陸小春，張從飛

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226004）

1 太陽能電池片的基本結(jié)構(gòu)和制作工藝

1.1 太陽能電池片的基本結(jié)構(gòu)

單晶硅太陽能電池通常是表面呈現(xiàn)絨面結(jié)構(gòu)并帶有“柵線”型金屬電極，背面用特殊漿料制備成金屬電極。 在實(shí)際生產(chǎn)中，為了捕捉更多的入射光和延長光在電池片內(nèi)部傳播的路徑長度，電池片的表面會(huì)被制成凹凸不平的四棱錐，形成“絨面”[1]。 為了防止電池片內(nèi)部電子和空穴結(jié)合時(shí)產(chǎn)生巨大的能量損失，在硅片表面通過印刷燒結(jié)將含有化學(xué)元素的漿料制備成電柵與硅片形成歐姆連接。 為防止電流外泄，電池片背面通常采用含銀漿料印刷并燒結(jié)成銀電極，如果想要得到電流可以通過連接兩邊電極來獲得。

1.2 太陽能電池片的制作工藝

為了詳細(xì)分析太陽能電池的缺陷，必須了解太陽能電池的制造流程。 制造單晶硅太陽能電池的設(shè)備工藝復(fù)雜、繁多，任何工藝都可能導(dǎo)致太陽能電池的缺陷[2]。 工藝流程如圖1 所示。

圖1 太陽能電池的工藝流程

圖2 各種缺陷圖像

本文主要針對電池片外觀質(zhì)量進(jìn)行抽檢，所以主要采取更為普遍且重要的外觀缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，由于在實(shí)際生產(chǎn)過程對電池片表面質(zhì)量的抽檢中發(fā)現(xiàn)虛印、漏漿和斷柵出現(xiàn)的次數(shù)過于頻繁。如圖2 所示，分別是斷柵、漏漿和虛印缺陷的外觀圖形，限于篇幅這里重點(diǎn)討論虛印及漏漿問題。

2 產(chǎn)線流程中設(shè)備及檢測原理

絲網(wǎng)印刷的原理是指漿料可以通過網(wǎng)版的圖形部分而不能通過非圖形部分。印刷時(shí)，在網(wǎng)版的一端注入漿料，然后通過移動(dòng)刮刀將漿料從網(wǎng)版的一端刮到另一端，在刮刀移動(dòng)過程中，漿料通過網(wǎng)版的圖形部分被擠壓到承印物上。 在印刷過程中刮刀始終與網(wǎng)版和承印物相互接觸，接觸線隨刮刀移動(dòng)而移動(dòng)，但是承印物還是脫離于絲網(wǎng)中的其它部分，這樣可以使印刷尺寸的精確度得到保證并且可以避免蹭臟承印物。 當(dāng)刮刀刮過整塊網(wǎng)版后慢慢抬起，網(wǎng)版與承印物互相分開。 漿料和工作臺(tái)回到初始位置，這一系列過程被稱為印刷過程[3]。

太陽能電池絲網(wǎng)印刷流程后的設(shè)備主要有燒結(jié)爐、自動(dòng)光學(xué)檢測儀（Automatic Optical Inspector，AOI）。

2.1 燒結(jié)爐

在經(jīng)過烘干排焦過程后，印刷在電池片表面漿料中的大多數(shù)有機(jī)化學(xué)元素被蒸發(fā)，從而使?jié){料中的金屬電極材料變成電柵與硅片緊密相結(jié)合。 所謂的燒結(jié)過程，就是為了在電極和硅片本身之間建立歐姆關(guān)系。 燒結(jié)爐中的內(nèi)部過程主要有三個(gè)，分別為烘干排焦、燒結(jié)和冷卻。

