選擇性電極型晶硅太陽能電池金屬柵線印刷位置精度的檢測方法

段湘寧，周 兵，沈 欣，于國豐

（1.遼寧省葫蘆島市信息中心，125000 遼寧葫蘆島；2.浙江省鴻禧光伏科技股份有限公司，314206 浙江平湖；3.德國JRT光伏技術(shù)有限公司，D-79364 德國Malterdingen）

選擇性電極型晶硅太陽能電池通過提高柵線印刷區(qū)載流子擴(kuò)散濃度來降低金屬柵線與電池片的接觸電阻，從而提高電池片光電轉(zhuǎn)換效率，其工藝關(guān)鍵點(diǎn)在于金屬柵線印刷位置與重?cái)U(kuò)區(qū)的重合精度。目前量產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)可以識(shí)別并參照重?cái)U(kuò)區(qū)位置進(jìn)行柵線印刷，而后，由于無法在線準(zhǔn)確測量柵線相對(duì)于重?cái)U(kuò)區(qū)的實(shí)際印刷位置，因此無法實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷設(shè)備圖形定位的閉環(huán)控制。

1 選擇性電極型晶硅太陽能電池以及目前量產(chǎn)中的困境

晶硅太陽能電池中的電子空穴對(duì)在光子作用下由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入激發(fā)態(tài)，部分激發(fā)狀態(tài)下的電子空穴對(duì)分離為電子和空穴，在外部電路導(dǎo)通的情況下形成電流回路，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。選擇性電極型晶硅太陽能電池受光面30的高方阻特性可以提高光電轉(zhuǎn)換率，而柵線印刷區(qū)域的低方阻重?cái)U(kuò)區(qū)31具有更好的導(dǎo)電性能，因此選擇性電極型晶硅太陽能電池具有更好的綜合光電轉(zhuǎn)換效率。

目前產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)中采用的選擇性電極制備工藝主要有如下幾種：

1.1 在擴(kuò)散工藝前采用噴蠟技術(shù)對(duì)預(yù)定的柵線印刷區(qū)進(jìn)行選擇性噴涂，對(duì)于P型太陽能電池而言，蠟液中攜帶有高濃度n型施主雜質(zhì)，并將在擴(kuò)散工藝中向柵線印刷區(qū)摻雜高濃度載流子，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵線印刷區(qū)的選擇性重?cái)U(kuò)散。

1.2 對(duì)電池片整個(gè)正表面進(jìn)行低方阻重?cái)U(kuò)散后，采用絲網(wǎng)印刷工藝對(duì)受光面區(qū)域印刷刻蝕漿料。在刻蝕漿料對(duì)受光面表層的刻蝕作用下，新的受光面將具有隨著刻蝕深度而降低的擴(kuò)散濃度。借助網(wǎng)板圖形的保護(hù)，柵線印刷區(qū)沒有印刷刻蝕漿料，因此將保留擴(kuò)散工藝形成的重?cái)U(kuò)散濃度。

1.3 對(duì)電池片整個(gè)正表面進(jìn)行高方阻低擴(kuò)散后，采用激光刻蝕的方法將外部高濃度載流子擴(kuò)散到柵線印刷區(qū)域，而受光面高方阻特性維持不變。

無論采用何種方法實(shí)現(xiàn)柵線印刷區(qū)31的低方阻重?cái)U(kuò)散，后道工藝中形成的減反射膜20都會(huì)在光學(xué)角度降低重?cái)U(kuò)區(qū)31與低擴(kuò)散區(qū)30的可識(shí)別性，因而目前普遍使用中的絲網(wǎng)印刷設(shè)備不能有效識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)31的實(shí)際位置，金屬柵線絲網(wǎng)印刷工藝只能以工藝邊或中心點(diǎn)為參照基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)位印刷，并且不得不繼續(xù)沿用前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中采用的硅片定位方法，同時(shí)在金屬柵線印刷定位過程中假定重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)預(yù)定位置。為提高重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)的位置精確性，前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝設(shè)備必須增加成本投入提升定位精度等級(jí)。

