太阳能电池的丝网印刷

1 目 录摘要 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, i 1 绪论 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 1 1.1 太阳能应用前景 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 2 2 太阳能电池基础及制作工艺 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 4 2.1 太阳能电池的基本构造 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 4 2. 2 太 阳 能 电 池 的 工 作 原 理 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 4 3.3 太阳能电池简介 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 4 3 太阳能电池片的丝网印刷 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 6 4.1 丝网印刷工艺 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 7 4.3 基本的太阳能丝网印刷 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 7 4.4.2 硅片的正面和背面印刷 ,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, 8 4.5 相关工艺参数 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 84.6 其他条件要求 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 85 对人文建筑的展望 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 9 5.1 生态住宅的趋势 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 9 结论 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 10 参考文献 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 11 致 谢 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 1 21 摘要1 绪论1.1 太阳能应用的情景太阳能发电是最理想的新能源， 照射在地球上的太阳能非常巨大， 大约 40 分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净（无公害） ；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。目前，太阳电地主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高，已达 20％以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到 10％，每瓦发电设备价格降到 1－ 2 美元时，便足以同现在的发电方式竞争。据专家预测，本世纪末便可达到这一水平。当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电地，光电变换效率可达 36％，快赶上了燃煤发电的效率。但由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响。但可以分散地进行，所以它适于各家各户分激进行发电，而且要联接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决，关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律，保证进行太阳能发电的家庭利益，鼓励家庭进行太阳能发电。日本已于1992 年 4 月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网， 已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从 1994 年开始以个人住宅为对象， 实行对购买太阳能 发电设备的费用补助三分之二1 的制度。