丝网印刷工艺中常见问题及其处理研究

1、丝网印刷工艺中常见问题及其处理研究 江西工程学院环境与能源工程学院 毕业设计 （ 2016 届） 题 目： 丝网印刷工艺中常见问题及其处理研究 专 业： 光伏发电技术及应用 丝网印刷工艺中常见问题及其处理研究 摘要太阳能电池是新能源产业中重要的产品之一。丝网印刷制作太阳能电池的背电极、正电极和背电场的生产工艺日趋成熟，成为当今太阳能电池制作的主流加工方式。本文主要从实用、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的研究及技术改进进行了全方位的描述。关键词：太阳能电池；丝网印刷Research on common problems and treatment of screen

2、printing processAbstract Solar cell is one of the important products in the new energy industry. The production technology of the back electrode, the positive electrode and the electric field of the solar cell is becoming more and more mature, which has become the mainstream of the solar cell produc

3、tion. This article mainly from the practical and commercial solar cell production and technology research, the solar cell production screen printing research and technology improvement of a full range of description.Key words: solar cell; screen printing目 录摘要.2Abstract.3 1绪论.62太阳能电池的基础及制作工艺.7 2.1太阳能

4、电池的基本结构.7 2.2太阳能电池的工作原理.7 2.3太阳能电池的制作工艺.10 2.3.1清洗制绒.102.3.2扩散制结.11 2.3.3等离子刻蚀.11 2.3.4去磷硅玻璃（PSG).11 2.3.5减反射膜.11 2.3.6丝网印刷.12 2.3.7电极烧结.123太阳能电池片的丝网印刷.12 3.1丝网印刷的目的.12 3.2印刷的原理.12 3.3基本的太阳能丝网印刷.13 3.4硅片正面和背面的印刷.13 3.5相关工艺参数.14 3.6设备要求.14 3.7其他条件要求.154丝网印刷常见问题及处理方法.16 4.1常见问题.16 4.2处理方法.17 4.2.1一道背电

5、极印刷.17 4.2.2二道背场印刷.18 4.2.3三道正电极印刷.19 4.2.4烧结.205结论.216参考文献.227致谢.231. 绪论 能源利用技术的发展是人类控制自然能力的一个重要标志。没有煤的利用，工业革命是很难想象的。没有石油和电力的利用，20世纪很多新技术和产业部门的产业和发展同样也是很难想象的。然而，随着社会生产的发展和能源利用规模日益扩大，总有一天目前人类依赖的矿物能源会被用尽。首先是石油，1973年世界性石油危机就给了人们一种切身感受。关于这个问题，我们必须及早做好准备。很自然，人们首先就会想到太阳能，因为自然界中风、雨、雷、电，江河的奔流，汹涌的海浪，生物的繁衍，其

6、能源无不来自太阳。太阳的能量是巨大的，而且是可以不断再生的，因此，实际上是取之不尽，用之不竭。太阳能又是清洁的，不需担心它对环境产生污染和对人类造成危害。但是，太阳能的利用并不是没有困难的。太阳能分布在广大的地球表面，密度是很低的。要能付之实用，首先就要从很大的面积上把它收集起来，这就意味着需要大型的设备和相当大的投资。另外，由于地球的运动以及气象条件的变化，对于同一地点来说，所能接受到的太阳能是间断的、不稳定的，这就使它要么只能用做辅助能源，要么就要增加储能装置，因而又要增加投资。尽管有这么困难，但是在常规能源短缺与环境污染日益加剧的双重压力下，出于国家安全考虑和经济可持续发展的需要，世界各

7、国都投入了巨大资金，加快太阳能利用的研究步伐，在太阳能热发电方面，美国加州建造的9套SEGS太阳热发电装置，最大的单套发电功率为80MW，总发电量达354MW，并采用了储能装置，可满足50万居民的能源需求，每年节约230万桶油，减少15.5万t的二氧化碳和114t的氧化氮污染。发电成本已降到812美元/。2005年，我国首座70MW塔式聚光太阳能发电电站成功并网，揭开了太阳能热发电全新的一页。2. 太阳能电池的基础及制作工艺2.1太阳能电池的基本结构典型的太阳能电池的结构如图2.1所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN接合