實(shí)際量產(chǎn)中，從前道重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)的形成、去磷硅玻璃、減反射膜制備到后道金屬柵線的絲網(wǎng)印刷，各個(gè)工藝之間以流水線工作模式相互銜接卻又彼此獨(dú)立，因此一旦前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中的參考工藝邊在某個(gè)中間工藝中發(fā)生混亂，后道絲網(wǎng)印刷工藝將以“錯(cuò)誤”的參考邊為基準(zhǔn)進(jìn)行柵線印刷，其結(jié)果是金屬柵線的“盲印”。準(zhǔn)方片或菱形片以及電池片的尺寸公差也將使絲網(wǎng)印刷定位更加復(fù)雜。因此，以工藝邊或中心點(diǎn)為基準(zhǔn)的定位方式中，前后道工藝具有高度的依賴性，前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中的定位誤差也會(huì)與后道金屬柵線絲網(wǎng)印刷工藝中的定位誤差一起累計(jì)成為柵線與重?cái)U(kuò)區(qū)之間的重合性偏差。

隨著金屬柵線10寬度的不斷降低，重?cái)U(kuò)區(qū)31寬度的降低不僅可以進(jìn)一步提高選擇性電極型電池片的轉(zhuǎn)換效率，也可以降低生產(chǎn)成本，尤其針對(duì)采用噴蠟技術(shù)實(shí)現(xiàn)選擇性重?cái)U(kuò)區(qū)的工藝更是如此。然而重?cái)U(kuò)區(qū)寬度的降低進(jìn)一步提高了絲網(wǎng)印刷工藝中的對(duì)位精度要求。在對(duì)邊或?qū)χ行狞c(diǎn)的對(duì)位方式中，前后工藝的依賴性和誤差累積特性已成為限制選擇性電極型電池片發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢的瓶頸。

以重?cái)U(kuò)區(qū)圖形識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的圖形定位方法，通過識(shí)別電池片上選擇性重?cái)U(kuò)區(qū)的實(shí)際位置調(diào)整網(wǎng)板或電池片的位置進(jìn)行柵線印刷對(duì)位。這種以實(shí)際測量結(jié)果為基準(zhǔn)的圖形定位方法，不再采用假定的重?cái)U(kuò)區(qū)位置為基準(zhǔn)，不僅可以有效隔離前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中的定位偏差，同時(shí)也可以規(guī)避工藝鏈中由于電池片翻轉(zhuǎn)而丟失參考基準(zhǔn)的問題。對(duì)于準(zhǔn)方片、菱形片和大尺寸公差的電池片，金屬柵線的對(duì)位印刷也將以重?cái)U(kuò)區(qū)圖形位置為基礎(chǔ)而不取決于電池片形狀，因此也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。圖形定位的精確性也為進(jìn)一步降低重?cái)U(kuò)區(qū)寬度提供了可行性。

圖1-1 金屬柵線的反光造成無法視覺識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)位置

然而，采用圖形定位技術(shù)進(jìn)行柵線印刷后，常規(guī)光學(xué)檢測方法無法檢測金屬柵線10的實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31的重合精度。如圖1所示，減反射膜20降低了重?cái)U(kuò)區(qū)31和低擴(kuò)區(qū)30之間的可識(shí)別性，更為重要是，金屬柵線10對(duì)檢測光源01的反射能力大大高于電池片表面對(duì)光線的反射能力，金屬柵線10的反射光02將給金屬柵線周邊區(qū)域帶來光污染，造成無法視覺識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)31的位置。

光致發(fā)光技術(shù)雖然在圖像采集過程中沒有入射光源，因此可以避免金屬柵線反射光造成光污染的問題，但由于光致發(fā)光效率的局限、減反射膜以及晶格的干擾，重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)的識(shí)別并不可靠。同時(shí)由于光致發(fā)光檢測部件需要在超低溫環(huán)境下工作，成本高，環(huán)境要求苛刻，因此不適合作為量產(chǎn)生產(chǎn)線的解決方案。

電致發(fā)光技術(shù)雖然可以應(yīng)用于常規(guī)生產(chǎn)環(huán)境中，但剛剛經(jīng)過柵線印刷而未經(jīng)過烘干燒結(jié)的電池片不適合接觸式通電測量，只能用于檢測經(jīng)過燒結(jié)后的電池片，額外的探針系統(tǒng)增加了設(shè)備的復(fù)雜程度和維護(hù)需求，并增加造成電池片隱裂的幾率。最為重要的是，采用電致發(fā)光技術(shù)對(duì)成品電池片的檢測具有很大的工藝延遲，無法及時(shí)在線檢測印刷位置偏差并實(shí)時(shí)為定位系統(tǒng)提供反饋信息，因此電致發(fā)光技術(shù)也不適用。