要求第一年有 1000 户家庭、 2000 年时有 7 万户家庭装上太阳能发电设备。据日本有关部门估计日本 2100 万户个人住宅中如果有 80％装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的 14％， 如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电， 则太阳能发电将占全国电力的 30％－ 40％。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的 3 千瓦发电系统 , 太阳能空调，需 600 万至 700 万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到 100 万到 200 万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。不久前，美国德州仪器公司和 SCE公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到1 毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。 在大约 50 平方厘米的面积上便分布有 1， 700 个这样的单元。 这种新电池的特点是，虽然变换效率只有 8％ -10%，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要 15 至 2 美元，而且每发一度电的费用也可降到 14 美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得一二千度的电力。 进一步的提高太阳电池的转换效率和降低太阳电池的生产成本是我们现阶段不断研究的课题。提高太阳电池的转换效率的方法，有在太阳电池中减少能量的损失。损失有两种类型：光学损失和电学损失，其中光学损失主要体现以下 3 种方式： 1. 硅表面的反射损失，经处理的抛光硅片反射率可达 30%以上； 2. 上电极的遮光损失， 作为上极电极的金属栅线要遮掉 5%~15%的入射光； 3. 进入硅片能量大于禁带宽度的光子在电池背面的投射。三种光学性质的损失中，硅表面的反射损失最多。通过在太阳电池表面制备绒面可以有效降低太阳电池的表面反射率。1.2 本论文所研究的主要内容本论文主要从实用、商品化太阳电池的生产与工艺研究出发，对太阳电池生产丝网印刷1 的研究及技术改进进行了全方位的描述。 在第二章中着重对制作太阳电池工艺过程进行了系统的阐述，并对某些工艺进行了工艺条件的实验，通过对比得到结论，总结提出了提高效率、降低成本的个人看法。在三、四章主要从理论、图片和实际出发，提出了在太阳电池生产工艺中丝网印刷工艺的重要性和其改进方法。1 2 太阳电池基础及其制作工艺2.1 太阳电池基本构造和工作原理太阳电池的基本构造（ a ） ( b ) ( c )a. 太阳电池正面俯视图 b.太阳电池部分立体图 c.相应的断面图其中 : 1 - 太阳电池主栅线 2 - 太阳电池副栅线、 3 - 太阳电池背电场 4 - 减反射膜5 - 扩散层 6 – 其区层图 2— 1 太阳电池的基本结构图太阳电池工作原理太阳电池是利用半导体光生伏打效应（ Photovoltaic Effect ）的半导体器件。半导体按其是否含有杂质及杂质成分，分为本征半导体、非本征半导体。高纯硅是一种本征半导体，在常温下只有为数极少的电子穴对参与导电，部分自由电子遇到空穴会迅速恢复合成共价键电子结构，所以硅的本征电阻率比较大。但如果在高纯中掺入极微量的电活性杂质，其电阻率会显著下降。当向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就会降为原来的千分之一。掺入对杂质不仅改变电导率，而且改变导电型号。当在硅中掺入磷、砷、锑等 5价元素（又称施主杂质） ，它们的价电子多于价轨道，是多电子原子，在形成共价键之外，有多余的电子，位于共价键之外的电子受原子核的束缚力要比组成共价键的电子小得多，只要得到很少的能量，就能成为自己电子。同时，该 5价的元素的原子成为带正电阳离子。该材料以电子为多数载流子，称之为 N型半导体。 N型半导体也有空穴，但数量少，称为少数载流子。如果的在硅中掺入硼、镓、铝等 3价元素（又称受主杂质） ，它的价电子数目少于价轨道，是缺电子原子，在形成的共价键内出现空穴， 位于共价键内的电子只需外界给很少能量， 就会摆脱束缚过来填充，1 形成新的空穴。