摘要：為了解決晶硅太陽能電池正面電極印刷過程中存在的工藝缺陷，以Baccini 絲網(wǎng)印刷設(shè)備為例，結(jié)合具體生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)對絲網(wǎng)間距、刮條下降深度、印刷速度、印刷壓力4 個(gè)主要印刷工藝參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置和優(yōu)化，能較好地改善正面電極印刷效果，并有利于電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高，為提升企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供參考。

　　絲網(wǎng)印刷技術(shù)是晶體硅太陽能電池表面金屬化中最為成熟的工藝技術(shù)，但是在目前追求高效率、低成本的趨勢下，晶體硅太陽能電池正電極柵線正朝著精細(xì)化、復(fù)雜化、大高寬比方向發(fā)展，絲網(wǎng)印刷技術(shù)已逐漸顯示出它的局限性。隨著技術(shù)的發(fā)展，多種新技術(shù)已初步取得了很好的效果[1—4]，如二次印刷技術(shù)、激光刻槽埋柵（LGBC）技術(shù)、激光穿孔技術(shù)（EWT&MWT）以及噴墨打印技術(shù)等。但由于工藝穩(wěn)定性有待提高，不適應(yīng)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求，因此，傳統(tǒng)印刷技術(shù)依然處于主導(dǎo)地位[5—6]。本文針對晶硅太陽能電池正面電極印刷過程中存在的質(zhì)量問題，通過試驗(yàn)研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出切實(shí)有效的工藝參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化方案。

　　 1工藝參數(shù)及存在問題

　　晶硅太陽能電池正面電極印刷工藝控制點(diǎn)為印刷濕重和柵線寬度，而影響印刷濕重、柵線寬度的主要工藝參數(shù)有4個(gè)，分別是絲網(wǎng)間距（Snap-offPosition）、刮條下降深度（Down-Stop）、印刷速度（PrintingSpeed）、印刷壓力（PrintingPressure）。在一定區(qū)間內(nèi)，4個(gè)參數(shù)中如果有3個(gè)參數(shù)不變，如絲網(wǎng)間距抬高，印刷濕重增大，柵線印刷寬度變窄；刮條下降深度越小，印刷濕重越大，柵線印刷寬度變窄；印刷速度越快，印刷濕重越大，但速度超過一定越大，但過小則會造成斷柵、虛印等不良印刷，過大則極易造成電池片隱裂以及網(wǎng)版破損。若絲網(wǎng)間距過大或刮條下降深度過小，則斷柵增多，甚至造成虛??；若絲網(wǎng)間距過小或刮條下降深度過大，則柵線的高寬比下降，甚至造成柵線兩側(cè)毛刺增多、遮光面積增大，同時(shí)電極電阻增大。上述原因都將導(dǎo)致載流子收集受限[7—8]，對電池片的光電轉(zhuǎn)換效率造成一定影響。

　　 2工藝方案設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，如何綜合考慮上述4個(gè)參數(shù)的合理設(shè)置，并針對具體情況及時(shí)作出調(diào)整，從而確保良好的印刷質(zhì)量，是目前傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷工藝需要解決的關(guān)鍵問題[9—11]。

　　具體工藝參數(shù)設(shè)置與調(diào)整方案包括以下步驟：

　?。?）首先安裝、校驗(yàn)網(wǎng)版，將印刷模式選擇為先印刷后刮漿料。

　?。?）設(shè)置絲網(wǎng)間距值的調(diào)節(jié)范圍為-1200～-1600μm。該參數(shù)關(guān)系到垂直方向上電機(jī)的運(yùn)動，規(guī)定以印刷臺面為零點(diǎn)，向下為正，所以該參數(shù)值為負(fù)。在保證印刷質(zhì)量的前提下，網(wǎng)版與印刷臺面間距越小越好。

