處理太陽電池制造問題的印刷技術

太陽電池制造商非得提高每平方米表面積的效率和加工能力又不增加投資。今朝，SMT組裝中的細間距絲網印刷技術是金屬化技術的新進展。制造下一代太陽電池面臨的問題，對于電子制造行業并不生疏。

DarrenBrown，DEK國際公司

影響制造太陽電池包件的加工率和成本效益的因素很多，金屬化工藝也許是處理這些問題的最好辦法。硅芯片基板的金屬化是制造晶硅（cSi）太陽電池的關鍵連接工藝。收集太陽電池萌生的電流，這是很緊要的，它筆直影響電池的能量轉換效率。用絲網印刷技術對硅芯片進行金屬化，最適合太陽電池加工，是下一代太陽電池加工商首選的工藝技術（圖1）。絲網印刷是一種精密的印刷技術，使用在各個行業中，從產品標簽到埋入式無源電子組件和導電油墨，導電油墨和制造cSi太陽電池密切相關。制造晶硅太陽電池已有幾十年的歷史，很久以來和不太久之前，這個快速增長的行業就已經在挑戰絲網印刷技術，要求以很小的、可以忽略不計的誤差把細微的導體精確和可重復地印到基板上。制造太陽電池時還要考慮一些材料特性，如觸變性和流變性。

目前，絲網印刷技術和太陽電池工藝的關系十分密切，從而促使絲網印刷技術提高了印刷的精度和重復性，超過了摻雜劑硅芯片上印刷導電圖案的一般要求。例如，表面貼裝電路板組件常常要求超細間距印刷，把焊膏印刷到很多間距為0.3毫米或小于0.3毫米，直徑為0.3毫米的焊盤上。焊膏中蘊含的化學物質比使用絲網印刷技術進行太陽電池硅芯片金屬化的材料中蘊含的化學物質更多。最早的焊膏由懸浮在助焊劑中的微小錫球和鉛球組成，今朝的無鉛焊膏則蘊含銅、銀和銦等。焊膏一般印刷在裸電路板的導電銅焊盤上，然后把電子器件或組件的引線或引腳精確放到印刷了焊膏的銅焊盤上，再把電路板進入焊爐進行再流焊，形成牢固的電氣和機械連結。人們探討了其他的金屬化工藝和材料，例如熱熔融技術，但是大多數太陽電池制造商還是選擇絲網技術作為首選的辦法，使用的材料的選擇范圍很小，用銀膏形成硅芯片正面的指狀導電條，用鋁膏形成硅芯片背面的表面涂層。

制造商面臨的挑戰

制造新一代太陽電池給制造工藝的每個部分都帶來一系列新挑戰。這些挑戰對類似行業，例如對電子組件制造業來說并不生疏。

加工太陽電池的公司的要求中，關鍵的是對金屬化的兩個要求：一是提高硬件和設備的性能，一是增強工藝開發，提高太陽電池本身的效率。提高硬件和設備的性能關系到增加產量和提高成品率，這是制造商熟悉的問題——通過減少芯片破損和控制工藝使從加工線出來的每塊芯片時都是合格的。增強工藝開發則要求提高對設備提供商的要求。設備供應商不再是簡單地提供有加工效率的機器。設備的設計人員非得知道太陽電池制造商對設備的要求和工藝技術水平，開發新技術，使太陽電池制造商既能保持高成品率和高產量，加工出更好的太陽電池。

注重加工率的太陽電池制造商要求每條金屬化加工線的產量超過2400芯片/小時。目前，典型的金屬化加工線的產量在1200到1400芯片/小時之間，把產量提高一倍是很高的要求，更不用說提高易碎基板的運送和在傳送速度而不增加破損。太陽電池制造商還希望較小的廠房空間有更大的加工量、降低總體成本。

絲網印刷技術要向金屬化加工線發展，要求它超過太陽電池加工商的產量目標，又要滿足制造商對加工車間實際面積的考慮。為滿足這些要求開發的一種技術，一條加工線每小時能加工3000塊芯片，它的長度和1200塊/小時的加工線一樣，寬度只比常規加工線寬25％。這種技術使用多個印刷頭并行操作，這對加工是有利，如果加工線上有印刷頭停下，其它印刷頭持續工作。

