解決太陽電池制造問題的印刷技術(shù)

太陽電池制造商必須提高每平方米表面積的效率和生產(chǎn)能力又不增加投資?，F(xiàn)在，SMT組裝中的細(xì)間距絲網(wǎng)印刷技術(shù)是金屬化技術(shù)的新進(jìn)展。制造下一代太陽電池面臨的問題，對于電子制造行業(yè)并不陌生。

Darren Brown， DEK國際公司

影響制造太陽電池組件的生產(chǎn)率和成本效益的因素很多，金屬化工藝也許是解決這些問題的最好方法。硅芯片基板的金屬化是制造晶硅（cSi）太陽電池的關(guān)鍵連接工藝。收集太陽電池產(chǎn)生的電流，這是很重要的，它直接影響電池的能量轉(zhuǎn)換效率。用絲網(wǎng)印刷技術(shù)對硅芯片進(jìn)行金屬化，最適合太陽電池生產(chǎn)，是下一代太陽電池生產(chǎn)商首選的工藝技術(shù)（圖1）。
絲網(wǎng)印刷是一種精密的印刷技術(shù)，應(yīng)用在各個行業(yè)中，從產(chǎn)品標(biāo)簽到埋入式無源電子組件和導(dǎo)電油墨，導(dǎo)電油墨和制造cSi太陽電池密切相關(guān)。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(yè)就已經(jīng)在挑戰(zhàn)絲網(wǎng)印刷技術(shù)，要求以很小的、可以忽略不計的誤差把纖細(xì)的導(dǎo)體精確和可重復(fù)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(wǎng)印刷技術(shù)和太陽電池工藝的關(guān)系十分密切，從而促使絲網(wǎng)印刷技術(shù)提高了印刷的精度和重復(fù)性，超過了摻雜劑硅芯片上印刷導(dǎo)電圖案的一般要求。例如，表面貼裝電路板組件經(jīng)常要求超細(xì)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。焊膏中包含的化學(xué)物質(zhì)比使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)進(jìn)行太陽電池硅芯片金屬化的材料中包含的化學(xué)物質(zhì)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，現(xiàn)在的無鉛焊膏則包含銅、銀和銦等。焊膏一般印刷在裸電路板的導(dǎo)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(jìn)入焊爐進(jìn)行再流焊，形成牢固的電氣和機(jī)械連結(jié)。
人們探討了其他的金屬化工藝和材料，例如熱熔融技術(shù)，但是大多數(shù)太陽電池制造商還是選擇絲網(wǎng)技術(shù)作為首選的方法，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(dǎo)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(zhàn)

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(zhàn)。這些挑戰(zhàn)對類似行業(yè)，例如對電子組件制造業(yè)來說并不陌生。

生產(chǎn)太陽電池的公司的要求中，關(guān)鍵的是對金屬化的兩個要求：一是提高硬件和設(shè)備的性能，一是加強(qiáng)工藝開發(fā)，提高太陽電池本身的效率。提高硬件和設(shè)備的性能關(guān)系到增加產(chǎn)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生產(chǎn)線出來的每塊芯片時都是合格的。加強(qiáng)工藝開發(fā)則要求提高對設(shè)備提供商的要求。設(shè)備供應(yīng)商不再是簡單地提供有生產(chǎn)效率的機(jī)器。設(shè)備的設(shè)計人員必須了解太陽電池制造商對設(shè)備的要求和工藝技術(shù)水平，開發(fā)新技術(shù)，使太陽電池制造商既能保持高成品率和高產(chǎn)量，生產(chǎn)出更好的太陽電池。

注重生產(chǎn)率的太陽電池制造商要求每條金屬化生產(chǎn)線的產(chǎn)量超過2400芯片/小時。目前，典型的金屬化生產(chǎn)線的產(chǎn)量在1200到1400芯片/小時之間，把產(chǎn)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生產(chǎn)量、降低總體成本。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)要向金屬化生產(chǎn)線發(fā)展，要求它超過太陽電池生產(chǎn)商的產(chǎn)量目標(biāo)，又要滿足制造商對生產(chǎn)車間實際面積的考慮。為滿足這些要求開發(fā)的一種技術(shù)，一條生產(chǎn)線每小時能生產(chǎn)3000塊芯片，它的長度和1200塊/小時的生產(chǎn)線一樣，寬度只比常規(guī)生產(chǎn)線寬25％。這種技術(shù)使用多個印刷頭并行操作，這對生產(chǎn)是有利，如果生產(chǎn)線上有印刷頭停下，其它印刷頭繼續(xù)工作。

