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 個主要印刷工藝參數(shù)進行合理設(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化、復雜化、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，通過試驗研究和經(jīng)驗總結(jié)，提出切實有效的工藝參數(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，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個參數(shù)中如果有3個參數(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，同時電極電阻增大。上述原因都將導致載流子收集受限[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

　　在實際的生產(chǎn)過程中，如何綜合考慮上述4個參數(shù)的合理設(shè)置，并針對具體情況及時作出調(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：

　　（1）首先安裝、校驗網(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的運動，規(guī)定以印刷臺面為零點，向下為正，所以該參數(shù)值為負。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。

　?。?）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，向下為負，所以該參數(shù)值為負。在保證印刷質(zhì)量的前提下，刮條下降深度越小越好。在實際操作中，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。

　　（4）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，在刮刀的反復刮壓下網(wǎng)版張力逐漸下降，此時應及時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)印刷機結(jié)構(gòu)示意圖及其印刷示意圖見圖1。

　　 3試驗性能指標分析

　　為了驗證以上工藝參數(shù)調(diào)整方案的合理性和實效性，以生產(chǎn)單晶硅電池片所測得的試驗數(shù)據(jù)為例，進行性能分析。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

整個試驗過程不更換網(wǎng)版和漿料。其中，網(wǎng)版規(guī)格為400目90線，副柵設(shè)計寬度為43μm，線徑18μm，膜厚（14±2）μm，張力（26±2）N。實際工藝控制點數(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，使得每個印刷臺面的印刷濕重重復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的要求。對于副柵寬度，燒結(jié)前平均線寬約為61μm，重復測量波動范圍在±3μm以內(nèi)；燒結(jié)后平均線寬約為71μm，重復測量波動范圍在±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)域擴散遷移，同時伴隨著銀漿中的玻璃粉的熔化、有機成分的揮發(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)計膜厚來估量柵線印刷高度（燒結(jié)后實際高度小于膜厚），進而測量燒結(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)置所達到燒結(jié)后副柵平均寬度71μm。這是一個較為理想的值，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，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)版的使用壽命可達到13000片/塊。

　　 3.2EL檢測圖像分析

　　為了進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)部缺陷進行質(zhì)量監(jiān)控，如黑心、黑邊等，燒結(jié)后對電池片進行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)量標準。同時，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，采用上述絲網(wǎng)印刷工藝方案實施正面電極印刷，并隨機選取5單（每單200片）作為試驗測試目標，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的標準條件下對成品電池片進行電性能測試，每單電池片各項電性能參數(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)定運行的前提下，生產(chǎn)出的成品晶硅太陽能電池片各項電性能參數(shù)較為理想。其中，最大功率Pmpp平均可達到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，達到了試驗預期目標。

　　 4結(jié)論

　　通過對太陽能電池正面電極印刷工藝進行試驗研究，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)定的運行提供技術(shù)保障。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術(shù)核心，自主技術(shù)研究與應用拓展為導向的高科技企業(yè)。公司自成立以來不斷創(chuàng)新，在智能自動化領(lǐng)域研發(fā)出視覺對位系統(tǒng)、機械手視覺定位、視覺檢測、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業(yè)領(lǐng)域。雙翌視覺系統(tǒng)最高生產(chǎn)精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業(yè)的生產(chǎn)水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產(chǎn)流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產(chǎn)的普及與發(fā)展，雙翌將為廣大生產(chǎn)行業(yè)帶來更全面、更精細、更智能化的技術(shù)及服務。