太陽(yáng)電池的絲網(wǎng)印刷技術(shù)20151229

1、太陽(yáng)電池的絲網(wǎng)印刷技術(shù) 2015-11-29隨著全球能源的日趨緊張, 太陽(yáng)能以無(wú)污染、市場(chǎng)空間大等獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)受到世界各國(guó)的廣泛重視,國(guó)際上眾多大公司投入太陽(yáng)能電池研發(fā)和生產(chǎn)行業(yè)。從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，硅太陽(yáng)能電池是一種有效地吸收太陽(yáng)能輻射并使之轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體電子器件,廣泛應(yīng)用于各種照明及發(fā)電系統(tǒng)中。一、硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工序太陽(yáng)能電池原理主要是以半導(dǎo)體材料硅為基體，利用擴(kuò)散工藝在硅晶體中摻入雜質(zhì): 當(dāng)摻入硼、磷等雜質(zhì)時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，形成n 型半導(dǎo)體；同樣，摻入磷原子以后，硅晶體中就會(huì)有一個(gè)電子,形成p 型半導(dǎo)體, p 型半導(dǎo)體與n 型半導(dǎo)體結(jié)

2、合在一起形成pn 結(jié), 當(dāng)太陽(yáng)光照射硅晶體后，pn 結(jié)中n 型半導(dǎo)體的空穴往p 型區(qū)移動(dòng)，而p型區(qū)中的電子往n 型區(qū)移動(dòng)，從而形成從n 型區(qū)到p 型區(qū)的電流,在pn 結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源，見(jiàn)圖1。圖2 為硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的主要工序，從中可以看出絲網(wǎng)印刷是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的重要工序，其印刷質(zhì)量（厚度，寬度，膜厚一致性）影響電池片的技術(shù)指標(biāo)。二、工序?qū)τ∷㈦姌O的要求1、背面銀電極印刷( 背銀)在電池片的正極面(p 區(qū))用銀鋁漿料印刷兩條電極導(dǎo)線（寬約34 mm）作為電池片的電極（圖3）。2、背面鋁印刷( 背鋁)在電池片的正極面采用鋁漿料印刷整面(除背銀電極外)。3、正面銀印刷( 正銀)在電

3、池片的正面（噴涂減反射膜的面）同時(shí)用銀漿料印刷一排間隔均勻的柵線和兩條電極（圖4），在工藝上要求柵線間距約3 mm、寬度約0.100.12 mm；三、 印刷原理圖5 為絲網(wǎng)印刷原理示意圖，絲網(wǎng)印刷由五大要素構(gòu)成，即絲網(wǎng)、刮刀、漿料、工作臺(tái)以及基片。絲網(wǎng)印刷基本原理是：利用絲網(wǎng)圖形部分網(wǎng)孔透漿料，非圖文部分網(wǎng)孔不透漿料的基本原理進(jìn)行印刷。印刷時(shí)在絲網(wǎng)一端倒入漿料，用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加一定壓力，同時(shí)朝絲網(wǎng)另一端移動(dòng)。油墨在移動(dòng)中被刮板從圖形部分的網(wǎng)孔中擠壓到基片上。由于漿料的黏性作用而使印跡固著在一定范圍之內(nèi)，印刷過(guò)程中刮板始終與絲網(wǎng)印版和承印物呈線接觸，接觸線隨刮刀移動(dòng)而移動(dòng)，由于絲網(wǎng)與承