如果常規(guī)的1200塊/小時生產(chǎn)線停下，生產(chǎn)完全停止，暫停5分鐘就意味著少生產(chǎn)100塊芯片，相當(dāng)于生產(chǎn)率每小時損失8.3％。如果一條常規(guī)生產(chǎn)線每小時生產(chǎn)3000塊芯片，生產(chǎn)線暫停5分鐘就少生產(chǎn)250片芯片。使用多印刷頭技術(shù)，每小時印刷3000塊芯片，只有一個印刷頭暫停工作，但其他印刷頭繼續(xù)印刷，暫停5分鐘少生產(chǎn)84塊芯片。因此，只有一個印刷頭暫停工作時一小時的產(chǎn)量是2916塊芯片，生產(chǎn)率只損失2.8％，還是可以接受的。

現(xiàn)在，設(shè)備占用面積是太陽電池制造商非常關(guān)心的問題。這個問題也是其他電子組裝商長期以來一直關(guān)心的問題。他們關(guān)心這個問題的原因是相同的：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(shè)新廠房就能提高生產(chǎn)率。由于有這樣的需要，出現(xiàn)了新一代小而緊湊的金屬化方案，它是設(shè)計成模塊化的，可以擴(kuò)展——可以按照市場需求的增大很容易地迅速擴(kuò)大生產(chǎn)，但是生產(chǎn)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似乎變得簡單了。對熱熔融技術(shù)的興趣已經(jīng)下降，人們把注意力集中到一組簡單的導(dǎo)電化學(xué)物質(zhì)配方上。因此，具有工藝專長的供應(yīng)商可以加強(qiáng)金屬化工藝，把開發(fā)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(yīng)。

對于金屬化工藝專家，關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)是要在硅芯片正面生成足夠的導(dǎo)電指狀圖案來傳導(dǎo)硅芯片產(chǎn)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(dǎo)電條部分，都不能產(chǎn)生電流，這會降低電池可能達(dá)到的最大效率。

與此相反，印刷在芯片上的導(dǎo)電條太少，也會降低電池的效率，這是由于硅是半導(dǎo)體，硅的自然表面阻抗很大。導(dǎo)電條太少時，硅芯片表面產(chǎn)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(dá)到最佳平衡，有利于提高能量轉(zhuǎn)換效率。印刷在芯片上的細(xì)小的指狀導(dǎo)電條覆蓋的面積要比較少，但要使導(dǎo)電條在垂直方向上比較厚，能有效導(dǎo)電。這樣做的目的是使導(dǎo)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(guān)注。其他的因素，例如絲網(wǎng)印刷中使用的乳膠絲網(wǎng)，它的精度對能量轉(zhuǎn)換效率也有影響。目前正在開發(fā)的各種技術(shù)中，有新的模板技術(shù)，導(dǎo)電條可能由幾層構(gòu)成或電鑄形成，就象混合屏幕那樣。

自行制造絲網(wǎng)和模板絲網(wǎng)印刷設(shè)備制造商在開發(fā)金屬化工藝時是在三個層次進(jìn)行：

確定標(biāo)準(zhǔn)的乳膠絲網(wǎng)并且用一組可印刷材料對印刷工藝進(jìn)行優(yōu)化；使用最新的乳膠絲網(wǎng)技術(shù)，其中使用更強(qiáng)的合金，網(wǎng)的金屬絲也更細(xì)，并且和新的光學(xué)成像技術(shù)結(jié)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(xì)的導(dǎo)電條，部分問題轉(zhuǎn)變?yōu)楸苊庠谟∷⒐に囍挟a(chǎn)生缺陷。已經(jīng)是很窄的導(dǎo)電條必須印刷得很完美，但是，導(dǎo)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(zhuǎn)換效率。
當(dāng)然，拙劣的印刷會造成導(dǎo)體斷裂，無論斷裂是多么細(xì)小，會使電路斷路，使太陽電池中含有斷路的部份不起作用。要解決這個問題，可以利用SMT組件中解決焊點可靠性的經(jīng)驗和知識。

結(jié)論

對于太陽電池制造商，要達(dá)到很高的生產(chǎn)率，必須根據(jù)要求的產(chǎn)量對絲網(wǎng)印刷工藝和材料進(jìn)行優(yōu)化，控制金屬化生產(chǎn)線的性能，避免芯片破損和生產(chǎn)線停工。所有這些需要生產(chǎn)線要保持在小面積內(nèi)。解決了這些問題，更有效、能量轉(zhuǎn)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。