段湘寧，周 兵，沈 欣，于國(guó)豐

（1.遼寧省葫蘆島市信息中心，125000 遼寧葫蘆島；2.浙江省鴻禧光伏科技股份有限公司，314206 浙江平湖；3.德國(guó)JRT光伏技術(shù)有限公司，D-79364 德國(guó)Malterdingen）

選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池通過(guò)提高柵線(xiàn)印刷區(qū)載流子擴(kuò)散濃度來(lái)降低金屬柵線(xiàn)與電池片的接觸電阻，從而提高電池片光電轉(zhuǎn)換效率，其工藝關(guān)鍵點(diǎn)在于金屬柵線(xiàn)印刷位置與重?cái)U(kuò)區(qū)的重合精度。目前量產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)可以識(shí)別并參照重?cái)U(kuò)區(qū)位置進(jìn)行柵線(xiàn)印刷，而后，由于無(wú)法在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量柵線(xiàn)相對(duì)于重?cái)U(kuò)區(qū)的實(shí)際印刷位置，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷設(shè)備圖形定位的閉環(huán)控制。

1 選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池以及目前量產(chǎn)中的困境

晶硅太陽(yáng)能電池中的電子空穴對(duì)在光子作用下由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入激發(fā)態(tài)，部分激發(fā)狀態(tài)下的電子空穴對(duì)分離為電子和空穴，在外部電路導(dǎo)通的情況下形成電流回路，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池受光面30的高方阻特性可以提高光電轉(zhuǎn)換率，而柵線(xiàn)印刷區(qū)域的低方阻重?cái)U(kuò)區(qū)31具有更好的導(dǎo)電性能，因此選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池具有更好的綜合光電轉(zhuǎn)換效率。

目前產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)中采用的選擇性電極制備工藝主要有如下幾種：

1.1 在擴(kuò)散工藝前采用噴蠟技術(shù)對(duì)預(yù)定的柵線(xiàn)印刷區(qū)進(jìn)行選擇性噴涂，對(duì)于P型太陽(yáng)能電池而言，蠟液中攜帶有高濃度n型施主雜質(zhì)，并將在擴(kuò)散工藝中向柵線(xiàn)印刷區(qū)摻雜高濃度載流子，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵線(xiàn)印刷區(qū)的選擇性重?cái)U(kuò)散。

1.2 對(duì)電池片整個(gè)正表面進(jìn)行低方阻重?cái)U(kuò)散后，采用絲網(wǎng)印刷工藝對(duì)受光面區(qū)域印刷刻蝕漿料。在刻蝕漿料對(duì)受光面表層的刻蝕作用下，新的受光面將具有隨著刻蝕深度而降低的擴(kuò)散濃度。借助網(wǎng)板圖形的保護(hù)，柵線(xiàn)印刷區(qū)沒(méi)有印刷刻蝕漿料，因此將保留擴(kuò)散工藝形成的重?cái)U(kuò)散濃度。

1.3 對(duì)電池片整個(gè)正表面進(jìn)行高方阻低擴(kuò)散后，采用激光刻蝕的方法將外部高濃度載流子擴(kuò)散到柵線(xiàn)印刷區(qū)域，而受光面高方阻特性維持不變。

無(wú)論采用何種方法實(shí)現(xiàn)柵線(xiàn)印刷區(qū)31的低方阻重?cái)U(kuò)散，后道工藝中形成的減反射膜20都會(huì)在光學(xué)角度降低重?cái)U(kuò)區(qū)31與低擴(kuò)散區(qū)30的可識(shí)別性，因而目前普遍使用中的絲網(wǎng)印刷設(shè)備不能有效識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)31的實(shí)際位置，金屬柵線(xiàn)絲網(wǎng)印刷工藝只能以工藝邊或中心點(diǎn)為參照基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)位印刷，并且不得不繼續(xù)沿用前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中采用的硅片定位方法，同時(shí)在金屬柵線(xiàn)印刷定位過(guò)程中假定重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)預(yù)定位置。為提高重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)的位置精確性，前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝設(shè)備必須增加成本投入提升定位精度等級(jí)。