4、印物之間保持一定的間隙，使得印刷時(shí)的絲網(wǎng)通過(guò)自身的張力而產(chǎn)生對(duì)刮板的反作用力，這個(gè)反作用力稱(chēng)為回彈力。由于回彈力的作用，使絲網(wǎng)與基片只呈移動(dòng)式線接觸，而絲網(wǎng)其它部分與承印物為脫離狀態(tài)，保證了印刷尺寸精度和避免蹭臟承印物。當(dāng)刮板刮過(guò)整個(gè)印刷區(qū)域后抬起，同時(shí)絲網(wǎng)也脫離基片，工作臺(tái)返回到上料位置，至此為一個(gè)印刷行程。1、刮刀從圖5 的印刷原理示意中可以看出，刮刀的作用是將漿料以一定的速度和角度將漿料壓入絲網(wǎng)的漏孔中，刮刀在印刷時(shí)對(duì)絲網(wǎng)保持一定的壓力，刃口壓強(qiáng)在1015 N/cm 之間，刮板壓力過(guò)大容易使絲網(wǎng)發(fā)生變形，印刷后的圖形與絲網(wǎng)的圖形不一致,也加劇刮刀和絲網(wǎng)的磨損，刮板壓力過(guò)小會(huì)在印刷后的絲網(wǎng)

5、上存在殘留漿料。刮刀材料一般為聚胺脂橡膠或氟化橡膠，硬度范圍為邵氏A60A90，刮板條的硬度越低，印刷圖形的厚度越大，刮刀材料必須耐磨，刃口有很好的直線性，保持與絲網(wǎng)的全接觸；刮刀一般選用菱形刮刀，它具有4 個(gè)刃口，可逐個(gè)使用，利用率高,見(jiàn)圖6。刮刀速度：刮刀速度是決定效率的最大因素，以半自動(dòng)印刷機(jī)為例，印刷所占時(shí)間一般為總循環(huán)的2/3；印刷速度的設(shè)定由印刷圖形和印刷用漿料的黏度決定，速度越高，刮刀帶動(dòng)漿料進(jìn)入絲網(wǎng)漏孔的時(shí)間越短，漿料的填充性會(huì)差,出現(xiàn)圖7 所示現(xiàn)象，如果印刷線條精細(xì)，速度應(yīng)低一些，圖4 所示的正銀工序中柵線的線寬在0.10.12 mm，一般速度設(shè)定在200250 mm/s，圖

6、3 所示的背鋁和背銀工序因印刷線條寬速度設(shè)定在300 mm/s；印刷用漿料因不同工序而不同，相應(yīng)黏度不同，但總體黏度比較低，所以印刷速度較快；在實(shí)際的印刷中速度的恒定同樣很重要，如果在印刷過(guò)程中速度出現(xiàn)波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致圖形厚度的不一致。刮刀角度：刮刀角度的設(shè)定與漿料有關(guān)；漿料黏度值越高，流動(dòng)性越差，需要刮刀對(duì)漿料的向下的壓力越大，刮刀角度??；刮刀角度調(diào)節(jié)范圍為4575。在印刷過(guò)程中起關(guān)鍵作用的是刮刀刃口23 mm 的區(qū)域，在印刷壓力下刮刀與絲網(wǎng)摩擦，在開(kāi)始印刷時(shí)近似直線，刮刀刃口對(duì)絲網(wǎng)的局部壓力很大，見(jiàn)圖5 所示，隨著刮刀刃口的磨損，刃口形狀呈圓弧形，它對(duì)漿料朝絲網(wǎng)方向的分力急劇增加，絲網(wǎng)作用于絲

7、網(wǎng)單位面積的壓力明顯減小，刮刀刃口處與絲網(wǎng)的實(shí)際角度遠(yuǎn)小于45，印刷后絲網(wǎng)表面會(huì)有殘余漿料，易發(fā)生滲漏，同時(shí)印刷線條邊緣模糊。見(jiàn)圖7，這時(shí)需要更換刮刀。2、絲網(wǎng)常用的絲網(wǎng)材料有不銹鋼和尼龍2 種。不銹鋼絲網(wǎng)的特點(diǎn)是絲徑細(xì)、目數(shù)多，耐磨性好，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定，拉伸性小，由于絲徑精細(xì)，油墨的通過(guò)性能好，尺寸精度穩(wěn)定，適于太陽(yáng)能電池片的印刷。尼龍絲網(wǎng)是由化學(xué)合成纖維制作而成，具有很高的強(qiáng)度，耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐水性、彈性都比較好，由于絲徑均勻，表面光滑，故油墨的通過(guò)性也極好。其不足是尼龍絲網(wǎng)的拉伸性較大。這種絲網(wǎng)在繃網(wǎng)后的一段時(shí)間內(nèi)，張力有所降低，使絲網(wǎng)印版松馳，精度下降，在太陽(yáng)能電池片的印刷中

