單晶光伏電池的組成部分與控制技術(shù)要求

太陽能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

利用太陽能電池（也稱光伏 （PV） 電池）發(fā)電的普及程度在過去十年間大幅提高，絲毫沒有衰減的跡象。在電網(wǎng)智能化、發(fā)電方式多元化以及能源消費個體參與程度最大化等方面，太陽能技術(shù)的應(yīng)用都將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。大規(guī)模太陽能發(fā)電將變得越來越普遍，如今每千瓦電價已經(jīng)與傳統(tǒng)能源（例如核能和天然氣）不相上下。

近年來，太陽能發(fā)電市場明顯回暖，2015年至2016年期間，裝機容量甚至增長了50%。中國擁有世界上最大的太陽能發(fā)電市場，其新增裝機容量占據(jù)全球總量的一半。而亞太地區(qū)更已成為全球太陽能發(fā)電量最大的地區(qū)，2016年的總裝機容量達到147.2 GW，超越了歐洲和美國。

隨著監(jiān)管框架、市場規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施投資方式的日益完善，全球太陽能發(fā)電市場的發(fā)展在未來幾年內(nèi)可能會有所放緩。但隨著太陽能發(fā)電成為最經(jīng)濟的大規(guī)模實用發(fā)電技術(shù)，到2020年前后，它可能會再次進入高速發(fā)展的快車道。從長遠來看，住宅和商業(yè)建筑物采用的分布式“屋頂”太陽能發(fā)電裝置將會贏得可觀的市場份額。

歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會 （SolarPower Europe） 認為全球太陽能裝機容量到2021年可達到約1 TW（萬億瓦）。此外，到2030年歐盟必須實現(xiàn)可再生能源 （RES） 比重至少達到35%的目標(biāo)，以履行其到2050年將成員國國內(nèi)溫室氣體排放量降低至1990年排放水平的20%的承諾。未來幾年，市場對光伏發(fā)電設(shè)備的需求可能會不斷增加，太陽能電池制造商和太陽能產(chǎn)業(yè)鏈中的其他公司將迎來重大發(fā)展機遇。

大規(guī)模太陽能發(fā)電裝置

光伏裝備制造

由于光伏制造行業(yè)具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，因此全自動化連續(xù)生產(chǎn)非常普遍。標(biāo)準(zhǔn)單晶光伏電池以摻磷硅 （Si） 為基體（吸收體），表面具有摻氮薄層和防反射涂層。n型和p型半導(dǎo)體之間的勢壘稱為p-n結(jié)，允許在對側(cè)聚積電子和正穴（正電荷），而不會重新復(fù)合。

當(dāng)光線照射到光伏電池上時，電荷因吸收光子能量而逃逸并流向電池電極，從而產(chǎn)生開路電壓。多塊電池集成在一個太陽能模塊中，隨后一個模塊又與其他模塊聯(lián)接，由此產(chǎn)生大量電能。

太陽能電池板基本制造流程概括如下：

● 硅片制備

● 表面織構(gòu)（降低反射率）

● p-n結(jié)形成（濕化學(xué)工藝）

● 氧化物蝕刻（去除不需要的表層）

● 防反射涂層

● 金屬接觸曬?。ńz網(wǎng)印刷）

● 金屬接觸熱處理（燒結(jié)）

● 邊緣隔離（激光燒蝕）

● 測試與分類

每一制造環(huán)節(jié)以及期間的所有處理步驟均需要用到運動控制技術(shù)，而其中最具挑戰(zhàn)性的工藝環(huán)節(jié)則是精確沉積金屬接觸層。銀和鋁漿利用絲網(wǎng)印刷工藝噴涂在每個硅晶片的正面和背面。光伏電池的向陽面印有一系列寬度約為100微米的精細接觸指，間距為2 mm，并覆蓋有兩或三條垂直母線。電池背陽面在金屬化區(qū)域具有一組對應(yīng)的母線。正反面母線的主要功能是收集電流，并與導(dǎo)電電極進行機械接觸。