實(shí)際量產(chǎn)中，從前道重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)的形成、去磷硅玻璃、減反射膜制備到后道金屬柵線(xiàn)的絲網(wǎng)印刷，各個(gè)工藝之間以流水線(xiàn)工作模式相互銜接卻又彼此獨(dú)立，因此一旦前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中的參考工藝邊在某個(gè)中間工藝中發(fā)生混亂，后道絲網(wǎng)印刷工藝將以“錯(cuò)誤”的參考邊為基準(zhǔn)進(jìn)行柵線(xiàn)印刷，其結(jié)果是金屬柵線(xiàn)的“盲印”。準(zhǔn)方片或菱形片以及電池片的尺寸公差也將使絲網(wǎng)印刷定位更加復(fù)雜。因此，以工藝邊或中心點(diǎn)為基準(zhǔn)的定位方式中，前后道工藝具有高度的依賴(lài)性，前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中的定位誤差也會(huì)與后道金屬柵線(xiàn)絲網(wǎng)印刷工藝中的定位誤差一起累計(jì)成為柵線(xiàn)與重?cái)U(kuò)區(qū)之間的重合性偏差。

隨著金屬柵線(xiàn)10寬度的不斷降低，重?cái)U(kuò)區(qū)31寬度的降低不僅可以進(jìn)一步提高選擇性電極型電池片的轉(zhuǎn)換效率，也可以降低生產(chǎn)成本，尤其針對(duì)采用噴蠟技術(shù)實(shí)現(xiàn)選擇性重?cái)U(kuò)區(qū)的工藝更是如此。然而重?cái)U(kuò)區(qū)寬度的降低進(jìn)一步提高了絲網(wǎng)印刷工藝中的對(duì)位精度要求。在對(duì)邊或?qū)χ行狞c(diǎn)的對(duì)位方式中，前后工藝的依賴(lài)性和誤差累積特性已成為限制選擇性電極型電池片發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)的瓶頸。

以重?cái)U(kuò)區(qū)圖形識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的圖形定位方法，通過(guò)識(shí)別電池片上選擇性重?cái)U(kuò)區(qū)的實(shí)際位置調(diào)整網(wǎng)板或電池片的位置進(jìn)行柵線(xiàn)印刷對(duì)位。這種以實(shí)際測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)的圖形定位方法，不再采用假定的重?cái)U(kuò)區(qū)位置為基準(zhǔn)，不僅可以有效隔離前道重?cái)U(kuò)區(qū)形成工藝中的定位偏差，同時(shí)也可以規(guī)避工藝鏈中由于電池片翻轉(zhuǎn)而丟失參考基準(zhǔn)的問(wèn)題。對(duì)于準(zhǔn)方片、菱形片和大尺寸公差的電池片，金屬柵線(xiàn)的對(duì)位印刷也將以重?cái)U(kuò)區(qū)圖形位置為基礎(chǔ)而不取決于電池片形狀，因此也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。圖形定位的精確性也為進(jìn)一步降低重?cái)U(kuò)區(qū)寬度提供了可行性。

圖1-1 金屬柵線(xiàn)的反光造成無(wú)法視覺(jué)識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)位置

然而，采用圖形定位技術(shù)進(jìn)行柵線(xiàn)印刷后，常規(guī)光學(xué)檢測(cè)方法無(wú)法檢測(cè)金屬柵線(xiàn)10的實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31的重合精度。如圖1所示，減反射膜20降低了重?cái)U(kuò)區(qū)31和低擴(kuò)區(qū)30之間的可識(shí)別性，更為重要是，金屬柵線(xiàn)10對(duì)檢測(cè)光源01的反射能力大大高于電池片表面對(duì)光線(xiàn)的反射能力，金屬柵線(xiàn)10的反射光02將給金屬柵線(xiàn)周邊區(qū)域帶來(lái)光污染，造成無(wú)法視覺(jué)識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)31的位置。

