太陽能電池印刷線關鍵技術及發展趨勢

張世強，邴守東

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

太陽能電池印刷線作為太陽能電池生產線的關鍵工藝設備，伴隨著光伏產業近十年的高速發展而發生了很大變化：從最初的半自動手工印刷發展到現在的全自動印刷線，整線設備隨著工藝的要求和技術的發展，向全自動化，高效化方向發展，并逐步朝著滿足更大尺寸和更薄硅片的方向發展。

光伏產業已成為世界發展最快的高新技術產業之一。2003～2012年是世界太陽能光伏產業發展最快的時期，這期間電池產量平均增長率為40%，2007～2010年連續4年產量居世界第一，2010年太陽能電池產量約為10 GW，占全球總產量的50%。

1 太陽能印刷線所完成的工序

太陽能光伏產業是一個新興產業，最初的太陽能印刷設備是一個半自動設備，其功能僅完成電池片3種工序(背鋁，背銀和正銀)的印刷，各工序間硅片的傳輸采用人工完成。見圖1。

（1）背面銀電極印刷(背銀)：在電池片的正極面(p區)用銀鋁漿料印刷兩條電極導線（寬約3～4 mm）作為電池片的電極。

（2）背面鋁印刷(背鋁)：在電池片的正極面采用鋁漿料印刷整面(除背銀電極外)。。

（3）正面銀印刷(正銀)在電池片的正面（噴涂減反射膜的面）同時用銀漿料印刷一排間隔均勻的柵線和兩條電極。在工藝上要求柵線間距約3 mm、寬度約0.10～0.12 mm。

圖1 電池片正面和反面圖

隨著產能的增加，硅片成本的上升，采用更薄的硅片，人工完成各工序的硅片無法滿足產能的要求，而且造成碎片率很高。真正意義上的太陽能印刷線是將三道印刷工序和兩道烘干工序連線，并增加了印刷后的測試和分選工序，形成一條集3次印刷、2次烘干、測試、分選共計7次工序的流水線型的印刷線。見圖2。

圖2 太陽能印刷線完成的工序

2 國內太陽能電池線發展歷史與現狀

最初我國對太陽能電池印刷設備為半自動印刷機，單機版烘干爐以及手動測試和分選，各工序由各獨立廠商提供，組成的印刷線產能大約為5 MW/條，產品性能不穩定，碎片率為5%～7%；隨著光伏市場的快速發展特別是歐洲光伏市場超常規發展給我們光伏產業帶來了前所未有的發展機遇；我國太陽能電池設備市場也高速增長，國內各工序設備廠商也加緊研制太陽能生產各工序設備，各工序設備陸續國產化。全自動絲網印刷機由于設備技術難度高，國內設備廠家遲遲未能研制成功；自2003年至2005年的短短3年間國內新上標準太陽能電池生產線17條，產能接近450 MW。直到2010年國內才研制出全自動絲網印刷機并在生產線上投入使用。

圖3 中電科技集團公司第四十五研究所研制的太陽能印刷線

3 國際太陽能電池印刷線主要生產廠家

國際上主流太陽能電池印刷設備有美國Applied materials公司（原 Baccini公司）、德國ASYS公司、英國DEK公司和日本的Microtech，基本上壟斷了全球晶體硅太陽能電池的印刷設備市場。其中Applied materials的市場占有率最大，占60%以上。

4 太陽能電池印刷線的關鍵技術

太陽能電池印刷線共由10臺設備組成，即：上料機1臺，印刷機3臺，烘干爐2臺，測試分選上料機1臺，測試機1臺，分選機1臺，整線傳輸機1臺。總體有以下關鍵技術：

（1）硅片柔性傳輸技術：各工序間的硅片自動傳輸通過傳輸機完成，目前主流生產線硅片厚度為180～200 μm，在傳輸過程中不能對硅片產生受力。

（2）精密工作臺技術：硅片是在工作臺上吸附固定后完成印刷的，工作臺的精度影響印刷的質量，同時對碎片率的影響很大。

（3）精密印刷頭技術：在印刷過程中要求壓力精確控制，始終保持設定的壓力數值，目前壓力設定一般為0～85 N，控制精度為5 N；目前采用氣動伺服控制技術實現。

（4）自動對準技術：為保證印刷質量，在印刷前一工位設置一個相機，在絲網的下面設置兩個相機完成硅片與絲網的對準，目前的工藝水平對準精度達到0.02 mm，可滿足要求。