烘干排焦是指將硅片表面的漿料烘干，并且排除其中的有害物質(zhì)（焦油）；燒結(jié)是指絲網(wǎng)印刷結(jié)束后的硅片通過1 000℃區(qū)域后，將其表面的漿料形成電柵并與電池片燒結(jié)在一起形成歐姆連接； 冷卻的目的是將電池片通過冷卻區(qū)使其表面的溫度降低，確保電池片在下一階段的測試分類可以正常進(jìn)行。

2.2 AOI 的工作原理

AOI 檢測一般分為光學(xué)部分和圖像處理部分。光學(xué)部分采用的方法是電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）檢測法，在電致發(fā)光成像系統(tǒng)中，太陽能電池中的光子受到正電壓的激發(fā)，使其躍遷到低能級(jí)并釋放出光能。 然后使用冷卻的CCD 相機(jī)來捕捉被激發(fā)的太陽能電池形成的紅外線。 在所拍攝的圖像中，轉(zhuǎn)換效率高的硅片區(qū)域明亮發(fā)光，而缺陷區(qū)域（如漏印、虛印、斷柵等）在識(shí)別圖像中呈現(xiàn)暗區(qū)。 該種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不與電池片接觸的情況下檢測人眼所觀測不到的缺陷，提高檢測效率的同時(shí)避免了直接與產(chǎn)品接觸造成的二次損傷。 圖像處理部分是對光學(xué)部分采集的圖像進(jìn)行接收、分析、處理和評價(jià)[4]，圖像處理部分需要強(qiáng)大的軟件支持，因?yàn)楦鞣N缺陷均需要計(jì)算機(jī)計(jì)算和判斷。

3 產(chǎn)線優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比分析

3.1 單晶太陽能電池?cái)鄸湃毕?/h3>

3.1.1 實(shí)驗(yàn)信息

實(shí)驗(yàn)期間采用的樣本是來自14 個(gè)班次產(chǎn)線生產(chǎn)的單晶PERC 125*125 太陽能電池片，這些電池片都經(jīng)過1BPERC 測試機(jī)中的自動(dòng)光學(xué)檢測儀，從而產(chǎn)生電性能、拉力可靠性和斷柵缺陷數(shù)據(jù)，儀器檢測標(biāo)準(zhǔn)為允許斷線距離≤0.5mm，數(shù)量不計(jì)，斷柵距離 0.5mm～1.0mm，數(shù)量≤7 個(gè)，不在同一條細(xì)柵上，且相鄰柵線不同時(shí)出現(xiàn)（A 級(jí)），允許存在斷線，其斷開距離≤2mm，斷開數(shù)量≤20 處（B 級(jí)）。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

兩組對比實(shí)驗(yàn)一共14d 的電性能趨勢圖如圖3 所示。

圖3 電性能趨勢圖

PERC 太陽能電池在進(jìn)過AOI 時(shí)效率基本持平，在兩組實(shí)驗(yàn)中，效率符合生產(chǎn)需求。

兩組實(shí)驗(yàn)所測得的拉力可靠性數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

表1 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化前

表2 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化后

14 個(gè)班次隨機(jī)抽取1B 測試機(jī)上生產(chǎn)的太陽能電池片50 片～100 片，質(zhì)量監(jiān)控拉力正常，符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)期間PERC 測試機(jī)14d 的外觀斷柵缺陷趨勢圖如圖4 所示。

圖4 外觀斷柵缺陷趨勢圖

兩組實(shí)驗(yàn)對比可看出，在優(yōu)化產(chǎn)線過后，電池片外觀斷柵缺陷有明顯的降低。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1） 通過上述實(shí)驗(yàn)對太陽能電池片電性能與拉力可靠性測試中可以發(fā)現(xiàn)實(shí)習(xí)單位生產(chǎn)的電池片符合市場標(biāo)準(zhǔn)，對電池片表面質(zhì)量無任何影響。

2） 在經(jīng)過 AOI 的時(shí)候分別產(chǎn)生 53、32、12、72、33、43、17、16、45、14、54、62、55、62、54 片碎片。