光致發(fā)光技術(shù)雖然在圖像采集過(guò)程中沒(méi)有入射光源，因此可以避免金屬柵線(xiàn)反射光造成光污染的問(wèn)題，但由于光致發(fā)光效率的局限、減反射膜以及晶格的干擾，重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)的識(shí)別并不可靠。同時(shí)由于光致發(fā)光檢測(cè)部件需要在超低溫環(huán)境下工作，成本高，環(huán)境要求苛刻，因此不適合作為量產(chǎn)生產(chǎn)線(xiàn)的解決方案。

電致發(fā)光技術(shù)雖然可以應(yīng)用于常規(guī)生產(chǎn)環(huán)境中，但剛剛經(jīng)過(guò)柵線(xiàn)印刷而未經(jīng)過(guò)烘干燒結(jié)的電池片不適合接觸式通電測(cè)量，只能用于檢測(cè)經(jīng)過(guò)燒結(jié)后的電池片，額外的探針系統(tǒng)增加了設(shè)備的復(fù)雜程度和維護(hù)需求，并增加造成電池片隱裂的幾率。最為重要的是，采用電致發(fā)光技術(shù)對(duì)成品電池片的檢測(cè)具有很大的工藝延遲，無(wú)法及時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)印刷位置偏差并實(shí)時(shí)為定位系統(tǒng)提供反饋信息，因此電致發(fā)光技術(shù)也不適用。

與此同時(shí)，由于無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)金屬柵線(xiàn)10實(shí)際印刷位置與選擇性重?cái)U(kuò)區(qū)31的重合精度，如果前道重?cái)U(kuò)區(qū)圖形相對(duì)于電池片位置參考基準(zhǔn)發(fā)生偏移或角度偏轉(zhuǎn)的情況下，盡管印刷設(shè)備能夠識(shí)別重?cái)U(kuò)區(qū)31實(shí)際位置，并以圖形定位為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)柵線(xiàn)10與重?cái)U(kuò)區(qū)31的完美重合，然而在金屬柵線(xiàn)10偏離電池片位置參考基準(zhǔn)的情況下，電池片制造商通常據(jù)此認(rèn)為柵線(xiàn)印刷位置偏移，設(shè)備制造商也無(wú)法有效證明圖形定位功能的有效性和可靠性。

2 金屬柵線(xiàn)印刷位置精度的檢測(cè)方法

采用重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)形成工藝，并在相同工藝步驟中，在電池片受光面30生成標(biāo)記圖形32，在金屬柵線(xiàn)10印刷后直接測(cè)量標(biāo)記圖形32位置與金屬柵線(xiàn)10之間的距離，結(jié)合前道工藝中標(biāo)記圖形32與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31中心線(xiàn)的相對(duì)距離，計(jì)算金屬柵線(xiàn)10實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31中心線(xiàn)的重合精度。該方法可以回避常規(guī)光學(xué)檢測(cè)方法中金屬柵線(xiàn)10反射光02對(duì)柵線(xiàn)周邊的光污染問(wèn)題，獲得金屬柵線(xiàn)10實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31的重合精度信息，向絲網(wǎng)印刷設(shè)備反饋實(shí)際印刷位置偏移量，實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷設(shè)備圖形定位系統(tǒng)的高精度閉環(huán)控制，并為采用圖形定位技術(shù)的絲網(wǎng)印刷設(shè)備提供有效的定位精度檢測(cè)方法。此外，通過(guò)該檢測(cè)方法也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)板壽命監(jiān)測(cè)等功能。

