目前光伏电池片金属化中,由于丝网印刷工艺技术成熟,工艺简单且精度容易控制,被广泛用于形成太阳能电池的正背面电极。
丝网印刷技术的应用原理
丝网印刷是利用丝网图案部分网孔透浆料,非图案部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷的一种技术。具体原理为:印刷时在丝网一端倒入浆料,用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力,同时朝丝网另一端移动,从而使浆料在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上,如图1所示。
图1. 丝网印刷原理示意图
利用丝网印刷技术,可以将含有金属的导电浆料(如:银(Ag)浆和铝(AI)浆)透过丝网网孔压印在硅片上,从而与硅片形成良好的欧姆接触,降低在收集和引出电流过程的损耗,如图2所示。
图2. PERC电池丝网印刷结构示意图
为了取得良好的金属化效果,需要结合浆料、印刷参数和网板三大要素,这三者相辅相成,缺一不可。而目前主流的网版分为常规网版和无网结网版,下文中将一一阐述各自特点。
常规网版
网版由不锈钢丝织成不同网目大小的网纱及涂在网纱上的乳胶在网框架上组成。在网板图案设计开孔处则将乳胶去除,从而使刮刀刷过网纱时将施放在网版上的浆料透过图案开孔处印在基材上。
网纱目数
网纱目数为1英寸*1英寸的网纱内含有的网目数量。目数一般可以说明丝网的丝与丝之间的疏密程度。目数越高丝网越密,网孔越小;反之,目数越低丝网越稀疏,网孔越大。网孔越小,浆料通过性越差,网孔越大,浆料通过性就越好。由于电池印刷环节中对浆料线宽的要求越来越高,因此,目前常规网版都有朝高目数发展的趋势
图3. 网版网布基本参数
厚度
网纱的厚度数值
开口
网纱线和线的间隔的数值
开口率
开口率(%)=(开口)/(开口+线径)2×100%
透墨量
透墨量=开口率×厚度
无网结网版
太阳能电池的副栅线的高度越高,传输电阻就越低;而副栅线的宽度越宽,虽然同样可以降低电阻,但是会降低有效受光面积,反而会得不偿失。反之,细化副栅则可以增加受光面积,提高太阳能电池的转换效率。
所以网版设计未来趋势为:目数越来越高,线径越来越细,线宽越来越窄。但常规网版由于网结的存在,印刷线型均匀性差,势必会影响超细线印刷和副栅线开口进一步变窄的趋势,因此无网结网版的市场需求应运而生。
何为无网结网版
无网结网版简单说副栅开口区域不存在网结,张网角度由斜网变成了直网。
图4.常规网版与无网结网版示意图
常规网版和无网结网版印刷线型对比
无网结网版印刷后高宽比,线型明显优于常规网版(如图6所示),通过高宽比提升以及线型优化,电池片短路电流,开压,填充均能得到较大提升,从而显著提升效率,同时线宽的缩窄可显著降低单耗,具体数据如下:
图5. 无网结网版和常规网版单耗和电性能对比
图6. 常规网版与无网结网版示意图
目前无网结网版进展
各大电池厂:正在综合评估无网结网版寿命,单耗降低量,效率,良率等因素
网版厂家:努力进行技术工艺改善和优化,提升网版寿命以及改善印刷性
浆料厂家:持续开发匹配无网结网版浆料,从而进一步提升效率,降低单耗
贺利氏光伏近几年持续加大研发资源的投入并在有机载体方面取得了突破性进展,最新一代的SOL9671B浆料得益于有机系统的升级已在超细线印刷上取得了长足的进步,能够兼容常规高目数网版和无网结网版,相比上一代产品,SOL9671B取得了更高的线高和更窄的线宽表现,而更高的高宽比也可以带来明显的电流从而促进效率的提升。
以上内容来源:贺利氏光伏
老资料,仅供参考。
良好的印刷质量,能够减少金属电极与硅片间的接触电阻,影响电池的填充因子、短路电流和光电转换效率,断栅、印刷不均匀都会导致线性电阻增大,降低转换效率。
