太阳能硅片丝印机的现状及未来发展趋势

太阳能硅片丝印机的现状及未来发展趋势朱跃红 （中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024 ）摘 要 太阳能电池印刷是电池片生产线的重要工序，对电池片的质量起着重要作用，太阳能电池印刷技术是多种技术的组合，需要工艺工程师和设备工程师密切合作。主要介绍了太阳能电池片的丝印工艺及设备，国内外丝印机的研究现状 ; 分析了目前存在的几种全自动丝印机的优缺点，指出了未来太阳能硅片丝印机的发展趋势。关键词 硅片；丝印机；太阳能电池中图分类号 TM914 文献标识码 A 文章编号 1001-3474 （ 2012） 03-0179-03Development of Screen Printer for Solar Silicon ChipZHU Yue-hongNo.2 Research Institute of CETC, Taiyuan 030024, ChinaAbstract Printing is an important process in the production of solar cell. Printing process has a strong impact on solar cell quality. Printing technology is the combination of many techniques, needs to work closely between process engineer and equipment engineer. Mainly introduce screen printer process and equipment of solar cell manufacture, the development of screen printer inside and outside the country, analyze the function merit and defect on several automatic screen printers, point out the development trend in future.Key words Silicon chip; Screen printer; Solar cellDocument Code A Article ID 1001-3474201203-0179-03随着全球能源的日趋紧张 , 太阳能以没有污染和易于安装等独有的优势受到世界各国的青睐 , 国际上众多大公司投入太阳能电池研发和生产行业。从太阳能获得电力，需要通过太阳能电池进行光电变换来实现，硅太阳能电池是一种有效地吸收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件 , 广泛应用于各种照明及发电系统中 [1]。1 太阳能硅片电池的丝印工艺太阳电池经过制绒、扩散及 PECVD等工序后，已经制成 PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳能电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为利用丝网图形部分网孔透过浆料，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。浆料在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程 [2]。2 丝印设备介绍市场上主流的全自动太阳能硅片丝印机主要有两种方式，一种是转盘式，如图 1所示，即一个转盘有四个工位，硅片进来后先在第一个工位拍照定作者简介朱跃红（ 1974- ），男，毕业于陕西科技大学，高级工程师，主要从事电子专用设备的研究与开发工作。电子工艺技术Electronics Process Technology2012年 5月 179第 33卷第 3期位，转到第二个工位网板移动与硅片对正，网框下降进行印刷，第三个工位卸片。另一种是通过式，如图 2所示，即硅片沿直线方式运动，在 1号位置先是预定位，使硅片的前后方向的定位精度控制在 0.1 mm左右，然后机械手吸附硅片送到丝印台 3上，视觉系统进行拍照精确定位，网框移动使丝网与硅片对正，丝印台上升到与网板设定距离后再进行丝印，印完机械手送出。图 1 转盘式结构图图 2 通过式结构图这两种方式各有优劣，转盘式由于定位和丝印工序是并行工作方式，所以速度相对较快，能达到 1 400 片 /h ；而通过式是串行工作方式，即先进行定位再进行印刷，运行速度相对较慢，约为1 200 片 /h ～ 1 300 片 /h；通过式在一个位置完成定位及丝印，所以丝印精度相对较高；转盘式丝印机转盘较大，丝印网框运动部件也随之变大，以至于使整台设备的体积要大出通过式很多。