技术金属刮刀在太阳能电池片钢网印刷中的应用

1引言　　在目前主流的晶体硅太阳能电池片的制造流程中，主要包括以下主要工艺流程：制绒，扩散，边缘刻蚀，镀...



　　1引言

在目前主流的晶体硅太阳能电池片的制造流程中，主要包括以下主要工艺流程：制绒，扩散，边缘刻蚀，镀膜，金属化。其中，金属化的量产工艺中，又是以丝网印刷为主流[1]。

近年来，金属化工艺也凸现了一批更加先进的工艺流程，比如电镀，喷墨打印等[2]，但是由于目前太阳能电池片生产低成本化的大趋势下，都在和丝网印刷的竞争中处于劣势。

本文中试用的钢网[3]是在原有丝网印刷工艺上的一种改进。我们发现丝网印刷工艺中，由于印刷出来的细栅线具有波浪形的表面形貌。在电池片上的细栅收集电流的时候，细栅上凸起的栅线部分实际上是没有对电流的导通起到作用，而细栅线凹下去的部分反而是电流收集中的瓶颈。相比较而言，钢网印刷出来的太阳能电池片细栅具有更加明显的优势[如图1和图2所示]。

通过实验，可以证明在相同的银浆消耗下，钢网印刷出来的细栅线比传统丝网印刷出来的细栅线具有更加良好的导电性能[4]。

在本文中，我们对钢网使用不同材料的刮刀进行了研究。在早期的试验中，我们发现使用传统丝网印刷用的高分子材料的刮刀时，印刷出来细栅线的高度和钢网的厚度有很大的差别。经过试验发现，高分子材料的刮刀在印刷过程当中，会因为本身材料的弹性，嵌入到钢网的细栅开口中，造成对浆料的"挖掘"效应[如图3所示]。　　2实验

2.1实验条件：

1）印刷机采用ASM-AE的Eclipse印刷机，及其配套烘干炉，Despatch烧结炉，电池片效率测试采用德国Halm测试机

2）栅线形貌表征采用Nikon显微镜和Cyber表面形貌仪

3）印刷钢网采用ASM公司的Vectoguard框架，及配套钢网和金属刮刀

4）高分子刮刀采用邵氏硬度80的microtec刮刀

5）印刷浆料采用Dupont公司的钢网专用浆料

6）电池片采用如图4结构的PERC太阳能电池片2.2实验流程：

使用ISFH实验室提供的背钝化电池片为基板[5]，在实验室使用ASM公司的Eclipse印刷机进行印刷。

实验采用两步印刷工艺[6,7]。第一步使用普通丝网印刷只有主栅的正面图形，银浆材料用杜邦公司的普通正面银浆。印刷完成后直接送入ASM印刷机配套烘干炉进行烘干，然后将电池片随机化分组备用。

第二步采用ASM公司的Vectoguard框架，及配套钢网和金属刮刀，配合杜邦公司的钢网专用浆料，印刷细栅，然后进行烘干。试验中分别安装40微米，30微米，25微米不同细栅开口宽度的钢网印刷三组电池片，然后再使用30微米的钢网更换高分子材料的刮刀印刷一组电池片，并烘干。

第三步将得到的四组电池片同时使用Despatch烧结炉进行烧结，然后进行效率测试和电池片表征。

　　3结果表征及分析

3.1电池片效率表征

将四组电池片在Halm效率测试机上进行效率测试，结果如图5所示：由图5可以看出，Jsc短路电流密度最高的为线宽25微米的钢网印刷所得，基本说明25微米的钢网在试验中得到的细栅线宽度最窄。FF填充因子的数据表明高分子的刮刀虽然能得到较细的线宽，但并不能提供良好的电流导通性能。

3.2栅线形貌表征

进一步对30微米，25微米线宽的三组电池片进行栅线形貌分析，结果如图6所示：图6不同线宽和刮刀对细栅线形貌的影响



由图6可以看出，同样是30微米的钢网及浆料，金属刮刀印刷出来的线宽在36.6微米，高分子材料的刮刀印刷出来为34.5微米，线宽差别不是很大。但是栅线高度体现出了非常明显的差别：金属刮刀印刷出来的线高在20微米左右，高分子材料的刮刀印刷出来为10微米左右。这正是说明高分子刮刀在钢网印刷中所产生的"挖掘"效应。对于25微米开口的钢网，印刷时候的线宽为28.3微米，线高约为20微米左右。

