图5】图5:背面的母线通过焊接可以实现和外部的连接。新一代丝网印刷的应用如今晶体硅太阳能电池的平均转化效率是 15%业界的发展目标是将转化效率 提高到20%上，丝网印刷设备能够提供多种方

15、法帮助实现这一目标。实现更高 的转化效率可以从以下两个方面入手：电池工艺（创造出能够将光能转化为电能 的有效区域）和金属镀膜（形成导电金属线）。双重印刷电池正面导电线路的一个负面效应是阴影：导线阻挡了少量阳光，使其无法进 入电池的有效区域，从而降低了转化效率【图6】。为了将这种阴影效应降到最低，导线必须尽可能做到最窄。然而，为了保持足够的导电性，线条的高度必须 增加，这样才能保持同样的横截面积。实现更细，更高导线横截面的解决方案就 是将多条导线重叠印刷。这就意味着丝网印刷机必须能够高准确度、高重复性地 印刷非常细小的线条一一当前的标准线条小到80卩m相当于人类一根头发丝的平均厚度。图6:导线阻

16、挡光线，使其无法到达电池有效区域现在大多数导线烧结后的尺寸是110-120卩m宽，12-15卩m高。这样尺寸的 线条由于阴影效应带来的转化效率损失大约为 1.29%。要减少这一损耗，导线宽 度必须降低；同时，需要增加导线横截面的高度，以此优化导电性能。 【图7】。 导线横截面尺寸从110卩m宽/12卩m高转变为80卩m宽/30卩m高之后，潜在的转 化效率绝对增益为0.5%。图7:降低线条宽度减少了有效区域的阴影，从而提高潜在转化效率应用材料公司Bacci ni的方法是用两台不同的印刷机将两种材料进行重 叠印刷。这一最新的工艺在实际生产环境下实现了 80卩m宽、平均30卩m高的导 线横截面尺寸。

17、这种方法减少了大约20%勺阴影损失，相应的也降低了电阻系数。 通过在现有生产线上增加一台额外的丝网印刷机和烘干炉，就能非常方便地以一 种具有成本效益的方式实现多次印刷工艺。导线双重印刷（和其它的先进印刷应用）最关键的一点在于对准精度，因为第二层印刷物必须非常精准地置于第一层之上。应用材料公司Baccini的最新 研发成果使第二层印刷物的对齐精度达到土 15卩m这一技术采用了新型的高分 辨率照相机和新的软件算法，具有自动调整程序，并可以在印刷初始阶段进行额 外控制。此外，浆料配方和丝网设计必须经过仔细的共同优化， 从而最大限度地 实现丝网印刷的硬件和工艺效能。选择性发射极外一个新兴的应用是选择性

18、发射极技术 在丝网印刷的金属线下精确地 制造一个重度掺杂的n+区域，以便进一步降低接触电阻，从而实现转化效率的提高。【图8】150pmN+ Doped Silicon图&选择性发射极是一个直接位于金属线下的重度掺杂区域制作这些发射极区域有好几种技术。每一种都要求高精度和高重复性的多重印刷步骤。此外，发射极区域必须略宽于上方的金属线：对于100卩m宽的金属线来说，最优化的发射极区域宽度为 150卩m左右。很关键的一点是后续的金 属线必须非常精确地直接放置在发射极区域之上， 否则，就会失去它的效率优势。 应用材料公司Baccini的丝网印刷技术在成熟度、对准精度、低成本和高速度方 面都具有

19、优势，是实现这种电池工艺的理想选择。五.丝网印刷在未来的生产中的发展前景太阳能是一种清洁的可再生能源。以光伏效应为基础的太阳电池有着美好的 应用前景。其中，丝网印刷太阳电池的制作工艺在高效、低成本太阳电池的研究和生产中有着重要的地位。EFG带硅的材料损耗很小，通常制备50根八面体硅管， 需要硅原料150-200KG,仅在坩埚中浪费500g左右的硅原料.到电池制造完成共 有13%勺损耗,具有很强的市场竞争力但是EFG带硅晶体材料不可能是单晶材料 只能是晶粒细小的多晶,大小约100卩m.实验中EFG硅片电池最高的光电转换效 率14.8%,成品率已超过90%太阳能电池印刷是电池片生产线的重要工序，

20、对电 池片的质量起着重要作用，太阳能电池印刷技术是一个有机的整体，是各种技术 的组合，需要工艺工程师和设备工程师的协同工作：既要了解各个参数的特点， 又要了解其相互的制约关系；3种印刷工序既有相同之处又有区别， 需要针对不 同工序的具体要求分别优化各工艺参数， 制定出不同工艺实施方案，方可印刷出 符合工艺的产品。丝网印刷的生产力随着太阳能光伏产业的生产规模越来越大、 工艺步骤越来越多（以获取更高效率），很多问题包括高产量和处理更薄硅 片的能力等一一变得越来越重要。目前，晶体硅太阳能电池工厂的产量约为 1500硅片/小时（每条生产线）， 业界的目标是在不久的将来实现至少 3000硅片/小时。这需要使用非常先进的机 械自动化技术以最小的破片率高速处理硅片。这就意味在丝网印刷工艺中如丝网放置，浆料涂布和刮刀移动都需要以更 快的速度进行，同时，线条的宽度和对齐方式必须保持原有精度甚至更加精确。硅片越来越薄（因此更加易碎）的趋势推动了“软”处理技术的发展，以此 保持低破片率和高良率。应用材料公司Baccini以