8、采用不銹鋼絲網(wǎng)。圖8 為絲網(wǎng)的外形。制作絲網(wǎng)：制作絲網(wǎng)圖形由專(zhuān)業(yè)廠商訂做，要根據(jù)印刷圖形的精度選擇絲網(wǎng)目數(shù)的高低、絲徑的粗細(xì)、絲網(wǎng)開(kāi)口面積的大小、絲網(wǎng)伸縮率的大小等，表1 為日本特殊織物會(huì)社的部分絲網(wǎng)技術(shù)規(guī)格。絲網(wǎng)的目數(shù)及絲徑?jīng)Q定可印刷圖形的寬度；對(duì)于背銀和背鋁這2 道工序印刷由于實(shí)際印刷圖形不復(fù)雜，所以對(duì)絲網(wǎng)要求不高，主要考慮印刷厚度即可，一般選用250280 目即可滿(mǎn)足要求；正銀印刷是對(duì)印刷要求最高的一道印刷工序，主要是保證柵線的寬度要求及印刷膜厚的均勻性，一般選用300330 目，印刷后柵線的寬度值取決于絲網(wǎng)的線徑及網(wǎng)孔的寬度，有如下計(jì)算公式：K = 2S + R，式中：K 為線條的寬度

9、，S 為絲網(wǎng)絲徑寬度值，R 表示網(wǎng)孔的寬度，如選用330 目絲網(wǎng), 查表1：S =30m, K = 44 m 則K = 230 + 44 = 102 m,可滿(mǎn)足柵線的寬度要求。絲網(wǎng)的張力設(shè)定：絲網(wǎng)的張力與絲網(wǎng)的材料與目數(shù)有關(guān)，不同材料、不同絲徑的絲網(wǎng)承受的張力不同, 目數(shù)越低，絲徑越粗，絲網(wǎng)承受的張力越大；絲網(wǎng)生產(chǎn)廠商在技術(shù)指標(biāo)中有一個(gè)絲網(wǎng)最大張力的建議值,見(jiàn)表1。如果絲網(wǎng)張力太低或印刷過(guò)程絲網(wǎng)張力不穩(wěn)定，在刮板壓力下會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大和網(wǎng)點(diǎn)丟失,影響印刷精度，對(duì)于背鋁和背銀工序一般選取30 N/cm,正銀工序則選取27 N/cm（見(jiàn)圖9）。印刷厚度:絲網(wǎng)和感光膜的厚度決定印刷后圖形的厚度即線條的

10、厚度，如圖10 所示，在一般情況下，絲網(wǎng)目數(shù)越低,絲經(jīng)越粗,印刷后的漿料層就越高，所用絲網(wǎng)目數(shù)較高時(shí)，印刷后漿料層就低一些。感光膜的厚度與絲網(wǎng)目數(shù)和線條的寬度有關(guān)：目數(shù)越高，絲徑越細(xì)，感光膜與絲網(wǎng)的接觸面積越小，二者的附著力減小，如果印刷線條變窄，增加感光膜的厚度易造成脫落，所以感光膜較薄，感光膜的厚度約為絲網(wǎng)厚度的15%25%；對(duì)于背鋁和背銀工序，選取250 目絲網(wǎng)，其厚度為58m，感光膜厚度為1015m，則印后厚度為6873m，這里計(jì)算出來(lái)的厚度時(shí)漿料的濕厚度（wet thickness）,需經(jīng)過(guò)烘干（dry）和燒結(jié)(fire)才是最終厚度（干厚度），干厚度是濕厚度的30%40%；對(duì)于正銀