两种丝印机的共同点是硅片吸附在丝印台上相对不动，视觉系统拍照后，把运动的数据反馈给UVW 平台， UVW 平台带着丝网去与硅片对正，然后再铺浆印刷。视觉系统及 UVW 平台精度直接影响印刷后的电池片质量 [3-5] 。3 国内外研究状况目前，太阳能硅片电池领域全自动丝印机在国外占主流，意大利 Baccini 公司、英国 DEK公司和德国 ASYS公司等全自动丝网印刷设备，几乎垄断了全球晶体硅太阳能电池的印刷设备市场，其中 DEK介入太阳能行业较晚，市场占有率较低，而 Baccini 和 ASYS 占据市场份额较大。与光伏电池组生产和光伏设备需求的高速增长不协调的是，国内专用设备领域虽然取得较大进步，但是发展依然缓慢，丝印等关键设备仍然依赖进口。先进的制造工艺及关键生产设备的缺失必然是国内企业参与国际同行竞争的短板，在市场上总是处于被动局面。为了使我国的工艺技术水平接近甚至赶超世界先进水平，先进的制造工艺及关键生产设备必须自主研发设计，以打破国外封锁的状况。在国内，手动及半自动丝网印刷机已实现量产，并成功应用于电池生产线。中国电子科技集团公司第二研究所通过与国内优秀企业紧密合作，在多年丝印技术经验的基础上，深入太阳能电池先进工艺和设备研究，进行多项技术创新，成功研制出GSY-1200全自动光伏硅片丝网印刷机，在电池生产线上进行连续运行测试，生产效率、印刷精度、良品率和碎片率等关键性工艺指标各项数据已达到国际先进水平，见表 1，已批量生产多台。并在二次印刷（叠印）工艺方面取得突破，通过二次印刷工艺可实现高效电池片的印刷。表 1 GSY-1200 光伏硅片丝印机性能 设备型号 GSY-1200丝印精度 b / μm 12.5最大印刷速度 v/ 片h -1 ） 1 300碎片率 / ＜ 0.2最小硅片厚度 d / μm 120印刷速度 v / （ mms -1 ） 300占地面积 S/m 2 1.2 0.74 丝印机未来发展趋势太阳能电池制造设备发展目的是为了提高电池的最终产品质量、光电转换效率及整线生产效率，同时降低生产成本，因此，未来丝印机的发展将始终围绕着以下几方面进行。 4.1 国产化势在必行早期丝印机全部进口，价格高且周期长，对国内太阳能电池厂家来说使用和维护成本较高。受欧洲太阳能补贴取消影响，在目前太阳能电池行业不景气的前提下，为提高国内太阳能电池厂参与国际市场的竞争力，关键设备必须国产化才是最佳途径。国内光伏设备企业要有好的发展，就必须通过与国内一流光伏企业结成战略合作伙伴，将先进工艺物化于设备，提供技术先进和质量稳定的优质设备，彻底打破设备和工艺脱节的发展模式。4.2 更先进的工艺技术物化于设备高精度是丝印机发展的根本，也是未来新工艺开展的前提，将更先进的工艺技术物化于设备，进一步提高太阳能电池的光电转换效率和降低每瓦成本。高效电池片制做工艺是在扩散之前，将高浓度磷浆如电极栅线状印刷到硅片表面，然后将硅片放入扩散炉中进行扩散。高浓度磷浆在扩散过程中从电子工艺技术Electronics Process Technology 2012年 5月180印刷区挥发沉积到非印刷区。由于这样挥发沉积得到磷浓度不如印刷区的高，这样就形成高低浓度的掺杂，得到选择性发射极结构 [6]。后续工艺同现在一样还要经过三次印刷，但这就对第三道印刷有较高的要求，印刷的电极栅线必须与扩散之前用磷浆印的栅线重合。两次栅线重合需要丝印机有很好的图像识别功能及精确定位机系统，视觉系统及 UVW 平台细微环节都会对印刷精度带来较大影响，两者配合后的定位精度达到 12.5 μ m以下叠印才会有更好的效果。高效率低碎片率是整个行业永恒的追求，丝印机做到这两点电池片成本才能下降，才会增强客户的市场竞争力。现在，碎片率平均水平 0.2，印刷速度 1 200 片 /h ～ 1 400 片 /h ，如何进一步提高相关指标需要设备开发人员认真研究。4.3 自动化程度要高现在的竞争是全方位的竞争，自动化程度的高低直接决定了操作员工的多少，设备体积大小直接影响占地面积，人员多少和净房空间的大小对成本有着直接的关系。转盘式丝印机相对通过式丝印机占地面积大，所以转盘式丝印机后续还应在占地面积方面做些改进，或者大幅提高生产速度才能体现更好的竞争优势。通过式丝印机为进一步提高生产速度，可认真分析各个动作，压缩相应周期时间提高速度还应有余地。最近有些设备厂商开始研究三印刷工位丝印机，这样在设备体积增加不了多少的前提下产能大幅增加，产能甚至可到 3 000 片 /h 以上，这是一个可喜的探索。但是丝印机产能增加的同时，也对后面的烘干及烧结工序提出了更高的要求，需要相应设备与之配套。再者，一台丝印机三个工位，如果有一个或两个工位出现问题，如何能快速处理而不影响其他工位工作，需要强大的软件处理功能来协调支撑，这种创新丝印机问世到成熟批量生产还有一段过程要走。4.4 研发大尺寸印刷丝印机为了节约硅料和降低成本，电池片的尺寸会越来越大，厚度也会越来越薄，这对丝印机提出了更高的要求。应及早从上料传输方式及印刷定位等环节着手研究，做好相关单元技术储备。