　　（3）設(shè)置刮條下降深度值的調(diào)節(jié)范圍為-1000～-1400μm。規(guī)定以網(wǎng)版平面為零點(diǎn)，向下為負(fù)，所以該參數(shù)值為負(fù)。在保證印刷質(zhì)量的前提下，刮條下降深度越小越好。在實(shí)際操作中，該參數(shù)值雖然不直接與絲網(wǎng)間距值相關(guān)聯(lián)，但若要調(diào)整絲網(wǎng)間距值，則需要同步修改此參數(shù)值。

　?。?）設(shè)置印刷速度值的調(diào)節(jié)范圍為150～250mm/s。在保證印刷質(zhì)量的前提下，印刷速度越快越好，有利于提高生產(chǎn)效率。

　?。?）設(shè)置印刷壓力值的調(diào)節(jié)范圍為60～80N。在保證印刷質(zhì)量的前提下，壓力越小越好。對于新網(wǎng)版，剛開始印刷時(shí)壓力值設(shè)置較小為宜，以防止壓力過大造成網(wǎng)版破損。隨著網(wǎng)版印刷次數(shù)的增加，在刮刀的反復(fù)刮壓下網(wǎng)版張力逐漸下降，此時(shí)應(yīng)及時(shí)稱量印刷濕重并測量印刷線寬，并根據(jù)具體情況逐漸增大印刷壓力。絲網(wǎng)印刷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及其印刷示意圖見圖1。

　　 3試驗(yàn)性能指標(biāo)分析

　　為了驗(yàn)證以上工藝參數(shù)調(diào)整方案的合理性和實(shí)效性，以生產(chǎn)單晶硅電池片所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行性能分析。其中，硅片選用P型直拉單晶硅，尺寸為156mm×156mm，電阻率為0.5～3.0Ω·cm，厚度為（200±20）μm，擴(kuò)散后方塊電阻為（65±3）Ω，少數(shù)載流子壽命大于6μs，氮化硅膜厚80～85nm，折射率為2.00～2.05。經(jīng)過清洗制絨、擴(kuò)散制結(jié)、等離子刻蝕、去磷硅玻璃(去PSG)、鍍減反射膜（PECVD）等常規(guī)生產(chǎn)工藝流程后進(jìn)行電極印刷。背面電極印刷選用儒興RX-61041銀漿，鋁背場（BSF）印刷選用儒興RX-8252X鋁漿，正面電極印刷選用三星PASF8521銀漿。

　　 3.1印刷外觀分析

整個(gè)試驗(yàn)過程不更換網(wǎng)版和漿料。其中，網(wǎng)版規(guī)格為400目90線，副柵設(shè)計(jì)寬度為43μm，線徑18μm，膜厚（14±2）μm，張力（26±2）N。實(shí)際工藝控制點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1。

　　采用上述參數(shù)設(shè)置及調(diào)整方法，在不考慮測量誤差的情況下，使得每個(gè)印刷臺面的印刷濕重重復(fù)測量波動范圍控制在0.01g以內(nèi)，且平均值為0.119g，完全符合工藝控制點(diǎn)的要求。對于副柵寬度，燒結(jié)前平均線寬約為61μm，重復(fù)測量波動范圍在±3μm以內(nèi)；燒結(jié)后平均線寬約為71μm，重復(fù)測量波動范圍在±3.5μm以內(nèi)，利用工具顯微鏡觀察，副柵線形貌見圖2。