◎基本参数影响
1.1印刷参数影响
a)Snap-off:丝网间距越大印刷厚度越厚,反之约薄;
b)Pressure:印刷压力越大印刷厚度越薄,反之越厚;
c)Down-stop:印刷时刮刀位置越大厚度越薄,反之越厚;
d)Printingspeed:印刷速度越快厚度越薄,反之越厚。
1.2烧结参数影响
a)开路电压Voc的损失主要在体内复合,所以减少各种复合中心(硅片各类缺陷、暗纹、沾污等)是提高Voc的有效方法;
b)影响短路电流Isc的因素包括:
1)绒面减反射效果;
2)扩散PN结结构;
3)后清洗去边结效果;
4)PECVD镀膜减反射效果;
5)印刷栅线的遮光面积;
6)沾污。
c)串联电阻Rs包括:P型硅片基区体电阻、扩散层电阻、正面电极和背面铝金属材料电阻、正面和背面形成的欧姆接触电阻;
d)并联电阻Rsh主要受材料缺陷、各种杂质污染和后清洗去除边缘PN结效果影响;
e)填充因子FF是作为最佳工作点的综合体现,与入射光谱光强、短路电流、开路电压、串并联电阻密切相关。背电极印刷偏移、断栅一定程度上也会导致FF降低。
◎常见异常问题处理
2.1印刷常见问题处理
2.1.1粘片
a)网版高度太低或网版形变量不够,调节方法:抬高网版高度、加大压力;
b)如果抬高网版和改变压力没有效果,可将印刷头顶部限位螺丝松动,将旋钮逆时针旋转,然后重新调节压力和网版高度。
2.1.2印刷不全/虚印
a)印刷不全通常表现为网版高度太高,此时适当降低网版高度;
b)适当降低回料板高度,切忌调节幅度过大导致网版破损;
c)虚印是印刷不全的一种形式,虚印的产生主要是浆料渗透性不好或者网版局部堵塞,可适当的增加印刷压力和降低印刷速度;
d)印刷不良品的处理:背电极和背电场轻微印刷不全时可用碎硅片沾取浆料补全未印全位置,然后轻压平整;印刷不全面积较大时用废硅片尽量铲掉背面所印刷浆料,重新印刷;正电极印刷不全较严重时直接重新印刷。
2.1.3漏浆
a)Item1和Item2漏浆时可以用胶带补全网孔,严重直接更换新网版;
b)Item3印刷漏浆时直接更换网版。
2.1.4断栅
a)一般轻微断栅使用无尘布擦拭网版即可恢复正常;
b)浆料的渗透性导致虚印而表现的断栅可延长搅拌时间、改变浆料稀释度,印刷时可先使用松油醇擦拭网版再用无尘布将虚印点上下网版对擦;
c)网版太高也是断栅的一个方面,情况类似印刷不全。
2.1.5毛边
所谓毛边是指边缘栅线印刷不平滑,呈毛绒状,毛绒处为多余浆料印刷。
a)调节方法:抬高网版,而且调动幅度需求较大,轻微调动效果不明显;
b)网版过低也会造成毛边,区别在于毛绒状偏向的方向,通常偏向电池片内部的可抬高网版,偏向电池片外部边缘的可适当降低网版高度;
2.1.6栅线宽度不合格
a)所有台面均表现为栅线过宽时抬高网版、降低刮刀高度;栅线过细则调节方向相反;
b)刮条局部区域被磨损更换刮条,此情况在调节参数和设备无效的情况下进行;
c)回料板位置太低也会导致栅线过宽,原因是回料板在回料过程中因为压力较大又印刷了一次,此情况类似印刷模式中的“doublesqueegee”;
d)如果几个台面的栅线宽度粗细不一致或者同一电池片的不同区域粗细不一致可查看台面是否平整以及网版的形变量是否发生变化。
2.1.7背场印刷质量
背场印刷存在的几个问题:厚度不均匀,边缘印刷偏厚;
a)此处厚度不均匀表现在背电极附近印刷湿重较大,目前主要的手段是保持印刷均匀性,另外设备电极的稳定也是重要的方面即保证印刷过程中印刷台不抖动;
b)边缘印刷偏厚的调节方法包括抬高网版(降低刮刀高度和加大压力有相同效果)和更换刮条。
2.1.8印刷偏移
