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晶体硅太阳能电池的丝网印刷技术详解
时间:2010-6-30应用材料公司
生产晶体硅太阳能电池最关键的步骤之一是在硅片的正面和背面制造非常精细的电路，将光生电子导出电池。这个金属镀膜工艺通常由丝网印刷技术来完成——将含有金属的导电浆料透过丝网网孔压印在硅片上形成电路或电极。典型的晶体硅太阳能电池从头到尾整个生产工艺流程中需要进行多次丝网印刷步骤。通常，有两种不同的工艺分别用于电池正面(接触线和母线)和背面（电极/钝化和母线）的丝网印刷。【表1】

表1：晶体硅太阳能电池的制造需要进行多次丝网印刷步骤。应用材料公司Baccini产品可以帮助实现绿色框中的步骤。
多年来，太阳能丝网印刷设备在精度和自动化方面有了很大进步，具备了在微米级尺寸上重复进行多次印刷的能力。这一发展开创了全新的先进应用，如双重印刷和选择性发射极金属镀膜。Baccini公司在20世纪70年代在微电子领域开发了丝网印刷技术，并在20世纪80年代将这一技术扩展到太阳能金属镀膜领域。今天，Baccini公司已成为应用材料公司Baccini集团，以多项先进技术引领业界的发展。
基本的太阳能丝网印刷
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。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80μm）。正因为如此，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%以上，丝网印刷设备能够提供多种方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——当前的标准线条小到80μm——相当于人类一根头发丝的平均厚度。

图6：导线阻挡光线，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110-120μm宽，12-15μm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110μm宽/12μm高转变为80μm宽/30μm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Baccini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