11、工序，選取330 目絲網(wǎng)，其厚度為44m，感光膜厚度為510m，則印后濕厚度約為4954m。選擇絲網(wǎng)絲徑及目數(shù)時(shí)，要求網(wǎng)格的孔長(zhǎng)為漿料粉體粒徑的2.55 倍；目數(shù)越低絲網(wǎng)越稀疏，網(wǎng)孔越大，油墨通過(guò)性就越好；網(wǎng)孔越小，油墨通過(guò)性越差，如圖10所示。網(wǎng)框：網(wǎng)框大多采用硬鋁及鋁合金以承受繃網(wǎng)所產(chǎn)生的力，連接絲網(wǎng)的底面需要較高的平面度，約為0.04 mm150 mm150 mm;網(wǎng)框規(guī)格一般為承印物的2 倍：以150 mm電池片為例，承印物面積為150 mm150 mm，網(wǎng)框內(nèi)口的面積應(yīng)為300 mm300 mm,如圖11。3、漿料漿料是由功能組份、粘結(jié)組份和有機(jī)載體組成的一種流體，漿料有導(dǎo)體漿料、電

12、阻漿料、介質(zhì)漿料和包封漿料等。在背銀，背鋁及正銀工序中所用漿料為導(dǎo)體漿料。在導(dǎo)體漿料中，功能組份一般為貴金屬或貴金屬的混合物。載體是聚合物在有機(jī)溶劑中的溶液。功能組份決定了成膜后的電性能和機(jī)械性能。載體決定了厚膜的工藝特性，是印刷膜和干燥膜的臨時(shí)粘結(jié)劑。功能組份和粘結(jié)組份一般為粉末狀，在載體中進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬头稚⒑笮纬筛酄畹暮衲{料。燒結(jié)后的厚膜導(dǎo)體是由金屬與粘結(jié)組份組成。漿料的技術(shù)性能指標(biāo)是指漿料中功能成分（背銀漿料中的銀鋁成分、正銀漿料中的銀成分，背漿料中的鋁成分）經(jīng)過(guò)烘干和燒結(jié)后與電池片的歐姆特性，其影響電池片的電性能指標(biāo)如開(kāi)路電壓，短路電流，并聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻，轉(zhuǎn)換率等技術(shù)指標(biāo)；漿料的工

13、藝特性是達(dá)到上述指標(biāo)的保證，各漿料生產(chǎn)廠商針對(duì)3 種印刷工序有推薦的工藝參數(shù)如漿料的粒度、黏度，固體物含量，絲網(wǎng)的目數(shù)；前面提到網(wǎng)格的孔長(zhǎng)為漿料粉體粒徑的2.55 倍；漿料的粘度影響刮板條的印刷速度；固體物含量決定印刷后的濕厚度經(jīng)烘干和燒結(jié)后的最終厚度。背鋁及正銀三工序的漿料不同，由此決定他們?cè)诮z網(wǎng)和印刷參數(shù)各有不同，表2 為美國(guó)FERRO 公司的都有相關(guān)工序的印刷漿料的特性。四、設(shè)備對(duì)設(shè)備的要求有如下3 點(diǎn)：（1）工作臺(tái)的平面度。印刷時(shí)電池片被吸附于工作臺(tái)表面，如表面不平，在負(fù)壓下電池片易破裂，以150 mm電池片為例，工作臺(tái)的平面度不大于0.02 mm；（2）工作臺(tái)重復(fù)定位精度。根據(jù)太陽(yáng)能電池片的精度要求，工作臺(tái)重復(fù)定位精度達(dá)到0.01 mm 即能滿(mǎn)足工藝要求；（3）印刷時(shí)絲網(wǎng)與工作臺(tái)的平行度決定印刷膜厚度的一致性，根據(jù)使用要求，以150 mm 電池片為例二者平行度為0.04