处理太阳电池制造问题的印刷技术

太阳电池制造商非得提高每平方米表面积的效率和加工能力又不增加投资。今朝，SMT组装中的细间距丝网印刷技术是金属化技术的新进展。制造下一代太阳电池面临的问题，对于电子制造行业并不生疏。

DarrenBrown，DEK国际公司

影响制造太阳电池包件的加工率和成本效益的因素很多，金属化工艺也许是处理这些问题的最好办法。硅芯片基板的金属化是制造晶硅（cSi）太阳电池的关键连接工艺。收集太阳电池萌生的电流，这是很紧要的，它笔直影响电池的能量转换效率。用丝网印刷技术对硅芯片进行金属化，最适合太阳电池加工，是下一代太阳电池加工商首选的工艺技术（图1）。丝网印刷是一种精密的印刷技术，使用在各个行业中，从产品标签到埋入式无源电子组件和导电油墨，导电油墨和制造cSi太阳电池密切相关。制造晶硅太阳电池已有几十年的历史，很久以来和不太久之前，这个快速增长的行业就已经在挑战丝网印刷技术，要求以很小的、可以忽略不计的误差把细微的导体精确和可重复地印到基板上。制造太阳电池时还要考虑一些材料特性，如触变性和流变性。

目前，丝网印刷技术和太阳电池工艺的关系十分密切，从而促使丝网印刷技术提高了印刷的精度和重复性，超过了掺杂剂硅芯片上印刷导电图案的一般要求。例如，表面贴装电路板组件常常要求超细间距印刷，把焊膏印刷到很多间距为0.3毫米或小于0.3毫米，直径为0.3毫米的焊盘上。焊膏中蕴含的化学物质比使用丝网印刷技术进行太阳电池硅芯片金属化的材料中蕴含的化学物质更多。最早的焊膏由悬浮在助焊剂中的微小锡球和铅球组成，今朝的无铅焊膏则蕴含铜、银和铟等。焊膏一般印刷在裸电路板的导电铜焊盘上，然后把电子器件或组件的引线或引脚精确放到印刷了焊膏的铜焊盘上，再把电路板进入焊炉进行再流焊，形成牢固的电气和机械连结。人们探讨了其他的金属化工艺和材料，例如热熔融技术，但是大多数太阳电池制造商还是选择丝网技术作为首选的办法，使用的材料的选择范围很小，用银膏形成硅芯片正面的指状导电条，用铝膏形成硅芯片背面的表面涂层。

制造商面临的挑战

制造新一代太阳电池给制造工艺的每个部分都带来一系列新挑战。这些挑战对类似行业，例如对电子组件制造业来说并不生疏。

加工太阳电池的公司的要求中，关键的是对金属化的两个要求：一是提高硬件和设备的性能，一是增强工艺开发，提高太阳电池本身的效率。提高硬件和设备的性能关系到增加产量和提高成品率，这是制造商熟悉的问题——通过减少芯片破损和控制工艺使从加工线出来的每块芯片时都是合格的。增强工艺开发则要求提高对设备提供商的要求。设备供应商不再是简单地提供有加工效率的机器。设备的设计人员非得知道太阳电池制造商对设备的要求和工艺技术水平，开发新技术，使太阳电池制造商既能保持高成品率和高产量，加工出更好的太阳电池。

注重加工率的太阳电池制造商要求每条金属化加工线的产量超过2400芯片/小时。目前，典型的金属化加工线的产量在1200到1400芯片/小时之间，把产量提高一倍是很高的要求，更不用说提高易碎基板的运送和在传送速度而不增加破损。太阳电池制造商还希望较小的厂房空间有更大的加工量、降低总体成本。

丝网印刷技术要向金属化加工线发展，要求它超过太阳电池加工商的产量目标，又要满足制造商对加工车间实际面积的考虑。为满足这些要求开发的一种技术，一条加工线每小时能加工3000块芯片，它的长度和1200块/小时的加工线一样，宽度只比常规加工线宽25％。这种技术使用多个印刷头并行操作，这对加工是有利，如果加工线上有印刷头停下，其它印刷头持续工作。

