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基于ICOSPVI—6系统的太阳能电池质量控制研究
摘要： 自动摄像系统ICOS PVI-6能跟踪太阳能电池在丝网印刷制作正面电极的过程，研究各种印刷质量问题造成的电性能变化趋势。本试验以156mm×156mm多晶P型硅片为例，启动PVI-6系统，进行识别太阳能电池正面银电极的断线条数，当监控到断线的印刷质量问题后在生产过程中及时擦拭网版、调整印刷参数，后使用Berger分类检测系统测试试验电池片的电性能，与未使用监控系统的情况进行比较，电池片的电性能得到了明显提高。 Abstract： The automatic camera system ICOS PVI-6 can track the screen printing positive electrode production process of solar cell and study the electrical changing trends caused by printing quality problems. Taking 156mm×156mm polycrystalline P-type silicon wafer as an example， this experiment uses PVI-6 system to identify the broken line number of the solar cell silver positive electrode. When disconnection of printing quality problems are found， the screen will be wiped in time and the printing parameters will be adjusted. Then， the electrical property of the testing cell will be tested with Berger classification detection system. Compared with the condition without monitoring system， the electrical property significantly improved. 关键词： 太阳能电池；丝网印刷；质量控制；转换效率 Key words： solar cell；screen printing；quality control；conversion efficiency 中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0256-02 0 引言 太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的半导体器件，利用太阳能电池产生电能被公认为是绿色清洁能源。由于得到欧洲多数政府政策支持，对太阳能发电项目加以财政补贴，近几年光伏产业得以爆发式增长。但是受08年全球金融危机影响，各国政府逐渐降低财政补贴水平，相比使用煤、水利发电成本，过高的制造成本也给整个行业带来不利因素。因此，如何降低太阳能电池制造成本，提高生产品质，提高良率、转换效率，将是各太阳能电池厂家需要深入研究的课题。 太阳能电池生产中最为关键的技术之一是正面银电极的制作。为提高转换效率，银电极制作所需的银浆中固体含量不断增加，副栅线宽度持续变窄。与此同时，由于浆料组成、网版栅线宽度设计的改变而使得印刷质量问题日益突出。断线（interruption）、粗点（knot）、虚印（weak print）等缺陷问题困扰着工程技术人员，也增加了太阳能电池的制造成本。如何及时发现缺陷产生情况，并采取相应措施处置这一问题，长期困扰太阳能电池制造企业，工程技术人员曾做过多种尝试，试图解决这一难题，一直未取得明显的进展。通过在生产线上引入ICOS PVI-6自动摄像系统进行试验，实验中，该系统借助软件自动监控银电极的外观情况，同时跟踪生产过程中电性能趋势，分析外观与电性能关系，进而采取相应措施，能更好地控制太阳能电池的生产品质。 1 试验 1.1 拟解决的技术问题描述 太阳能电池正面银电极的制作采用丝网印刷的方式进行。丝网印刷经过一段时间后，由于堵孔、固化等原因，制得的银电极会出现各种缺陷。常见缺陷有断线：银浆料不连续、断裂；粗点：网版漏浆导致某点银浆料过多；虚印：银浆料周边毛躁，不平直等。其中，出现最多的缺陷是断线。 由于缺陷出现的偶然性较大，没有稳定周期性，所以，目前在生产过程中，只是采取人工抽样检测的方法进行质量控制。这样做的缺点是：①耗费大量人力、物力。②一旦没有及时检测到问题，会造成大量太阳能电池片电性能下降，品质降低，造成无法挽回的损失。③无法得知缺陷情况与电池电性能的直接关系，难以确定何时、采取怎样措施，保证电池电性能最佳。 