开始印刷时需要使用游标卡尺来确定是否偏移以及偏移方向和偏移量,根据测量情况调节X、Y、T补偿。
印刷过程中可在背电场印刷和烧结后观察到背电极是否偏移。目前使用的背电极设计包括了电极两边对称的锯齿区域,如果发生偏移则锯齿区域不再对称,呈现一边面积大一边面积小的现象,而背电极为银白色,与背场颜色区分较明显,可背光仔细观察。
2.1.9台面纸沾污
印刷过程中的漏浆、碎片等导致台面纸洁净度下降,台面纸沾污必须及时更换,防止对电池片造成污染。
2.1.10隐裂
一旦从烧结炉出来发现隐裂则立即停止印刷段所有印刷,从item3开始向前逐步排查台面、网版、真空等是否异常。
a)隐裂通常为台面纸不平整或者有碎片、颗粒等,所以要保持台面纸的平整以及印刷机台的清洁;
b)台面真空不足或不稳定引起的吸力不均衡;
c)设备长时间的运行导致顶杆的升降器松动或者倾斜。
2.1.11网版印和刮条印
判断网版印与刮条印的主要方法是看印迹图形的形状。图形为直线则大多为刮条印需要更换刮条;图形为弯曲线或者不规则区域为网版印,情形严重时及时更换网版。
一、堵网:
1、车间温度、湿度与浆料性质原因:若温度高、相对湿度低,浆料挥发溶剂就很快挥发掉,浆料粘度变高,从而堵网。注意:停止时间过长,会产生堵网,时间越长越严重。其次,环境温度低,浆料流动性差也容易堵网,所以严格控制车间温度与湿度;
2、网版:用松油醇擦干净并干燥后方能使用。若放置时间过久不及时印刷,在保存过程中就会粘附尘土;
3、印刷压力:印刷压力过大,会使刮条弯曲,刮条与网版和基板不是线接触,而成面接触,每次印刷都不能将浆料刮干净而留下残余浆料,时间长了就会堵网;
4、印刷间隙不合适:太小也容易堵网;
5、浆料原因:浆料颗粒大,要确保充足的搅拌时间
二、翘曲:
1、硅片太薄:控制原始硅片厚度;
2、印刷铝浆太厚:控制铝浆增重量;
3、烧结温度过高:调整烧结炉4、5、6、7区温度;
4、烧结炉冷却区冷却效果不好:查看风扇状况、进出水温度压力等
三、铝包:
1、烧结温度太高:调整烧结炉4、5、6、7区温度;
2、印刷铝浆太薄:增大铝浆的印刷量;
3、使用前浆料搅拌不充分:搅拌时间必须达到规定时间;
4、铝浆印刷后烘干时间不够:增加烘干时间或提高烘干温度;
5、烧结排风太小:增大烧结炉排风;
6、烧结炉冷却区冷却区冷却效果不好:查看风扇状况、进出水温度压力等;
四、铝珠:
1、印刷过厚:降低印刷厚度,调整印刷参数—提高压力,减低速度以及丝网间距;
2、烧结热量过多:在不影响电性能的情况下,降低烧结温度或提高烧结带速;
五、铝刺:
1、背场印刷表面不均匀:检查刮条的平整度;
2、烧结网带不洁净:清洗网带或对忘带进行打磨;
3、烧结网带抖动严重:由设备人员来调整网带;
4、烧结温度过高:不影响电性能的情况下降低烧结温度;
六、虚印:
1、网版堵塞:用松油醇先擦一遍,再用干无尘布擦干;
2、印刷刮刀条不平:更换刮刀条;
3、网版不合格:更换网版;
4、车间温度与湿度不合适:温度控制在22±2℃,湿度控制在50±3%;
5、印刷参数不合格:调整印刷压力、印刷间隙与印刷速度;
6、工作台板不平,磨损严重:检查更换工作台板;
7、印刷机导轨不平:设备重新调整导轨;
七、粗线:
1、原硅片为线痕片:控制线痕原硅片;
2、网版使用次数太多,张力不够:更换新网版;
3、网版参数不合格:核对该批网版参数,更换新网版;
4、浆料太稠,搅拌时间太短:严格执行浆料搅拌规定;
5、印刷参数不合适:调整印刷机参数;
八、真空错误
1、原硅片问题:硅片厚度不均匀;
2、粘片:检查网版是否粘片;
3、设备传送错误:找设备人员调整;
九、对位错误:
1、网版不干净:用无尘布蘸酒精擦拭网版四个基准点;
2、原硅片边缘不整:拿出不规整的原硅片;