與此同時(shí)，由于無法準(zhǔn)確檢測金屬柵線10實(shí)際印刷位置與選擇性重?cái)U(kuò)區(qū)31的重合精度，如果前道重?cái)U(kuò)區(qū)圖形相對(duì)于電池片位置參考基準(zhǔn)發(fā)生偏移或角度偏轉(zhuǎn)的情況下，盡管印刷設(shè)備能夠識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)31實(shí)際位置，并以圖形定位為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)柵線10與重?cái)U(kuò)區(qū)31的完美重合，然而在金屬柵線10偏離電池片位置參考基準(zhǔn)的情況下，電池片制造商通常據(jù)此認(rèn)為柵線印刷位置偏移，設(shè)備制造商也無法有效證明圖形定位功能的有效性和可靠性。

2 金屬柵線印刷位置精度的檢測方法

采用重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)形成工藝，并在相同工藝步驟中，在電池片受光面30生成標(biāo)記圖形32，在金屬柵線10印刷后直接測量標(biāo)記圖形32位置與金屬柵線10之間的距離，結(jié)合前道工藝中標(biāo)記圖形32與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31中心線的相對(duì)距離，計(jì)算金屬柵線10實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31中心線的重合精度。該方法可以回避常規(guī)光學(xué)檢測方法中金屬柵線10反射光02對(duì)柵線周邊的光污染問題，獲得金屬柵線10實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31的重合精度信息，向絲網(wǎng)印刷設(shè)備反饋實(shí)際印刷位置偏移量，實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷設(shè)備圖形定位系統(tǒng)的高精度閉環(huán)控制，并為采用圖形定位技術(shù)的絲網(wǎng)印刷設(shè)備提供有效的定位精度檢測方法。此外，通過該檢測方法也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)板壽命監(jiān)測等功能。

圖2-1 通過一維標(biāo)記檢測柵線印刷位置精度

在前述幾種選擇性電極型晶硅太陽能電池重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31形成工藝中，可以采用同種工藝在柵線印刷區(qū)31之間的電池片受光面30上標(biāo)記圖形32。具體而言，即噴蠟工藝中采用噴蠟技術(shù)在兩個(gè)相鄰的金屬柵線印刷區(qū)之間噴制標(biāo)記圖形，并在后道擴(kuò)散工藝中同步形成重?cái)U(kuò)區(qū)以及標(biāo)記圖形；或在刻蝕漿料絲網(wǎng)印刷工藝中以網(wǎng)板乳膠膜保護(hù)的方式在兩個(gè)相鄰的柵線印刷區(qū)之間保留標(biāo)記圖形；或采用激光刻蝕工藝在兩個(gè)相鄰的柵線印刷區(qū)之間刻蝕標(biāo)記圖形。

類單晶或多晶型選擇性電極型晶硅太陽能電池所具有的不規(guī)則晶格結(jié)構(gòu)可能干擾標(biāo)記圖形的識(shí)別。同時(shí)視覺識(shí)別系統(tǒng)也具有取決于分辨率和視角范圍的測量誤差。為確保檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定義基準(zhǔn)參照點(diǎn)，可以設(shè)置多個(gè)標(biāo)記圖形，圖像采集后首先選擇最清晰的標(biāo)記圖形32作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)，并根據(jù)該參照點(diǎn)與其他標(biāo)記圖形的距離判斷該參照點(diǎn)的可靠性。

圖2-1舉例說明了一種標(biāo)記圖形的組合方式，共計(jì)5個(gè)等距離分布的標(biāo)記線段32分布于6根金屬柵線10之間。視覺檢測系統(tǒng)一次性采集6根金屬柵線10和其中平均分布的5個(gè)標(biāo)記線段32，并從5個(gè)標(biāo)記線段中選擇最清晰可靠的標(biāo)記線段作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)，測量該標(biāo)記線段與其他至少1個(gè)可清晰識(shí)別的標(biāo)記線段之間的相互距離，并根據(jù)該距離值判斷該標(biāo)記線段作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)的可靠性。然后分別計(jì)算參照點(diǎn)32與左右相鄰兩根金屬柵線10之間的距離，結(jié)合重?cái)U(kuò)散工藝中設(shè)定的標(biāo)記線段與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)的中心距離，計(jì)算金屬柵線實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)中心線之間的重合精度偏差。實(shí)際生產(chǎn)中，由于金屬柵線位置測量信息相對(duì)而言準(zhǔn)確可信，可以結(jié)合具體電池片工藝簡化程序，僅計(jì)算一根金屬柵線10與參照點(diǎn)32之間的距離，并設(shè)置不同的容差標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化測試系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