在本试验中，在丝网印刷生产线上引入ICOS PVI-6自动摄像系统，实时监测印刷质量状况，并将缺陷情况通过软件以图像形式呈现出来，从而使工程技术人员可以一目了然的观测到当前的品质情况，进而确定其电性能情况，及时进行印刷参数、设备的调整，避免过多的印刷不良造成外观降级而造成损失。 1.2 ICOS PVI-6自动摄像系统简介 ICOS PVI-6自动摄像系统为在线摄像检测系统，由摄像系统、软件分析系统组成。在太阳能电池丝网印刷正面银电极制作之后，使用该自动摄像系统。当电池片通过该自动摄像系统镜头下方传输机构时，通过摄像系统成像，软件计算识别，在计算机显示界面将各种印刷不良根据用户预设置的判别图框、颜色来进行区分，及时发现问题所在，采取相应措施处置。 1.3 试验内容 实际生产过程中，丝网印刷最容易出现和对电池性能影响最大的缺陷是断线。在丝网图形被干浆料、颗粒杂质等堵住网孔造成断线以后，操作员工会使用无尘布对网版进行擦拭，以去除堵住网孔的颗粒物质。但是会存在部分颗粒在网孔内堵的比较严实，造成即使进行擦拭也难以去除的现象，直接导致电极断线。随着网版使用寿命的延长，此类堵孔现象会越来越严重，从而导致越来越多断线无法去除，只能通过更换新网版的方式得以解决。在试验过程中，选取156mm×156mm多晶P型硅片，经过表面HF-HNO3系统腐蚀，去除损伤层、表面织构化，使用三氯氧磷液态源扩散制作PN结，湿法刻蚀去除边缘PN结，HF去除表面磷硅玻璃，等离子增强气相化学沉积（PECVD）法形成减反射层。Baccini丝网印刷机制作背电极、背电场、正电极。开启PVI-6系统后，根据PVI-6系统识别出的正面银电极的断线条数，再经过centrotherm快速烧结炉完成欧姆接触，使用Berger分类检测系统测试试验电池片电性能。 2 试验结果与讨论 2.1 不同断线数量与电性能关系 太阳能电池串联电阻组成包括电池基体材料电阻、PN结薄层电阻、金属与半导体接触电阻以及金属栅线电阻。正面银电极作为金属栅线的主要部分，电极的完整性在很大程度上会影响串联电阻的大小。如图1所示，横坐标为断线数量，纵坐标为串联电阻阻值。随着正面断线数量的增加，串联电阻逐渐呈上升趋势。正面副栅线还起到搜集电流的作用，然后再把搜集到的电流汇集到正面主栅线提供给负载。副栅线上如果产生断线，首先将影响电流的搜集，其次会造成没有回路将副栅线搜集到的所有电流汇集到主栅线，电池片的工作电流将大大降低。如图2所示，横坐标为断线数量，纵坐标为最佳工作点电流密度Jmpp。随着断线数量增加，最佳工作点电流密度Jmpp逐步下降。由于断线的出现，会使串联电阻、电流密度受到影响，最终将影响到整块电池片的光电转换效率。如图3所示，横坐标为断线数量，纵坐标为转换效率。随着断线数的增加，电池片的转换效率呈下降趋势。 2.2 网版使用寿命、网版擦拭与断线数量关系 图4为网版的使用寿命、网版擦拭情况与断线数量之间的关系。在图中的A时间点更换新网版，随着时间增加，网版网孔堵塞现象逐渐严重，断线数量不断增加，在B时间点断线数量增至8条。生产线员工在B时间点通过擦拭网版的方法，将断线数减少到6条。但本次擦拭后，断线数很快上升，在C时间点已经达到了13条。此后，在C-D时间段，提高擦拭频率，并且使用干无尘布及沾有松油醇无尘布交替使用的方法，使断线数可下降至3条。 2.3 使用PVI-6系统控制印刷质量试验 断线数量的多少将会严重影响到转换效率的高低，所以在线使用PVI-6系统进行试验时，当监控到断线的印刷质量问题后，及时擦拭网版、调整印刷参数。与未使用监控系统的情况进行比较，如图5所示，横坐标为断线数，纵坐标为断线数出现的概率。如图6所示，空心框表示的是未使用PVI-6系统时断线数出现的概率，实心框则是使用PVI-6系统后断线数出现的概率，其中我们把小于5mm的断线定义为小断线（Small interruption），大于5mm的定义为断线（interruption） （小断线和断线的界限可根据需要重新定义并在软件中进行设置）。可以发现，断线数（包括小断线和断线）出现的概率明显降低。因此，通过启用PVI-6系统，可以让生产线操作人员更好的按照提示来控制电池片的品质情况，做到及时发现问题并及时改善。 3 结论 通过本次试验，了解到印刷质量问题会直接影响到太阳能电池光电转换效率的高低。借助于PVI-6自动摄像检测系统，可以在生产过程中更好的、更及时的来进行印刷质量的检测，从而采取相应措施保持太阳能电池品质的稳定。在目前各电池厂家受到极大成本压力的环境下，如何更好的控制自身品质，增加外观良率、降低加工成本，进行精细化生产，是大家都在积极思考的问题。通过采用本试验得到的结果，可以有效解决这些问题。 参考文献： [1]赵荒.丝网印刷电极技术在硅太阳电池制造中的应用[J].丝网印刷，1996（2）. [2]吴红，董群伟.太阳能电池银浆中玻璃粉的性能研究[J].宁夏工程技术，2009（2）. [3]马丁·格林著.李秀文，谢鸿礼等译.太阳电池工作原理、工艺和系统的应用[M].1987.
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