3、设备问题:找设备人员调整机器;
十、连续碎片:
1、台面不平整:检查印刷台面是否不平整或有碎片;
2、网版:检查网版是否粘有碎片,擦拭干净网版;
3、刮条不平:检查刮条是否平整,更换新刮条;
4、印刷压力过大:减小印刷压力;
5、隐裂:检查前段工序是否有上述情况;
十一、块状或粉末状脱落:
1、烘干温度过高:降低起始烘干温度或降低整体烘干温度,缩短烘干时间;
十二、烧结炉区不稳定:
将温区停止加热,降低200度后重新启动加热,多次重复至稳定为止;
十三、电性能参数:
1、开路电压
受光照的太阳电池处于开路状态,光生载流子只能积累与pn结两侧产生光生电动势,这是在太阳电池两端测得的电势差叫作开路电压,用符号Voc表示。
扩散均匀性的好坏影响着开路电压;温度也影响着开路电压,一般每降低1℃,开压升高约2mV(环境温度保持在23-27℃)。
2、短路电流
把太阳电池从外部短路,测得的最大电流,称为短路电流,用符号Isc表示。实际器件中,由于存在着体内复合和表面复合,所得的光生电流小于理想值。此外,短路电流还与材料性能、器件制备工艺密切相关。
短路电流的主要影响因素是扩散和丝印烧结:
(1)一般来讲,扩散的方阻低,烧结温度低的话,短路电流会越小;
(2)印刷栅线不好也影响短路电流,印刷的栅线越粗短路电流越低。
3、串联电阻
影响串阻的主要因素有:扩散、丝印、烧结、测试
如果串阻偏大,可能是扩散的方阻大,在丝印方面可能是浆料被污染;分选机的探针磨损也会有影响。至于烧结温度,还要参考漏电流的大小:
(1)若串阻高,漏电流大,可能是烧结炉的温度高;
(2)若串阻高,漏电流低,则可能是烧结炉的温度低。
4、漏电流
漏电流的影响因素主要是清洗、刻蚀、扩散、丝印烧结、测试分选。如果漏电流大可能是下列情况:
(1)绒面大,片子本身质量不好;
(2)过刻和未刻都会导致漏电大;
(3)电池片正面被污染,边缘漏浆;
(4)烧结温度过高;
(5)测试分选时被击穿。
5、填充因子
太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF,它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比:
FF是衡量太阳电池输出特性的重要指标,太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化,将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线就得到太阳电池的伏安特性曲线,如图所示
FF是代表太阳电池在带最佳负载时,能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳电池的输出功率越大,FF的值始终小于1。影响FF的因素很多,串联电阻,并联电阻对FF有直接影响。一般的规律是:串阻越大,FF越小;并阻越小,FF越小。光照对填充因子也有影响。在其他因数基本相同的情况下,在一定范围内随着光强(E)的减小,填充因子相应增加。
2.2烧结常见问题处理
2.2.1弯曲度过大
造成弯曲度过大的几个因素:
a)来料片源太薄,可适当降低背电场的印刷湿重;
b)湿重(印刷量)过大:降低背电场的印刷湿重;
c)温度过高:降低烧结炉4-6区背场烧结温度,效果不明显时可降低8、9区温度,但要防止对效率造成影响;
d)印刷厚度不均匀。
2.2.2烧结炉报警
烧结炉因履带带速或者温度波动较大(超过设置值±10℃)时报警,立即停止放片,及时消除报警,然后回到主界面升温。
报警的解决步骤:
a)在未登录的监控界面右上角消除报警器信号;
b)登陆到监控界面,在界面选择AlarmStatus进入报警界面消除报警;