3.3印刷银浆耗量

随着电池片制造成本的压缩，电池片制造企业对印刷工艺的要求越来越高，其中有一条就是银浆的耗量一定要受控制[8,9]。

试验中对电池片印刷过程中的银浆耗量进行了记录，如图7所示，图中银浆的耗量为单片电池片主栅和细栅的总和，主栅银浆耗量都为14.2毫克左右：由图7可以看出，银浆耗量和电池片效率不是正比关系。钢网印刷中，电池片效率最高的两组为使用金属刮刀线宽开口为30微米和25微米的两组。从电池片效率数据比较可以看出，30微米组的电池片比25微米组的电池片具有更好的填充因子FF和更加集中的效率分布，这说明30微米开口的钢网在杜邦浆料的配合下，比25微米开口的钢网具有更好的印刷性能。四组中最高效率电池片出现在25微米组中，说明如果能够优化好25微米开口的钢网和浆料等一系列改善印刷质量的条件下，越细的栅线具有更大的效率提升空间。

　　4总结

通过实验可以证明，金属刮刀在钢网印刷应用中具有更好的细栅印刷性能。和普通的高分子材料的刮刀相比，金属刮刀印刷出来的细栅线高度具有更好的形貌特征。从最终的电池片效率上看，30微米开口的钢网印刷出来的电池片平均效率最高，25微米开口的钢网印刷出来的电池片中出现了实验的最高效率，说明25微米开口的钢网仍然具有一定的优化空间。从银浆耗量的数据上看，并不能说明耗量高的电池片效率一定高，电池片银浆耗量和印刷图形及细栅线宽度都有关系，需要进一步的研究。

参考文献：

[1] Kossen E, Heurtault B, Stassen AF. Comparison of two step printing methods for frontside metallization. Proc 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference,Valencia, Spain, 2010, p. 2099-2100.

[2] ITRPV Working Group. International Technology Roadmap for Photovoltaics Results2011. International Technology Roadmap for Photovoltaics Results 2011. 3rd Edition,March 2012

[3] Bottosso C, Martire M, Galiazzo M. Fine line metallization through screen and stencilprinting. Proc 27th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Frankfurt,Germany, 2012, p. 1645-1647.

[4] Hoornstra J, Heurtault B. Stencil print applications and progress for crystalline siliconsolar cells. Proc 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg,Germany, 2009, p. 989-992.

[5] Dullweber T, Gatz S, Hannebauer H, Falcon T, Hesse R, Schmidt J, Brendel R.Towards 20% efficient large-area screen-printed rear-passivated silicon solar cells.Prog.Photovolt.20: 2012, p. 630-638.

[6] De Moor H.H.C, Hoornstra J, Weeber A.W, Burgers A.R, Sinke W.C. Printing high andfine metal lines using stencils. Proc 14th European Photovoltaic Solar EnergyConference, Barcelona, Spain, 2012, p. 404-407.

[7] Falcon T. Ultra Fine Line Printing for Silicon Solar Cells….Mesh Screens or MetalStencils?Presentation at the 3rd Metallization Workshop, Charleroi, Belgium, 2011.

[8] Cooper IB, Tate K, Carroll AF, Mikeska KR, Reedy RC, Rohatgi A. High efficiencyachieved on POCL3 emitter Si solar cells with low saturation current density whilereducing Ag consumption by 40-60%. Proc 27th European Photovoltaic Solar EnergyConference, Frankfurt, Germany, 2012, p. 614-617.

[9] Hannebauer H, Dullweber T, Falcon T, Brendel, R. Fine line printing options for highefficiencies and low Ag paste consumption. Proc 3rd Internaltional Conference onCrystalline Silicon Photovoltaics, Hamelin, Germany, 2013.

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