太陽能電池模塊的組成部分

用于光伏電池制造的絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)可采用以下工藝步驟：

● 晶片光刻檢驗 — 系統(tǒng)將晶片傳送到檢測區(qū)域，并對晶片表面的至少兩個基準(zhǔn)點（對準(zhǔn)標(biāo)記）進行成像。

● 圖像處理 — 使用圖像處理軟件確定每個基準(zhǔn)點的精確位置數(shù)據(jù)，并在內(nèi)存中定期更新這些數(shù)據(jù)，以提高多個印刷層的印刷準(zhǔn)確度。

● 晶片對準(zhǔn) — 在X、Y和θ方向?qū)脚_進行精細調(diào)整（見圖3）以修正偏置，然后轉(zhuǎn)移到絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版（模板）的下方。這些調(diào)整可使晶片上的基準(zhǔn)點與存儲的參考基準(zhǔn)點重疊。直線光柵和圓光柵可提供必要的位置反饋，以驅(qū)動每個軸精確地將晶片與絲網(wǎng)對準(zhǔn)。

● 印刷 — 在對準(zhǔn)之后，將晶片夾持到位，然后使用傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷工藝直接噴涂銀和鋁漿。

晶片絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)

運動控制技術(shù)要求

當(dāng)前，單晶光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率接近20%，而硅單結(jié)電池的最大理論極限效率約為29%。轉(zhuǎn)換效率的提高可降低每千瓦時的發(fā)電成本，并減少太陽能發(fā)電裝置的物理尺寸，因此制造商一直不斷致力于改進制造工藝以提高效率。

典型的硅太陽能電池生產(chǎn)流程需要完成多次絲網(wǎng)印刷操作：電池的正反面至少有兩次單獨的印刷工序。為了提高轉(zhuǎn)換效率，必須在不降低導(dǎo)電性的前提下盡可能精細印刷電池正面的接觸線，這需要以極高精度和重復(fù)性完成多層疊加印刷。

通過使接觸線變得更細更厚，可使更多電池面積參與太陽能轉(zhuǎn)換（圖4）。例如，將接觸指的線寬從120 μm縮減至70 μm，同時將厚度提升一倍，則轉(zhuǎn)換效率可潛在增加0.5%。另一項提高電池性能的技術(shù)則是使用選擇性發(fā)射極 — 即對太陽能電池的硅晶片進行差異化摻雜處理。通過在金屬觸指正下方的區(qū)域進行重摻雜，而僅在其他區(qū)域進行輕摻雜，可提高光線的短波響應(yīng)，從而提高電池轉(zhuǎn)換效率（圖5）。

目前有多種技術(shù)可用于制造選擇性發(fā)射極，其中大部分都涉及各印刷層的高精度對準(zhǔn)和沉積。由于后續(xù)印刷層必須精確置于前一層之上，因此絲網(wǎng)對準(zhǔn)精度是確保多層印刷觸指質(zhì)量優(yōu)良最為重要的指標(biāo)。配有高分辨率攝像頭的先進對準(zhǔn)系統(tǒng)如今已能夠?qū)崿F(xiàn)達±10 μm的對準(zhǔn)精度。高精度位置編碼器，例如雷尼紹RESOLUTE絕對式光柵系統(tǒng)，是提高印刷絲網(wǎng)重疊精度和控制性能的關(guān)鍵。RESOLUTE光柵的工作速度高達100 m/s，分辨率可達1 nm，周期誤差低至±40 nm。

減少金屬接觸指線寬可提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率（1 - 金屬接觸指，2 - 摻雜邊緣，3 - 基體）

每個金屬接觸指下方較大的摻氮區(qū)域（1 - 選擇性發(fā)射極摻氮區(qū)域）

總結(jié)

太陽能在未來數(shù)十年內(nèi)很可能成為人類最主要的電力來源，其發(fā)電方式可分為集中式和分布式，后者如屋頂安裝的太陽能電池板（圖6）。在蓬勃發(fā)展的背景下，光伏產(chǎn)業(yè)鏈的參與者擁有著諸多商機。運動控制技術(shù)可應(yīng)用到光伏電池制造流程的所有階段，對于高精度絲網(wǎng)印刷工藝而言尤為重要。雷尼紹在運動控制領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)以及種類豐富的光柵產(chǎn)品系列可為OEM廠商與最終用戶提供最前沿的測量解決方案，滿足他們的運動控制需求。
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