8、的顶部有一层防反射薄层，以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗淡的原因。 2.1 太阳能电池结构图 2.2太阳能电池的工作原理如图2.2所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N区。耗尽层(宽度W)一直延伸到P区，并在耗尽层形成一内建电场E0。把连接N区的电极做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻，在电池表面镀一层减反射膜以提高太阳光的利用率。当光照射在电池上时，由于N区(宽度Ln)比较狭窄，能量大于禁带宽度Eg的大部分光子在耗尽层和P区(宽度Lp)被吸收，产生光生电子一空穴对 (EHPs)。在耗尽层的光生EHPs立即被内建电场所

9、分离，电子漂移到达N区形成负极性区域，同时空穴漂移到达P区形成正极性区域，于是通过接线在PN结两端形成了开路电压Voc。如果连接了负载，那么N区的大量电子经过外电路工作，然后到达P区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光生EHPs，在N区积累大量电子，在P区积累大量空穴起了关键作用。因为没有电场的缘故，在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区域。则电子的平均扩散长度Le可由( 2.1)表示，其中De为电子在P区的扩散系数。 （2.1）离耗尽层的距离在Le范围内的那些电子能扩散到内建电场，并在内建电场的作用下漂移到N区，因此在P区产生的光生EHPs中，只有那些离耗尽层距离在Le范

10、围内的的少数图2.2 太阳能电池工作原理载流子(电子)才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域，它将被Eo扫到N区，增加该区的负电荷，空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于Le的光生EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少数载流子的扩散长度Le要尽可能的长，又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以P区产生的电子为少数载流子的硅PN结。同样，在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于扩散长度Lh的少数载流子(空穴)能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此，对光伏效应起作用的EHPs的产生发生在这样一个区域: Lh+W十Le。如图2.3所示

11、，在N区大量的电子通过外电路流到P区与空穴中和，这种由光生载流子的流动产生的电流叫光电流Iph。要注意的是，在PN两端形成光生电动势后，相当于在PN结两端加上了正向电压V，具有普通PN结的二极管特性，正向电流为Id，因此通过电池的总电流： （2.2）图2.3 光电流产生区域由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势，他们应该满足以下三个条件：（1）半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数a，即要求入射光子的能量hv大于或等于半导体材料的禁带宽度Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。（2）图2.4为一些材料的吸收曲线。可以发现GaAs和非晶硅的吸收系

12、数比单晶硅大得多，透入深度(l/a)只有1um左右，即几乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成薄膜，节省材料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片(约100-300um)才能充分吸收;对于短波长的光，只在入射表面附近1um区域内就己充分吸收了。（3）具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在P区积累了非平衡空穴，而在N区积累了非平衡电子。产生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场，于是在P区和N区间建立了光生电动势(或称光生电压)。 图2.4 不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系2.3 太阳能电池的制作工

13、艺图2.5太阳电池制作工序清洗制绒扩散制结等离子刻蚀去PSGPECVD丝网印刷电极烧结检测分选2.3.1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

14、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）的相关公式如下：Si+4HNO3=SiO2+4NO2+2H2O SiO2+4HF=SiF4+2H2O SiF4+2HF=H2SiF6 2.3.2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。2.3.3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

15、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学性刻蚀。2.3.4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。2.3.5减反射膜PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术原理是低温

16、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。2.3.6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。2.3.7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

17、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。3 太阳能电池片的丝网印刷3.1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。3.2 印刷的原理 图3.1为丝网印刷

18、原理示意图，丝网印刷由五大要素构成，即丝网、刮刀、浆料、工作台以及基片。丝网印刷基本原理是：利用丝网图形部分网孔透浆料，非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。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。油墨在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的黏性作用而使印迹固着在一定范围之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮刀移动而移动，由于丝网与承印物之间保持一定的间隙，使得印刷时的丝网通过自身的张力而产生对刮板的反作用力，这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用，使丝网与基片只呈移动式线接触，而丝网其它部分与承印物为脱