圖2-1 通過(guò)一維標(biāo)記檢測(cè)柵線(xiàn)印刷位置精度

在前述幾種選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31形成工藝中，可以采用同種工藝在柵線(xiàn)印刷區(qū)31之間的電池片受光面30上標(biāo)記圖形32。具體而言，即噴蠟工藝中采用噴蠟技術(shù)在兩個(gè)相鄰的金屬柵線(xiàn)印刷區(qū)之間噴制標(biāo)記圖形，并在后道擴(kuò)散工藝中同步形成重?cái)U(kuò)區(qū)以及標(biāo)記圖形；或在刻蝕漿料絲網(wǎng)印刷工藝中以網(wǎng)板乳膠膜保護(hù)的方式在兩個(gè)相鄰的柵線(xiàn)印刷區(qū)之間保留標(biāo)記圖形；或采用激光刻蝕工藝在兩個(gè)相鄰的柵線(xiàn)印刷區(qū)之間刻蝕標(biāo)記圖形。

類(lèi)單晶或多晶型選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池所具有的不規(guī)則晶格結(jié)構(gòu)可能干擾標(biāo)記圖形的識(shí)別。同時(shí)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)也具有取決于分辨率和視角范圍的測(cè)量誤差。為確保檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定義基準(zhǔn)參照點(diǎn)，可以設(shè)置多個(gè)標(biāo)記圖形，圖像采集后首先選擇最清晰的標(biāo)記圖形32作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)，并根據(jù)該參照點(diǎn)與其他標(biāo)記圖形的距離判斷該參照點(diǎn)的可靠性。

圖2-1舉例說(shuō)明了一種標(biāo)記圖形的組合方式，共計(jì)5個(gè)等距離分布的標(biāo)記線(xiàn)段32分布于6根金屬柵線(xiàn)10之間。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)一次性采集6根金屬柵線(xiàn)10和其中平均分布的5個(gè)標(biāo)記線(xiàn)段32，并從5個(gè)標(biāo)記線(xiàn)段中選擇最清晰可靠的標(biāo)記線(xiàn)段作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)，測(cè)量該標(biāo)記線(xiàn)段與其他至少1個(gè)可清晰識(shí)別的標(biāo)記線(xiàn)段之間的相互距離，并根據(jù)該距離值判斷該標(biāo)記線(xiàn)段作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)的可靠性。然后分別計(jì)算參照點(diǎn)32與左右相鄰兩根金屬柵線(xiàn)10之間的距離，結(jié)合重?cái)U(kuò)散工藝中設(shè)定的標(biāo)記線(xiàn)段與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)的中心距離，計(jì)算金屬柵線(xiàn)實(shí)際印刷位置與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)中心線(xiàn)之間的重合精度偏差。實(shí)際生產(chǎn)中，由于金屬柵線(xiàn)位置測(cè)量信息相對(duì)而言準(zhǔn)確可信，可以結(jié)合具體電池片工藝簡(jiǎn)化程序，僅計(jì)算一根金屬柵線(xiàn)10與參照點(diǎn)32之間的距離，并設(shè)置不同的容差標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

以上實(shí)例僅僅在一個(gè)自由度上對(duì)金屬柵線(xiàn)印刷位置精度進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)在電池片表面不同區(qū)域設(shè)置幾組標(biāo)記圖形，并結(jié)合單個(gè)標(biāo)記圖形組在單個(gè)位置自由度上的測(cè)量結(jié)果，綜合計(jì)算多自由度印刷位置精度。

如圖2-2所示，可以通過(guò)一組十字形標(biāo)記圖形32測(cè)量電池片柵線(xiàn)10和主柵線(xiàn)11兩個(gè)方向上的印刷位置精度。

圖2-2 通過(guò)二維標(biāo)記檢測(cè)柵線(xiàn)與主柵線(xiàn)兩個(gè)方向上的印刷位置精度

通過(guò)分別布置在電池片左上角和左下角的兩組標(biāo)記圖形組可以測(cè)量電池片柵線(xiàn)圖形在平面旋轉(zhuǎn)方向上的位置精度。如圖2-3所示，當(dāng)左上角相機(jī)CLO測(cè)量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線(xiàn)10中心線(xiàn)距離XOI不等于左下角相機(jī)CLU測(cè)量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線(xiàn)10中心線(xiàn)距離XUI，則可認(rèn)定金屬柵線(xiàn)相對(duì)于柵線(xiàn)印刷區(qū)發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。