以上實(shí)例僅僅在一個(gè)自由度上對(duì)金屬柵線印刷位置精度進(jìn)行了測量。通過在電池片表面不同區(qū)域設(shè)置幾組標(biāo)記圖形，并結(jié)合單個(gè)標(biāo)記圖形組在單個(gè)位置自由度上的測量結(jié)果，綜合計(jì)算多自由度印刷位置精度。

如圖2-2所示，可以通過一組十字形標(biāo)記圖形32測量電池片柵線10和主柵線11兩個(gè)方向上的印刷位置精度。

圖2-2 通過二維標(biāo)記檢測柵線與主柵線兩個(gè)方向上的印刷位置精度

通過分別布置在電池片左上角和左下角的兩組標(biāo)記圖形組可以測量電池片柵線圖形在平面旋轉(zhuǎn)方向上的位置精度。如圖2-3所示，當(dāng)左上角相機(jī)CLO測量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線10中心線距離XOI不等于左下角相機(jī)CLU測量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線10中心線距離XUI，則可認(rèn)定金屬柵線相對(duì)于柵線印刷區(qū)發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。

通過在電池片左邊區(qū)和右邊區(qū)設(shè)置標(biāo)記圖形組并分別測量柵線印刷位置精度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)板壽命的監(jiān)控。如圖2-4所示，當(dāng)電池片左邊區(qū)域金屬柵線能夠準(zhǔn)確與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)重合，即左邊相機(jī)CLO測量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線10中心線距離XLI等于標(biāo)記圖形32與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31中心線距離XLS，而電池片右邊區(qū)域金屬柵線印刷位置發(fā)生向右偏移，即右邊相機(jī)CR測量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線10中心線距離XRI大于標(biāo)記圖形32與重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31中心線距離XRS，則可認(rèn)定網(wǎng)板張力已經(jīng)變低。但如果此時(shí)金屬柵線10的實(shí)際印刷位置仍在重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)以內(nèi)，仍可繼續(xù)使用網(wǎng)板，直至右邊區(qū)域金屬柵線10實(shí)際印刷位置已經(jīng)接近偏離重?cái)U(kuò)散柵線印刷區(qū)31，測量結(jié)果中位置偏差信息ΔX=XRI-XRS與通過工藝設(shè)定的容差參數(shù)對(duì)比后觸發(fā)程序發(fā)出警報(bào)，提示操作人員更換網(wǎng)板。

圖2-3 通過在電池片左上角和左下角兩組標(biāo)記檢測柵線在旋轉(zhuǎn)方向上的印刷位置精度

圖2-4 通過在電池片左邊和右邊至少兩組標(biāo)記檢測網(wǎng)板張力變化

這一功能對(duì)于保證電池片品質(zhì)、降低電池片生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。一方面可以最大發(fā)揮網(wǎng)板使用潛力，在網(wǎng)板張力臨近達(dá)到工藝最低要求的時(shí)候由系統(tǒng)自動(dòng)提示更換網(wǎng)板，從而降低網(wǎng)板使用數(shù)量并降低生產(chǎn)成本；另一方面，由于網(wǎng)板數(shù)量以及更換頻率的降低，更換網(wǎng)板造成的總停機(jī)時(shí)間將隨之下降，提高了絲網(wǎng)印刷設(shè)備的實(shí)際利用率；此外，每次更換網(wǎng)板都必然消耗一定量的貴金屬漿料，隨著網(wǎng)板更換次數(shù)的降低，貴金屬漿料無功消耗量也將隨之降低。網(wǎng)板工藝監(jiān)控功能將簡化工藝控制工作，提高工藝穩(wěn)定性、產(chǎn)品品質(zhì)以及產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。

3 實(shí)施檢測方法的有益效果

該檢測方法規(guī)避了柵線印刷位置檢測中的光污染問題，可在量產(chǎn)中實(shí)時(shí)在線檢測柵線印刷位置精度并反饋測量值，實(shí)現(xiàn)金屬柵線圖形對(duì)位印刷的閉環(huán)控制。該檢測方法同時(shí)也為采用圖形識(shí)別技術(shù)和圖形對(duì)位技術(shù)的選擇性電極型晶硅太陽能電池絲網(wǎng)印刷設(shè)備提供了可直觀衡量設(shè)備印刷精度的驗(yàn)證方法。此外，利用該檢測方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)板使用壽命的監(jiān)測，提高網(wǎng)板和絲網(wǎng)印刷設(shè)備的使用率，降低生產(chǎn)成本，簡化工藝控制。