3） 從圖4 發(fā)現(xiàn)每天斷柵的比列在0.235%左右，雖然不高，但是還需分析產(chǎn)生原因，以減少殘次品的比例。

4） 在實(shí)驗(yàn)過程中對產(chǎn)線檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了幾處對電池片表面質(zhì)量存在影響的地方。 ①缺陷原因： 參數(shù)不合理，在生產(chǎn)電池片的時(shí)候印刷參數(shù)不是一成不變的，機(jī)器會(huì)根據(jù)產(chǎn)線上反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，有時(shí)參數(shù)的改變符合生產(chǎn)需求，有時(shí)不符合要求，所以會(huì)產(chǎn)生印刷出來的電池片存在斷柵現(xiàn)象。 優(yōu)化方法： 第一時(shí)間對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，增加刀片對網(wǎng)版的壓力，減少版間距，從而避免斷柵。 ②缺陷原因：網(wǎng)孔堵塞，漿料堵住了網(wǎng)版中的孔洞，導(dǎo)致漿料無法透過網(wǎng)孔印刷在電池片上。 優(yōu)化方法：在發(fā)現(xiàn)的第一時(shí)間對網(wǎng)版進(jìn)行擦拭，以防止斷柵的電池片過多，導(dǎo)致當(dāng)班次生產(chǎn)的電池片全部返工。 ③缺陷原因：印刷頭在運(yùn)行過程中晃動(dòng)。 通過對絲網(wǎng)設(shè)備的檢查中發(fā)現(xiàn)印刷頭明顯可以看出晃動(dòng)，具有事故隱患，并且對電池片表面的質(zhì)量具有嚴(yán)重的影響，需要隔離本班次的電池片進(jìn)行處理。 優(yōu)化方法：首先停止印刷機(jī)的運(yùn)行，減少帶有斷柵電池片的產(chǎn)生，降低虧損，然后上報(bào)當(dāng)班工程師和設(shè)備工作人員，讓他們進(jìn)行協(xié)商，找出最快的解決辦法。

通過兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，在發(fā)現(xiàn)問題并對產(chǎn)線優(yōu)化后斷柵不良率最低下降了0.287%。

3.2 單晶太陽能電池漏漿缺陷

3.2.1 實(shí)驗(yàn)信息

實(shí)驗(yàn)期間采用的樣本是來自14 個(gè)班次產(chǎn)線生產(chǎn)的單晶PERC 125*125 太陽能電池片，這些電池片都經(jīng)過1BPERC 測試機(jī)中的自動(dòng)光學(xué)檢測儀，從而產(chǎn)生電性能、拉力可靠性和漏漿缺陷數(shù)據(jù)，儀器檢測標(biāo)準(zhǔn)為正面漏漿面積≤0.25mm2每片電池≤3 個(gè)，側(cè)面漏漿不允許 （A 級(jí)）；0.25mm2≤單個(gè)面積≤2.0mm2，個(gè)數(shù)≤5 個(gè)（B 級(jí)）。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

圖5 表達(dá)的是在對產(chǎn)線一些問題優(yōu)化前后電性能的趨勢圖。

圖5 電性能趨勢圖

在兩組實(shí)驗(yàn)期間，電性能效率符合生產(chǎn)需求。

實(shí)驗(yàn)期間對每天電池片拉力可靠性進(jìn)行測試，表3、表4 分別表示的是對產(chǎn)線優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)。

表3 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化前

表4 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化后

實(shí)驗(yàn)期間，每天對電池片的拉力可靠性測試都符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

在實(shí)驗(yàn)期間PERC 測試機(jī)14d 外觀漏漿缺陷趨勢圖如圖6 所示。

圖6 外觀漏漿缺陷趨勢圖

在14d 的數(shù)據(jù)記錄中，通過數(shù)據(jù)對比可看出，在優(yōu)化產(chǎn)線過后，電池片外觀漏漿缺陷有明顯的降低。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1） 通過上述實(shí)驗(yàn)對太陽能電池片電性能與拉力可靠性測試中可以發(fā)現(xiàn)實(shí)習(xí)單位生產(chǎn)的電池片符合市場標(biāo)準(zhǔn)。