通過(guò)在電池片左邊區(qū)和右邊區(qū)設(shè)置標(biāo)記圖形組并分別測(cè)量柵線(xiàn)印刷位置精度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)板壽命的監(jiān)控。如圖2-4所示，當(dāng)電池片左邊區(qū)域金屬柵線(xiàn)能夠準(zhǔn)確與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)重合，即左邊相機(jī)CLO測(cè)量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線(xiàn)10中心線(xiàn)距離XLI等于標(biāo)記圖形32與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31中心線(xiàn)距離XLS，而電池片右邊區(qū)域金屬柵線(xiàn)印刷位置發(fā)生向右偏移，即右邊相機(jī)CR測(cè)量的標(biāo)記圖形32與金屬柵線(xiàn)10中心線(xiàn)距離XRI大于標(biāo)記圖形32與重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31中心線(xiàn)距離XRS，則可認(rèn)定網(wǎng)板張力已經(jīng)變低。但如果此時(shí)金屬柵線(xiàn)10的實(shí)際印刷位置仍在重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)以?xún)?nèi)，仍可繼續(xù)使用網(wǎng)板，直至右邊區(qū)域金屬柵線(xiàn)10實(shí)際印刷位置已經(jīng)接近偏離重?cái)U(kuò)散柵線(xiàn)印刷區(qū)31，測(cè)量結(jié)果中位置偏差信息ΔX=XRI-XRS與通過(guò)工藝設(shè)定的容差參數(shù)對(duì)比后觸發(fā)程序發(fā)出警報(bào)，提示操作人員更換網(wǎng)板。

圖2-3 通過(guò)在電池片左上角和左下角兩組標(biāo)記檢測(cè)柵線(xiàn)在旋轉(zhuǎn)方向上的印刷位置精度

圖2-4 通過(guò)在電池片左邊和右邊至少兩組標(biāo)記檢測(cè)網(wǎng)板張力變化

這一功能對(duì)于保證電池片品質(zhì)、降低電池片生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。一方面可以最大發(fā)揮網(wǎng)板使用潛力，在網(wǎng)板張力臨近達(dá)到工藝最低要求的時(shí)候由系統(tǒng)自動(dòng)提示更換網(wǎng)板，從而降低網(wǎng)板使用數(shù)量并降低生產(chǎn)成本；另一方面，由于網(wǎng)板數(shù)量以及更換頻率的降低，更換網(wǎng)板造成的總停機(jī)時(shí)間將隨之下降，提高了絲網(wǎng)印刷設(shè)備的實(shí)際利用率；此外，每次更換網(wǎng)板都必然消耗一定量的貴金屬漿料，隨著網(wǎng)板更換次數(shù)的降低，貴金屬漿料無(wú)功消耗量也將隨之降低。網(wǎng)板工藝監(jiān)控功能將簡(jiǎn)化工藝控制工作，提高工藝穩(wěn)定性、產(chǎn)品品質(zhì)以及產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。

3 實(shí)施檢測(cè)方法的有益效果

該檢測(cè)方法規(guī)避了柵線(xiàn)印刷位置檢測(cè)中的光污染問(wèn)題，可在量產(chǎn)中實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)柵線(xiàn)印刷位置精度并反饋測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)金屬柵線(xiàn)圖形對(duì)位印刷的閉環(huán)控制。該檢測(cè)方法同時(shí)也為采用圖形識(shí)別技術(shù)和圖形對(duì)位技術(shù)的選擇性電極型晶硅太陽(yáng)能電池絲網(wǎng)印刷設(shè)備提供了可直觀衡量設(shè)備印刷精度的驗(yàn)證方法。此外，利用該檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)板使用壽命的監(jiān)測(cè)，提高網(wǎng)板和絲網(wǎng)印刷設(shè)備的使用率，降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化工藝控制。