　　燒結(jié)的本質(zhì)是導(dǎo)電體銀漿穿透氮化硅膜，與硅基體形成歐姆接觸的金屬化過程[12]。但在高溫下，銀離子向低濃度區(qū)域擴(kuò)散遷移，同時(shí)伴隨著銀漿中的玻璃粉的熔化、有機(jī)成分的揮發(fā)，冷卻后銀漿致密化[13—15]，使得燒結(jié)后的柵線寬度增加，高度較低，表現(xiàn)為塌縮現(xiàn)象。因此，實(shí)際測得燒結(jié)后的副柵線寬要比燒結(jié)前的寬10μm左右。在不具備測量柵線印刷高度的條件下，可根據(jù)網(wǎng)版設(shè)計(jì)膜厚來估量柵線印刷高度（燒結(jié)后實(shí)際高度小于膜厚），進(jìn)而測量燒結(jié)后的印刷寬度來衡量柵線的高寬比。采用上述參數(shù)設(shè)置所達(dá)到燒結(jié)后副柵平均寬度71μm。這是一個(gè)較為理想的值，能夠保證一定的高寬比，且柵線兩側(cè)無毛刺，在減小遮光面積的同時(shí)，降低柵線電阻，最終有利于提升電池片轉(zhuǎn)換效率。從電池片印刷外觀來看，斷柵較少，平均每片只有2條，且基本無虛印、隱裂等不良印刷情況。此外，在不考慮非正常因素的情況下，網(wǎng)版的使用壽命可達(dá)到13000片/塊。

　　 3.2EL檢測圖像分析

　　為了進(jìn)一步檢測電池片印刷缺陷及前序工藝問題，如斷柵、虛印、隱裂、過刻、漏電等，并對電池材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，如黑心、黑邊等，燒結(jié)后對電池片進(jìn)行EL檢測，這里采用上海榮豪SA-50型EL檢測儀。具體檢測圖像見圖3。

由圖3可知，電池片電致發(fā)光圖像均勻、明亮，說明材料本身無缺陷，符合太陽能及硅材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，也說明前序工藝過程未造成工藝污染。此外，平均單片斷柵條數(shù)小于3，斷柵造成的暗區(qū)長度不超過3cm，完全在工藝可控范圍之內(nèi)，且基本無虛印、隱裂、粗線和波浪線等不良印刷現(xiàn)象。

　　 3.3電性能分析

　　在前序工藝保持一致性的同時(shí)，采用上述絲網(wǎng)印刷工藝方案實(shí)施正面電極印刷，并隨機(jī)選取5單（每單200片）作為試驗(yàn)測試目標(biāo)，單號分別記作s-1、s-2、s-3、s-4、s-5。經(jīng)正面電極印刷、燒結(jié)后采用德國Berger公司AAA級太陽能模擬器在輻照度為1000W/m2的標(biāo)準(zhǔn)條件下對成品電池片進(jìn)行電性能測試，每單電池片各項(xiàng)電性能參數(shù)測試平均值見表2。

　　由表2可知，采用上述正面電極印刷工藝方案，在保證生產(chǎn)線連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，生產(chǎn)出的成品晶硅太陽能電池片各項(xiàng)電性能參數(shù)較為理想。其中，最大功率Pmpp平均可達(dá)到4.5W以上，開路電壓Uoc及短路電流Isc較為穩(wěn)定，填充因子FF平均值高達(dá)79.6%，串聯(lián)電阻Rs較低且基本保持在3mΩ以內(nèi)，并聯(lián)電阻Rsh較大但有一定的波動，反向電流Irev2（-12V）平均低于0.113A，在可控范圍內(nèi)。最終的光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定地保持在18.9%左右，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)。

　　 4結(jié)論

　　通過對太陽能電池正面電極印刷工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出合理有效的工藝參數(shù)設(shè)置方案，能夠精確、有效地調(diào)節(jié)和控制正面電極印刷濕重、柵線印刷寬度，確保良好的高寬比，在改善成品電池電性能參數(shù)的同時(shí)有利于提升其光電轉(zhuǎn)換效率。此外，能夠很好地控制斷柵、虛印等不良印刷，降低隱裂片、增加網(wǎng)版使用壽命，有利于節(jié)約生產(chǎn)成本，提高印刷質(zhì)量，并為晶硅電池印刷生產(chǎn)線長期、穩(wěn)定的運(yùn)行提供技術(shù)保障。

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