19、离状态，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。当刮板刮过整个印刷区域后抬起，同时丝网也脱离基片，工作台返回到上料位置，至此为一个印刷行程。 图3.1 丝网印刷原理示意图 3.3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。

20、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3.4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

21、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80m），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。 3.5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

22、版上的栅格线宽一般在80120m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110-150m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0.010.02g。印刷压力在7580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 3.6设备要求在工艺设备上我们对设备的要求比较的精细，不是一开机器就可以运行根据多年来的实际工

23、作情况一般有以下的三点： 作台的平面度：印刷的时候电池片被吸附于工作台表面，如表面不平，在负压下电池片易破裂，以6英寸电池片为例，工作台的平面度不大于0.02mm。 工作台重复定位精度：根据太阳能电池片的精度要求，工作台重复定位精度达到0.01mm即能满足工艺要求。 印刷的时候丝网与工作台的平行度决定印刷膜厚度的一致性，根据使用要求，以6英寸电池片为例二者平行度为0.04mm。电池片的平面度不大于0.02mm，表面粗糙度低于1.6。 3.7其他条件要求丝网应存放在恒温、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

24、±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

25、，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。4.丝网印刷常见问题及处理方法4.1常见问题 如下表所示印刷质量低效片图形偏移二道铝背场重量各道印刷重量烘干问题三道虚印各道工艺卫生（1） 铝背场 铝背场主要控制印刷重量和印刷图形不偏移，避免出现毛边。印刷重量太小烧结过后容易产生铝苞，对硅片的钝化效果下降，铝背场与硅片接触面不能形成有效的镜面反射；印刷重量太大二道过后会烘不干，烧结过后容易产生铝珠，并且硅片会有较大变形。 表现：如果铝背场有问题在电性能参数上主要显示就是

26、开压整体偏低，串阻变大。有时候会有个别台面印刷重量较轻，这时需要更换台面纸或者通过设备调节台面。（2）正银极 正银极主要是观察印刷后有没有虚印，断栅，毛边。板间距和压力应该在一个合理范围内。如果板间距太小，压力太大，刮刀深度较深就会导致毛边；板间距太大、压力太小则会导致虚印增多；断栅一般是由于浆料没有搅拌均匀，有一些较大颗粒残留，或者浆料粘稠度降低造成的，通常用无尘布擦拭网版就能解决。 表现：虚印太多电流收集能力会下降，串阻增大，有时烧结过后可能会由于受热不均匀将PN结烧穿导致漏电增大。（3） 正银浆料污染 污染包括外来物污染和正银干浆料污染。外来物污染主要控制工艺卫生，比如浆料瓶、铲刀放置的

27、位置，三道工序员所戴的手套和擦网版所用的无尘布。为了避免干浆料污染，可以提醒三道工序员经常将网版内部两侧浆料往中间铲，更换网版时将回料刀和刮头全部用酒精清洗干净，如果可以，将刮条换掉，这样会有效的减少虚印和断栅，提高印刷精度。 表现：开压，短路电流略有下降，漏电正常，串阻明显增大 处理：更换网版，将刮刀和回料刀洗干净（4）更换网板 正银极:随着印刷时间的加长，印刷栅线的宽度会增加，高度降低，网版张力下降，图形有时会发生变形。此时栅线对电流的收集能力下降，在电性能参数上的表现就是开路电压和短路电流都会有所下降，效率降低，这时就需要更换网版。 铝背场：随着时间的增加，网板张力下降，图形区由于经常摩