2） 在經(jīng)過 AOI 的時(shí)候每天分別產(chǎn)生 27、51、71、10、34、27、67、83、28、16、26、67、38、68 片碎片。 其中 10.18 夜發(fā)現(xiàn)了大批邊緣漏漿。

3） 從圖6 發(fā)現(xiàn)在沒有對產(chǎn)線優(yōu)化前每天漏漿的比列在0.298%左右，雖然不高，但是在對產(chǎn)線優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)每天漏漿的比例是0.149%，殘次品的比例降低了很多，并且因?yàn)椴辉试S存在邊緣漏漿，所以在檢測漏漿時(shí)要求都是特別嚴(yán)格。

4） 通過AOI 數(shù)據(jù)在對產(chǎn)線進(jìn)行巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備中存在的幾處問題。①缺陷原因：網(wǎng)版使用壽命已到，因?yàn)榫W(wǎng)版長時(shí)間處于工作狀態(tài)導(dǎo)致網(wǎng)版的張力變小，從而網(wǎng)孔變大導(dǎo)致印刷時(shí)漿料過量漏出。優(yōu)化方法：通知生產(chǎn)更換網(wǎng)版，如果漏漿電池片數(shù)量過多，在這種情況下當(dāng)班次生產(chǎn)的太陽能電池片全部隔離，等待返工。②缺陷原因：如果在印刷時(shí)漿料中混有顆粒（碎片），刮刀在將漿料擠壓到網(wǎng)孔過程中的同時(shí)也會(huì)將顆粒(碎片)向網(wǎng)版上擠壓，在一系列復(fù)雜的作用力下網(wǎng)版被刮破，導(dǎo)致漿料過量漏出。優(yōu)化方法：通知生產(chǎn)更換漿料，如果更換完漿料還存在漏漿缺陷，則需對印刷機(jī)中的皮帶進(jìn)行檢查。 ③缺陷原因：印刷時(shí)壓力過大。 在壓力模式下，印刷過程中刮刀對網(wǎng)版有向下的壓力以及與印刷方向同向的摩擦力，向下壓力越大，摩擦力越大。 當(dāng)摩擦力大過網(wǎng)版彈性形變產(chǎn)生的回復(fù)力時(shí)，網(wǎng)版很有可能出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致漏漿。 優(yōu)化方法：降低機(jī)器壓力參數(shù)。 降低刮刀與網(wǎng)版間的壓力、摩擦力，避免網(wǎng)版破裂。

通過兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知在發(fā)現(xiàn)問題并對產(chǎn)線優(yōu)化后漏漿的不良率明顯降低，最多降低了0.378%。

4 結(jié)束語

近年來，由于國家對太陽能發(fā)展的優(yōu)惠政策，企業(yè)開始重視太陽能各個(gè)方面的發(fā)展。 作為太陽能發(fā)電的主要載體，太陽能電池片的表面質(zhì)量決定了其光電轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)成本，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中企業(yè)對電池片表面質(zhì)量把控非常嚴(yán)格[5]。 本文主要是針對在太陽能表面缺陷出現(xiàn)的問題，如：虛印和漏漿，通過查閱資料，對比實(shí)驗(yàn)中電性能、 拉力可靠性和AOI 數(shù)據(jù)，分析這幾種缺陷產(chǎn)生的原因，然后通過優(yōu)化生產(chǎn)流程中設(shè)備存在的問題，來減少不良片產(chǎn)生的比例。 經(jīng)過上述一系列對產(chǎn)線的優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對比可以了解到漏漿最多降低0.378%，斷柵最多降低0.287%。