同时该 3价元素的原子成为带负电的阴离子。该材料以空穴为多数载流子，称为 P型半导体。 P型半导体中也有自由电子，但数量很少，称为少数载流子。当 P型半导体和 N型半导体紧密接触在一起时， 在交界面上就会有自由电子和空穴的浓度差，空穴向 N型半导体扩散，自由电子向 P型半导体扩散，在交界面附近，空穴和自由电子复合，于是在交界面附近， P型半导体带负电， N型半导体带正电，形成一个称为势垒电场的内建电场，其方向从带正电的 N区指向带负电的 P区，电场的形成阻碍了自由电子和空穴的扩散，从而形成一个稳定的电场。当太阳光照射到 P-N结上时，光能被吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子——电子空穴。它们分别在 P区的 N区形成浓度梯度，开始向 P-N结作扩散运动。 到达边界时受 P-N结势垒区存在的强内建电场作用下将空穴推向P区，电子推向 N区，在势垒区的内建电场下，各向相反方向运动。离开势垒区，结果使得 P区电势升高 N区电势降低， P-N结两端形成光生电动势，这就是 P-N的光生伏特效应。具有光生伏特效应的 PN结实际上就相当于一个电源，接上用电器后就能工作，这就是太阳电池的工作原理。图 2-2 太阳电池工作原理图2.2 太阳电池的简介1 图 2-3 太阳电池制作工序清洗制绒：在太阳能电池中，其能量的损失有两种类型，光学损失、电学损失，其中光学损失主要的以下几种： 1 硅表面上的反射损失，抛光后的硅片反射率在 30%发上；2 上电极的遮光损失，作为上电极的金属栅线要遮盖 5%-15%的入射光； 3 进入硅片能量大于禁带宽度的光子在家电池背面的投身。制绒是减少这些损失的方法之一，通过在硅片表面的制作绒面可以有效的降低太阳能电池的表面反射率， 入射光在电池表面多次反射延长了光程，增加了对红外光的吸收，而且有更多的光子在 P-N结附近会产生光生载流子，从而增加了光生载流子的收集机率；另外同样尺寸的硅片 , 绒面电池 P-N 结的面积较大，可以提高短路电流，转换效率也会有相应的提高。酸性制绒（主要适用于多晶硅）Si+4HNO3=SiO2+4NO2+2H2O （ 2.2.1 ）SiO2+4HF=SiF4+2H2O （ 2.2.2 ）SiF 4+2HF=H2［ SiF 6］ （ 2.2.3 ）扩散制结：扩散是一种由微粒的热运动所引起的物质输运的过程，可以是一种或多种物质在气、液、固体的同一相内或不同相间进行。扩散的驱动力实质是化学势梯度。固体中扩散微观基质即扩散基质可以概括为 3 种： 填隙原子机制、 空位机制、 交换机制。等离子刻蚀：刻蚀是采用化学或是物理的方法，有选择地从半导体材料表面除去不需要的材料的过程。通常是刻蚀技术分为湿法腐蚀和干法刻蚀。1. 湿法腐蚀是通过化学溶液与被刻蚀材料发生反应而去除被刻蚀部分的方法。但其特点是各向同性，存在侧向腐蚀而产生底切现象，导致线宽失真等问题，所以目前不用。2. 干法刻蚀是把材料的被刻蚀表面暴露于等离子体中， 等离子体通过光刻胶中开出的窗口与材料发生物理或化学反应从而去除暴露的材料。分为物理性刻蚀和化清洗制绒 扩 散 制结等 离 子刻蚀去 PSG PECVD 丝网印刷电极烧结检测分选1 学性刻蚀。去磷硅玻璃（ PSG）：磷硅玻璃是硅片在扩散时的化学反应导致在硅片表面形成一层含有磷元素的二氧化硅， 称之为磷硅玻璃。 除去这层磷硅玻璃主要是用氢氟酸来腐蚀，因为氢氟酸具有溶解二氧化硅的特性。减反射膜： PECVD(等离子体增强化学气相沉积 ) 技术原理是低温等离子体作为能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品上升到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经过一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面固态薄膜。丝网印刷：丝网印刷是太阳能电池制造的重要工艺，它质量的好坏会对太阳能电池的性能特别是电性能产生重要影响。太阳能电池的印刷电极，最早是采用真空镀或化学电镀技术制作现普遍采用丝网印刷技术，即通过特殊的印刷机和模板将银浆、铝浆印刷在太阳电池的正、背面以形成正负电极引线，再经过低温烘烤、高温烧结，最终制成太阳电池。电极烧结：太阳电池片目前采用只需一次烧结的共烧工艺原理，同时形成上下电极的欧姆接触（欧姆接触：金属与半导体的接触，接触面的电阻值小于半导体电阻值）银浆、银铝浆、铝浆印刷过的硅片，经过烘干使有机溶剂完全挥发，膜厚收缩成为固状物紧密黏附在硅片上，这时可以看到金属电极材料层和硅片接触在一起。