28、擦图形区会有很多洞，而且非图形区漏浆会增多，网孔增大，浆料致密性降低，此时需要更换网板。4.2处理的方法4.2.1一道背电极印刷图4.1 虚印其处理方法：a、导致虚印一般是由于刮刀印刷不到位，印刷力度小以致不能将网版上的 浆料刮干净，浆料不能渗透到基片上，可以增大压力来改善； b、网孔堵塞，用蘸有酒精的无尘布擦拭堵网地方； c、没有及时更换刮刀，刮刀变形导致印刷不良。d、刮刀不平导致有左右不平衡，可以往印刷不到的方向垫纸来抬高刮刀， 垫 纸原则一层层往上加，切忌一下子加大有可能会压角。图4.2 虚印4.2.2 二道背场印刷 其处理方法： a、跟一道调节差不多 b、一边厚一边薄,调整刮刀平衡，一

29、般向印刷较厚的一边垫纸。c、印刷重量太轻,在保证不虚印的前提下加大印刷间隙也可以在不改变印刷 间隙的前提下减小印刷压力。 d、印刷总量太大,减小印刷间隙或加大印刷压力。e、粘板是由于印刷后基片不能脱离网版二粘在网版上，一般可以通过加大 印刷压力和印刷间隙来改善，再者刮条使用太久以致刮条变形引起粘板。 印刷台面纸太脏，硅片吸附不住用酒精擦拭台面；硅片有厚薄不均；网 版张力不够，网板折痕较多。4.2.3 三道正电极印刷 图4.3 虚印 （1）原因：一般为我们的印刷参数不好或者印刷刮条不平。有时也可能是我们的网版使用的时间太长而造成虚印，台面的不平。其解决方法：a、 我们此时可以观察印刷后刮条刮拭的

30、网版是否干净，试着抬高丝网间距， 加大印刷的压力，适当减小印刷速度。如果仍然不干净的话，可以尝试 着更换刮条。如果刮得干净看看网版的总的印刷数量，如果是因为网版 使用的时间太长而造成虚印，将网版更换。b、更换刮条。刮条不平整和使用次数过多也会引起虚印。（2）断线a、 有干浆料堵网。用蘸有浆料的铲刀在堵网的地方来回刮，将干浆料挤下 去后用无尘布将浆料擦拭干净；b、用蘸有松油醇的无尘布擦拭网版，并手动用刮刀来回刮网版，用干净无 尘布将网版下面浆料擦拭干净后方可印刷。（3）漏浆检查每一个台面同一处有无浆料(适合一、二、三道)。根据在硅片上漏浆的位置，确定网版漏浆的位置，查看网版漏浆处的大小，如果漏洞

31、不大，选择合适的胶带在网版下面将漏浆的位置粘住，试做一片，查看是否仍然漏浆，如果仍然漏浆，重新修补，如果不漏，可以继续使用。如果漏洞太大，无法用胶带修补的话，更换网版。第三道网版漏浆解决的方法：查看漏浆是否在删线上，如果不在可用封网浆修补，如果在删线上，直接把网版更换。（4）粗点，粗线一般由刮刀不平整和网版损伤引起，更换网版和刮条。（5）压板印刷台面或网版上有异物或碎渣，用酒精擦拭台面和网版。（6）印刷图形偏移调整印刷参数和网版方向或直接校准网版。4.2.4 烧结（1）铝苞a、引起铝苞可能原因有绒面较大，印刷太薄，网版有孔洞或折痕。如果是 印刷太轻可以将重量调大；如果是由于网版而造成的铝苞，请将网版立 即更换。b、还有就是烧结温度过高，可以降低烧铝区间的温度和减小底部较热功率。（2）弯曲：硅片太薄，印刷重量太大，通过减小印刷间隙和加大印刷压力来减小印刷重量。（3）电流电压略低，串阻大，并联小，烧结没有形成良好的欧姆接触，温度不够，加大烧银温度。新网版新刮条印刷参数调节原则：数量的慢慢增小压力小间隙，随着印刷多 应适当的增加压力和间隙，增加幅度切忌很大。网版间距调整原则：在保证印刷质量的前提下，网版间距越小越好。一般为1.2mm±0.3mm，太小易粘版或模糊不清，过大易印刷不良和损坏网版。 印第二道时可适当加大间距。刮条深度和压力调整原则：在保证印刷质量的前提下，刮条下