4.5 维护调整方便快捷丝印机在生产过程中，经常会遇到晶片尺寸的频繁更换，这就需要快速的产品转换时间。因此，丝印机的更换部件要能快速装卸，零件上要做一些凸台或销定位，设计一些快锁装置，使维修人员能尽快完成。5 结束语太阳能电池印刷是电池片生产线的重要工序，对电池片的质量起着重要作用，太阳能电池印刷技术是多种技术的组合，需要工艺工程师和设备工程师密切合作，深入研究改进各个环节，才能研制出效率更高、速度更快、碎片率更低和光电转化效率更高的丝印机。参考文献[1] 张世强，李万河，徐品烈 . 硅太阳能电池的丝网印刷技术 [J]. 电子工业专用设备， 2007，（ 5） 55-59 ， 68.[2] 孙铁囤，陈东，崔容强，等 . 多晶硅太阳能电池制作工艺概述[J]. 新能源， 2006（ 6） 20-22.[3] 史建卫，张成 . 一种 3-PRP共平面并联微动平台的研究 [J]. 电子工艺技术， 2011， 32（ 4） 245-249.[4] 魏海滨，朱跃红，郎鹏，等 . 太阳能硅片丝印机视觉定位系统[J]. 电子工艺技术， 2012， 332 [5] 贺智 . 机器视觉系统在 LCD行业中的应用 [J]. 电子工艺技术，2007， 28（ 3） 153-156.[6] 屈盛，刘祖明，廖华，等 . 选择性发射极太阳电池结构及其实现方法 [J]. 阳光能源， 2004（ 4） 42-45.收稿日期 2012-03-08（上接第 144页）4 结论薄膜电路是机载和星载等领域中非常有潜力的微波电路基板技术，而高密度通孔金属化是薄膜电路制作中非常重要的环节。本文通过优化工艺，提出了薄膜电路通孔金属化的新思路，满足了微波设计和基板焊接的需求，成功地应用于微波组件中。此外，还克服了传统薄膜电路制作对溅射金靶、喷胶技术和反应离子刻蚀技术等工艺技术和设备的依赖，降低了薄膜电路制造成本。参考文献[1] 王斌 . 多层结构微波毫米波薄膜电路制作工艺研究 [J]. 电子工艺技术， 2009， 30（ 6） 349-352.[2] 毛小红，高能武，项博，等 . 微波单片陶瓷电路技术研究 [J]. 电子工艺技术， 2009， 30（ 2） 86-88. [3] 谢飞，高能武，秦跃利 . 薄膜电路孔金属化工艺 [J]. 混合微电子技术， 2001， 12（ 2， 3） 56-58.[4] 胡骏，柳龙华 . MCM-C/D 微波基板工艺技术研究 [J]. 电子工艺技术， 2011， 32（ 5） 288-290.收稿日期 2012-04-15朱跃红硅片丝印机的现状及未来发展趋势第 33卷第 3期 181太阳能硅片丝印机的现状及未来发展趋势作者 朱跃红作者单位 中国电子科技集团公司第二研究所 ,山西太原 030024刊名 电子工艺技术英文刊名 Electronics Process Technology年，卷 期 20123参考文献 7条1. 毛开礼 . 徐伟 . 王英民 温度对碳化硅粉料合成的影响 2011062. Dimitrijev S Silicon carbide as a material for mainstream electronics [外文期刊 ] 2006013. Gabriel G . Erill I . Caro J . el al Manufacturing and full characterization of silicon carbide-based multi-sensor micro-probes for biumedical applications [外文期刊 ] 2007034. Brylinski C Silicon carbide fior microwave power applications,diamond and related materials 1997105. YE Xin-Nan. ZHAO Zhong-Ling One-step Synthesis of High Purity Silkon Carbide Powder 2008026. WANG Li. HU Xiaobu. XU Xiangang Synthesis of High Purity SiC Powder for High-resistivity SiC Single Crystals Growth [期刊论文] -Materials Science and Technology 2007017. Narciso-Romero F J . Rodriguez-Reinoso F . Diez M A Influence of the carbon material on the synthesis of silicon carbide[外文期刊 ] 199911本文链接 http//d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzgyjs201203017.aspx