如果常規的1200塊/小時加工線停下，加工完全停止，暫停5分鐘就意味著少加工100塊芯片，相當于加工率每小時損失8.3％。如果一條常規加工線每小時加工3000塊芯片，加工線暫停5分鐘就少加工250片芯片。使用多印刷頭技術，每小時印刷3000塊芯片，惟有一個印刷頭暫停工作，但其他印刷頭持續印刷，暫停5分鐘少加工84塊芯片。因此，惟有一個印刷頭暫停工作時一小時的產量是2916塊芯片，加工率只損失2.8％，還是可以接受的。

今朝，設備占用面積是太陽電池制造商非常關心的問題。這個問題也是其他電子組裝商長期以來一直關心的問題。他們關心這個問題的原由是相同的：總體成本。充份利用廠房將使制造商的投資更快得到回報（ROI），他們不需要建設新廠房就能提高加工率。由于有這樣的需要，出現了新一代小而緊湊的金屬化方案，它是設計成模塊化的，可以擴展——可以按照市場需求的增大很容易地迅速張大加工，但是加工線又十分緊湊，占用的空間很小。

使用的材料金屬化工藝用的材料方面仿佛變得簡單了。對熱熔融技術的興致已經下降，人們把留意力聚集到一組簡單的導電化學物質配方上。因此，具有工藝專長的供應商可以增強金屬化工藝，把開發重點放在提高提太陽電池的效率上，而不是去對付分散的材料供應。

對于金屬化工藝專家，關鍵性的挑戰是要在硅芯片正面生成足夠的導電指狀圖案來傳導硅芯片萌生的電流，又不會把芯片表面遮住太多面積。芯片表面上被太陽光遮住的部分——包括過份印刷的導電條部分，都不能萌生電流，這會降低電池可能達到的最大效率。

與此相反，印刷在芯片上的導電條太少，也會降低電池的效率，這是由于硅是半導體，硅的自然表面阻抗很大。導電條太少時，硅芯片表面萌生的實際電流很多，但被收集起來的電流很少。

硅芯片上接受陽光部分和被遮蓋部分達到最佳平衡，有利于提高能量轉換效率。印刷在芯片上的細小的指狀導電條傾覆的面積要比較少，但要使導電條在垂直方向上比較厚，能有效導電。這樣做的目的是使導體有比較大的高寬比，通常是寬50微米，高22微米。這個問題目前備受關注。其他的因素，例如絲網印刷中使用的乳膠絲網，它的精度對能量轉換效率也有影響。目前正在開發的各種技術中，有新的模板技術，導電條可能由幾層構成或電鑄形成，就象混合屏幕那樣。

自行制造絲網和模板絲網印刷設備制造商在開發金屬化工藝時是在三個層次進行：

確定標準的乳膠絲網并且用一組可印刷材料對印刷工藝進行優化；使用最新的乳膠絲網技術，其中使用更強的合金，網的金屬絲也更細，并且和新的光學成像技術結合起來；制造精密的混合模板。

隨著人們能夠在硅芯片上形成更細的導電條，部分問題轉變為避免在印刷工藝中萌生缺陷。已經是很窄的導電條非得印刷得很完美，但是，導電條的寬度和高度變小會增加阻抗，會降低太陽電池的能量轉換效率。當然，拙劣的印刷會造成導體斷裂，無論斷裂是多么細小，會使電路斷路，使太陽電池中含有斷路的部份不起作用。要處理這個問題，可以利用SMT組件中處理焊點可靠性的經驗和知識。

結論

對于太陽電池制造商，要達到很高的加工率，非得依據要求的產量對絲網印刷工藝和材料進行優化，控制金屬化加工線的性能，避免芯片破損和加工線停工。所有這些需要加工線要保持在小面積內。處理了這些問題，更有效、能量轉換效率更高的太陽電池和最終的太陽能組件與陣列就指日可待了。

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