如果常规的1200块/小时加工线停下，加工完全停止，暂停5分钟就意味着少加工100块芯片，相当于加工率每小时损失8.3％。如果一条常规加工线每小时加工3000块芯片，加工线暂停5分钟就少加工250片芯片。使用多印刷头技术，每小时印刷3000块芯片，惟有一个印刷头暂停工作，但其他印刷头持续印刷，暂停5分钟少加工84块芯片。因此，惟有一个印刷头暂停工作时一小时的产量是2916块芯片，加工率只损失2.8％，还是可以接受的。

今朝，设备占用面积是太阳电池制造商非常关心的问题。这个问题也是其他电子组装商长期以来一直关心的问题。他们关心这个问题的原由是相同的：总体成本。充份利用厂房将使制造商的投资更快得到回报（ROI），他们不需要建设新厂房就能提高加工率。由于有这样的需要，出现了新一代小而紧凑的金属化方案，它是设计成模块化的，可以扩展——可以按照市场需求的增大很容易地迅速张大加工，但是加工线又十分紧凑，占用的空间很小。

使用的材料金属化工艺用的材料方面仿佛变得简单了。对热熔融技术的兴致已经下降，人们把留意力聚集到一组简单的导电化学物质配方上。因此，具有工艺专长的供应商可以增强金属化工艺，把开发重点放在提高提太阳电池的效率上，而不是去对付分散的材料供应。

对于金属化工艺专家，关键性的挑战是要在硅芯片正面生成足够的导电指状图案来传导硅芯片萌生的电流，又不会把芯片表面遮住太多面积。芯片表面上被太阳光遮住的部分——包括过份印刷的导电条部分，都不能萌生电流，这会降低电池可能达到的最大效率。

与此相反，印刷在芯片上的导电条太少，也会降低电池的效率，这是由于硅是半导体，硅的自然表面阻抗很大。导电条太少时，硅芯片表面萌生的实际电流很多，但被收集起来的电流很少。

硅芯片上接受阳光部分和被遮盖部分达到最佳平衡，有利于提高能量转换效率。印刷在芯片上的细小的指状导电条倾覆的面积要比较少，但要使导电条在垂直方向上比较厚，能有效导电。这样做的目的是使导体有比较大的高宽比，通常是宽50微米，高22微米。这个问题目前备受关注。其他的因素，例如丝网印刷中使用的乳胶丝网，它的精度对能量转换效率也有影响。目前正在开发的各种技术中，有新的模板技术，导电条可能由几层构成或电铸形成，就象混合屏幕那样。

自行制造丝网和模板丝网印刷设备制造商在开发金属化工艺时是在三个层次进行：

确定标准的乳胶丝网并且用一组可印刷材料对印刷工艺进行优化；使用最新的乳胶丝网技术，其中使用更强的合金，网的金属丝也更细，并且和新的光学成像技术结合起来；制造精密的混合模板。

随着人们能够在硅芯片上形成更细的导电条，部分问题转变为避免在印刷工艺中萌生缺陷。已经是很窄的导电条非得印刷得很完美，但是，导电条的宽度和高度变小会增加阻抗，会降低太阳电池的能量转换效率。当然，拙劣的印刷会造成导体断裂，无论断裂是多么细小，会使电路断路，使太阳电池中含有断路的部份不起作用。要处理这个问题，可以利用SMT组件中处理焊点可靠性的经验和知识。

结论

对于太阳电池制造商，要达到很高的加工率，非得依据要求的产量对丝网印刷工艺和材料进行优化，控制金属化加工线的性能，避免芯片破损和加工线停工。所有这些需要加工线要保持在小面积内。处理了这些问题，更有效、能量转换效率更高的太阳电池和最终的太阳能组件与阵列就指日可待了。

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