（5）烘干爐溫區溫度控制技術：在烘干時根據溫度高低設定4個溫區，每個溫區的溫度設定在不同溫度，采用專門的溫度控制模塊實現。

（6）柔性機械手傳輸技術：在上料機和分選機中有機械手完成電池片的搬運，在采用柔性抓取后高速運動完成。

（7）電氣控制技術及軟件技術：采用工控機控制，CANopen總線控制，實現對各電機和I/O的控制，通過各參數的優化，達到整線的效率要求，并使設備自動化運行。

（8）在線檢測技術：在三道印刷工序前后工序檢測硅片是否存在碎片。

5 未來太陽能電池設備技術發展趨勢

設備的發展目的是為了滿足工藝的需要，提高電池的最終產品質量，主要表現在提高光電轉換效率及整線生產效率，同時降低生產成本；主要分析如下：

（1）提高整線生產效率：目前單線的生產效率為1 200～15 00片/h，未來幾年的生產線可達到1 800～2 000片/h，效率提高30%～50%；一些國際大公司準備推出的更高效率的雙線（DUAL-LINE）印刷線，將兩條線有機合并在一起，比單線有更大優勢：兩條線共用一套烘干爐，設備的成本降低；整線的開機率大大提高，單線在某一工序換絲網時整線需要停下來，雙線可以在一條線停機時可以有效補償，整線的開機率大大提高；雙線的占地面積比兩條單線少30%，在同等情況下相當減少廠房的投資。

（2）發展適應適合大尺寸（210 mm×210 mm）方硅片的印刷線和薄硅片（厚度150 μm以下）的印刷線。目前主流的硅片尺寸為156 mm×156 mm，厚度150 μm。現有的印刷線碎片率為 0.2%～0.5%。在同等效率下電池片由156 mm×156 mm變為210 mm×210 mm，單線的產能將提高80%，以目前的單線1 500片/h(30 MW），印刷210 mm×210 mm硅片，年產能將達到了50 MW；硅片尺寸的增加也導致碎片率將增加數倍，現有的設備無法實現，研制設備需突破硅片從印刷開始到最后的分選，要經過多次的傳輸和抓取，需采取更柔性的方法實現。

（3）低壓印刷技術和烘干技術：硅片變大變薄后要求印刷壓力減少以降低碎片率，這需要工藝漿料和絲網的共同配合；現有的背鋁漿料在烘干后存在明顯的翹曲，在背銀和正銀印刷時碎片率大大增加，需要漿料廠家研制防止翹曲的漿料。

（4）提高轉換效率：影響光電轉換效率的主要因素是細柵線的線條寬度太寬，厚度太薄，目前生產線工藝水平為細柵線寬度為100～120 μm，印刷厚度為15～20 μm；在實驗室已經實現印刷柵線寬度至80 μm，但受漿料和絲網工藝成本過高的影響，目前還沒有大批量生產。提高印刷厚度逐步采用二次印刷技術，即：在背銀工序印刷后再印刷一次，二次印刷能提高轉化效率0.5%，二次印刷對印刷就是套印技術，要求自動對準精度達到15 μm，而現有的印刷線精度無法達到，而且整線的布局也不能滿足要求，需重新對整線布局，并對電氣硬件升級，采用高分辨率照相機達到精度。

6 結束語

我國的太陽能印刷線經過幾年的發展，在國家“十五”、“十一五”、“十二五”3 個 5 年計劃等政策鼓勵的支持下有了長足的發展，目前已研制出達到目前生產線要求的印刷線，但市場占有率很低；我國是光伏生產大國，設備企業和光伏企業聯合研制符合新工藝的設備具有很大優勢，目前雙方都有迫切合作的愿望，相信在不久的將來我國的太陽能印刷線將是光伏產業的主導設備，引領全球的發展。

[1] Darren Brown.絲網印刷在太陽能電池制造中的挑戰[J].集成電路應用，2009(8)：60-61.

[2] 張世強，李萬河，徐品烈.硅太陽能電池的絲網印刷技術[J].電子工業專用設備，2008（6）：55-56.

[3] 魏真.絲網印刷在太陽能電池中的應用[J].廣東印刷，2011（3）：65-66.