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:晶体硅太阳能电池的制造需要进行多次丝网印刷步骤。
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。
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】,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m)。正因为如此,正面的印刷步骤需要更高的精度和准确性。
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】。
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)。
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m相当于人类一根头发丝的平均厚度。
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了80m宽、平均30m高的导线横截面尺寸。这种方法减少了大约20%的阴影损失,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+/�15m。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。
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m宽的金属线来说,最优化的发射极区域宽度为150m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优势,是实现这种电池工艺的理想选择。
晶体硅太阳能电池丝网印刷是一项用于积淀金属线和其它应用的技术,它具有成本效益并且可以进行扩展。最新的丝网印刷系统具有高度自动化,极高的产量和处理超薄硅片的能力。应用材料公司先进的Baccini丝网印刷机以其出色的对准精度和精细导线生产能力帮助业界实现新兴的多重印刷应用,如双重印刷和选择性发射极技术,从而提高电池效率并降低太阳能电力的每瓦成本。
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