1 3 太阳能电池片的丝网印刷2.1 丝网印刷的目的利用丝网印刷，将含有金属的导电浆料透过丝网网孔压印在硅片上形成电路或电极，将光生电子导出电池。把金属浆料印在已形成 p-n 结的多晶硅硅片上，分别印刷背面银铝浆，形成背电极，有利于组件的焊接。第二道印刷铝浆进行重掺杂，形成 P+层。 铝背场减少载流子复合，收集正电荷，增大开压。第三道印刷银浆，有利于电荷的收集，形成上电极。2.2 基本的太阳能丝网印刷印刷过程从硅片放置到印刷台上开始。 非常精细的丝网印版固定在网框上，放置在硅片上方，丝网封闭了除栅格线以外的其他区域，以便导电浆料能够通过。 硅片和丝网的距离要严格地控制 （称为印刷间隙， 或者网距） 。由于正面需要更加纤细的金属线，因此用于正面印刷的丝网其网格通常比用于背面印刷的要细小得多。把适量的浆料放置于丝网之上，用刮刀涂抹浆料，使其均匀填充于网孔之中，刮刀在移动的过程中把浆料通过丝网网孔挤压到硅片上。这一过程的温度、压力、速度和其他变量都必须严格控制。每次印刷1 完成后，硅片被放入烘干炉，使导电浆料凝固。接着，硅片被送入另一个不同的印刷机，在其正面或背面印制更多的线路。所有印刷步骤完成后，将硅片放入高温炉里烧结2.3 硅片正面和背面的印刷每块太阳能电池的正面和背面都有通过丝网印刷的导线，它们的功能是不同的。正面的线路比背面的更细；有些制造商会先印刷背面的导电线，然后将硅片翻过来再印刷正面的线路，从而最大程度地降低在加工过程中可能产生的损坏。在正面（面向太阳的一面） ，大多数晶体硅太阳能电池的设计都采用非常精细的电路（“手指线”） ，把有效区域采集到的光生电子传递到更大的采集导线——“母线”上，接着再传递到组件的电路系统中。正面的手指线要比背面的线路细得多（窄到 80μ m） ，正因为如此，正面的印刷步骤需要更高的精度和准确性。硅片的背面和正面的印刷要求是不同的，技术上也不那么严格。背面印刷的第一步工序是印刷一层以铝为基础的导电材料，而不是非常细的导电栅格。同时，能够将没有捕捉到的光反射回电池上。这一层也能“钝化”太阳能电池，封闭多余分子路径，避免流动电子被这些空隙所捕捉。背面印刷的第二步是制造母线，和外部电路系统相连接。2.4 相关工艺参数为了提高太阳能电池的转换率，尽量降低银导线对与电池板的遮挡，丝网版上栅格线的宽度应该尽量窄，而栅格线太细有可能造成导电银浆的厚度太薄，甚至有可能断。因此，丝网版上的栅格线宽一般在 80～ 120μ m之间。由于印刷后导电银浆会比丝网版上的宽度有所增加，印刷后的银浆在烧结后的宽度在 110-150μ m之间。为了降低其串联电阻，印在电池板上的银导线的总重量要尽量低， 基本在 0.01 ～ 0.02g 。 印刷压力在 75～ 80 牛顿 。如果使用专用的感光胶如铁佛龙多层膜网版，太阳能电池的转化率及稳定性都有较好的表现。其网版规格及相关工艺参数为： 丝网的绷网张力一般为 28± 2N。背电极丝网的寿命应大于 15000 次，背电场丝网的寿命应大于15000 次，正电极丝网的寿命应大于 10000 次2.4 其他条件要求1 丝网应存放在恒温、 恒湿的条件中， 温度的急剧变化会导致张力的下降，而湿度过大会导致乳胶的变性，从而影响使用效果甚至报废。具体存放条件为：温度 22± 3℃，湿度 50%± 10%。生产车间在使用前应将丝网提前领出，在厂房静置 24小时以上。在急需时应保证在厂房静置 2小时以上。丝网在出厂前一直是存放在洁净环境中的，因此在使用前应保持清洁，质检过程应在相对洁净的环境中进行，质检过后应将其用原塑料袋封好存放在库房中，避免在使用前被灰尘污染。丝网对震动非常敏感，任何碰撞都会导致张力下降甚至崩网报废，因此在移动、使用过程中应轻拿轻放、避免任何碰撞。丝网的表面非常脆弱，任何钝物对网纱部分都可能造成损害，使张力下降、图形损坏、寿命减短甚至报废。因此在移动、使用过程中应避免网纱表面同任何钝物接触。最好的存放方式是用专用的架子竖直存放，若平放则不要超过 5层，且层间在网框处要用软垫分开。丝网的乳胶不是一种非常稳定的物质，且厚度很小，在存放过程中会发生一些复杂的物理化学变化，所以丝网进厂后应在一个月以内使用。1 结 论1 参考文献[1] 刘月蕊 . 浅谈室内软装饰 [M]. 中国纺织大学学报 ,2000.[2] 杨芳 . 浅谈软装饰与室内设计风格的营造 [M]. 山西建筑出版社 ,2009.[3] 林向健 . 浅谈软装饰在室内设计中的运用与潮流趋势 [N]. 科技与生活 ,2010.1 致 谢论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。 感谢所有关心、 支持、 帮助过我的良师益友。最后，衷心感谢湖北工业大学的老师对我的大力栽培。签名：年 月 日