解決太陽(yáng)電池制造問(wèn)題的印刷技術(shù)

太陽(yáng)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在，SMT組裝中的細間距絲網(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(yáng)電池面臨的問(wèn)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(yáng)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(wèn)題的最好方法。硅芯片基板的金屬化是制造晶硅（cSi）太陽(yáng)電池的關(guān)鍵連接工藝。收集太陽(yáng)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(yáng)電池生產(chǎn)，是下一代太陽(yáng)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)，應用在各個(gè)行業(yè)中，從產(chǎn)品標簽到埋入式無(wú)源電子組件和導電油墨，導電油墨和制造cSi太陽(yáng)電池密切相關(guān)。制造晶硅太陽(yáng)電池已有幾十年的歷史，很久以來(lái)和不太久之前，這個(gè)快速增長(cháng)的行業(yè)就已經(jīng)在挑戰絲網(wǎng)印刷技術(shù)，要求以很小的、可以忽略不計的誤差把纖細的導體精確和可重復地印到基板上。制造太陽(yáng)電池時(shí)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(yáng)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性，超過(guò)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經(jīng)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(pán)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(yáng)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，現在的無(wú)鉛焊膏則包含銅、銀和銦等。焊膏一般印刷在裸電路板的導電銅焊盤(pán)上，然后把電子器件或組件的引線(xiàn)或引腳精確放到印刷了焊膏的銅焊盤(pán)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(shù)，但是大多數太陽(yáng)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(yáng)電池給制造工藝的每個(gè)部分都帶來(lái)一系列新挑戰。這些挑戰對類(lèi)似行業(yè)，例如對電子組件制造業(yè)來(lái)說(shuō)并不陌生。

生產(chǎn)太陽(yáng)電池的公司的要求中，關(guān)鍵的是對金屬化的兩個(gè)要求：一是提高硬件和設備的性能，一是加強工藝開(kāi)發(fā)，提高太陽(yáng)電池本身的效率。提高硬件和設備的性能關(guān)系到增加產(chǎn)量和提高成品率，這是制造商熟悉的問(wèn)題——通過(guò)減少芯片破損和控制工藝使從生產(chǎn)線(xiàn)出來(lái)的每塊芯片時(shí)都是合格的。加強工藝開(kāi)發(fā)則要求提高對設備提供商的要求。設備供應商不再是簡(jiǎn)單地提供有生產(chǎn)效率的機器。設備的設計人員必須了解太陽(yáng)電池制造商對設備的要求和工藝技術(shù)水平，開(kāi)發(fā)新技術(shù)，使太陽(yáng)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(yáng)電池。

注重生產(chǎn)率的太陽(yáng)電池制造商要求每條金屬化生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量超過(guò)2400芯片/小時(shí)。目前，典型的金屬化生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量在1200到1400芯片/小時(shí)之間，把產(chǎn)量提高一倍是很高的要求，更不用說(shuō)提高易碎基板的運送和在傳送速度而不增加破損。太陽(yáng)電池制造商還希望較小的廠(chǎng)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(xiàn)發(fā)展，要求它超過(guò)太陽(yáng)電池生產(chǎn)商的產(chǎn)量目標，又要滿(mǎn)足制造商對生產(chǎn)車(chē)間實(shí)際面積的考慮。為滿(mǎn)足這些要求開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)，一條生產(chǎn)線(xiàn)每小時(shí)能生產(chǎn)3000塊芯片，它的長(cháng)度和1200塊/小時(shí)的生產(chǎn)線(xiàn)一樣，寬度只比常規生產(chǎn)線(xiàn)寬25％。這種技術(shù)使用多個(gè)印刷頭并行操作，這對生產(chǎn)是有利，如果生產(chǎn)線(xiàn)上有印刷頭停下，其它印刷頭繼續工作。

如果常規的1200塊/小時(shí)生產(chǎn)線(xiàn)停下，生產(chǎn)完全停止，暫停5分鐘就意味著(zhù)少生產(chǎn)100塊芯片，相當于生產(chǎn)率每小時(shí)損失8.3％。如果一條常規生產(chǎn)線(xiàn)每小時(shí)生產(chǎn)3000塊芯片，生產(chǎn)線(xiàn)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(shí)印刷3000塊芯片，只有一個(gè)印刷頭暫停工作，但其他印刷頭繼續印刷，暫停5分鐘少生產(chǎn)84塊芯片。因此，只有一個(gè)印刷頭暫停工作時(shí)一小時(shí)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。

現在，設備占用面積是太陽(yáng)電池制造商非常關(guān)心的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題也是其他電子組裝商長(cháng)期以來(lái)一直關(guān)心的問(wèn)題。他們關(guān)心這個(gè)問(wèn)題的原因是相同的：總體成本。充份利用廠(chǎng)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(chǎng)房就能提高生產(chǎn)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(chǎng)需求的增大很容易地迅速擴大生產(chǎn)，但是生產(chǎn)線(xiàn)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(jiǎn)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(jiǎn)單的導電化學(xué)物質(zhì)配方上。因此，具有工藝專(zhuān)長(cháng)的供應商可以加強金屬化工藝，把開(kāi)發(fā)重點(diǎn)放在提高提太陽(yáng)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(zhuān)家，關(guān)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(lái)傳導硅芯片產(chǎn)生的電流，又不會(huì )把芯片表面遮住太多面積。芯片表面上被太陽(yáng)光遮住的部分——包括過(guò)份印刷的導電條部分，都不能產(chǎn)生電流，這會(huì )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(huì )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(shí)，硅芯片表面產(chǎn)生的實(shí)際電流很多，但被收集起來(lái)的電流很少。

硅芯片上接受陽(yáng)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覆蓋的面積要比較少，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(gè)問(wèn)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)，它的精度對能量轉換效率也有影響。目前正在開(kāi)發(fā)的各種技術(shù)中，有新的模板技術(shù)，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(wǎng)和模板絲網(wǎng)印刷設備制造商在開(kāi)發(fā)金屬化工藝時(shí)是在三個(gè)層次進(jìn)行：

確定標準的乳膠絲網(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)，其中使用更強的合金，網(wǎng)的金屬絲也更細，并且和新的光學(xué)成像技術(shù)結合起來(lái)；制造精密的混合模板。

隨著(zhù)人們能夠在硅芯片上形成更細的導電條，部分問(wèn)題轉變?yōu)楸苊庠谟∷⒐に囍挟a(chǎn)生缺陷。已經(jīng)是很窄的導電條必須印刷得很完美，但是，導電條的寬度和高度變小會(huì )增加阻抗，會(huì )降低太陽(yáng)電池的能量轉換效率。
當然，拙劣的印刷會(huì )造成導體斷裂，無(wú)論斷裂是多么細小，會(huì )使電路斷路，使太陽(yáng)電池中含有斷路的部份不起作用。要解決這個(gè)問(wèn)題，可以利用SMT組件中解決焊點(diǎn)可靠性的經(jīng)驗和知識。

結論

對于太陽(yáng)電池制造商，要達到很高的生產(chǎn)率，必須根據要求的產(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(xiàn)的性能，避免芯片破損和生產(chǎn)線(xiàn)停工。所有這些需要生產(chǎn)線(xiàn)要保持在小面積內。解決了這些問(wèn)題，更有效、能量轉換效率更高的太陽(yáng)電池和最終的太陽(yáng)能組件與陣列就指日可待了。