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丝印技术:解决太阳能电池的制造问题

  太阳能电池制造商必须提高每平方米表面积的效率和生产能力又不增加投资。现在,SMT组装中的细间距丝网印刷技术是金属化技术的新进展。制造下一代太阳能电池面临的问题,对于电子制造行业并不陌生。

    Darren Brown,DEK国际公司

    影响制造太阳能电池组件的生产率和成本效益的因素很多,金属化工艺也许是解决这些问题的最好方法。硅芯片基板的金属化是制造晶硅(cSi)太阳能电池的关键连接工艺。收集太阳能电池产生的电流,这是很重要的,它直接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,最适合太阳能电池生产,是下一代太阳能电池生产商首选的工艺技术。

    丝网印刷是一种精密的印刷技术,应用在各个行业中,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太阳能电池密切相关。制造晶硅太阳能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纤细的导体精确和可重复地印到基板上。制造太阳能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能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经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。焊膏中包含的化学物质比使用丝网印刷技术进行太阳能电池硅芯片金属化的材料中包含的化学物质更多。最早的焊膏由悬浮在助焊剂中的微小锡球和铅球组成,现在的无铅焊膏则包含铜、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,但是大多数太阳能电池制造商还是选择丝网技术作为首选的方法,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

    制造新一代太阳能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陌生。

    生产太阳能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,一是加强工艺开发,提高太阳能电池本身的效率。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生产线出来的每块芯片时都是合格的。加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生产效率的机器。设备的设计人员必须了解太阳能电池制造商对设备的要求和工艺技术水平,开发新技术,使太阳能电池制造商既能保持高成品率和高产量,生产出更好的太阳能电池。

    注重生产率的太阳能电池制造商要求每条金属化生产线的产量超过2400芯片/小时。目前,典型的金属化生产线的产量在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。太阳能电池制造商还希望较小的厂房空间有更大的生产量、降低总体成本。

    丝网印刷技术要向金属化生产线发展,要求它超过太阳能电池生产商的产量目标,又要满足制造商对生产车间实际面积的考虑。为满足这些要求开发的一种技术,一条生产线每小时能生产3000块芯片,它的长度和1200块/小时的生产线一样,宽度只比常规生产线宽25%。这种技术使用多个印刷头并行操作,这对生产是有利,如果生产线上有印刷头停下,其它印刷头继续工作。

    如果常规的1200块/小时生产线停下,生产完全停止,暂停5分钟就意味着少生产100块芯片,相当于生产率每小时损失8.3%。如果一条常规生产线每小时生产3000块芯片,生产线暂停5分钟就少生产250片芯片。使用多印刷头技术,每小时印刷3000块芯片,只有一个印刷头暂停工作,但其他印刷头继续印刷,暂停5分钟少生产84块芯片。因此,只有一个印刷头暂停工作时一小时的产量是2916块芯片,生产率只损失2.8%,还是可以接受的。

   现在,设备占用面积是太阳能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因是相同的: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生产率。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扩大生产,但是生产线又十分紧凑,占用的空间很小。

    使用的材料金属化工艺用的材料方面似乎变得简单了。对热熔融技术的兴趣已经下降,人们把注意力集中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加强金属化工艺,把开发重点放在提高提太阳能电池的效率上,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产生的电流,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,都不能产生电流,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,硅芯片表面产生的实际电流很多,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覆盖的面积要比较少,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产生缺陷。已经是很窄的导电条必须印刷得很完美,但是,导电条的宽度和高度变小会增加阻抗,会降低太阳能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,使太阳能电池中含有断路的部份不起作用。要解决这个问题,可以利用SMT组件中解决焊点可靠性的经验和知识。

    结论

    对于太阳能电池制造商,要达到很高的生产率,必须根据要求的产量对丝网印刷工艺和材料进行优化,控制金属化生产线的性能,避免芯片破损和生产线停工。所有这些需要生产线要保持在小面积内。解决了这些问题,更有效、能量转换效率更高的太阳能电池和最终的太阳能组件与阵列就指日可待了。

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