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硅太陽能電池的絲網印刷技術 來源：本站時間：2012-09-18

摘要: 　　隨著全球能源的日趨緊張, 太陽能以無污染、市場空間大等獨有的優勢受到世界各國的廣泛重視,國際上眾多大公司投入太陽能電池研發和生產行業。從太陽能獲得電力，需通過太陽能電池進行光電變換來實現，硅太陽能電 ...

　　隨著全球能源的日趨緊張, 太陽能以無污染、市場空間大等獨有的優勢受到世界各國的廣泛重視,國際上眾多大公司投入太陽能電池研發和生產行業。從太陽能獲得電力，需通過太陽能電池進行光電變換來實現，硅太陽能電池是一種有效地吸收太陽能輻射并使之轉化為電能的半導體電子器件,廣泛應用于各種照明及發電系統中。

　　一、硅太陽能電池的生產工序
　　太陽能電池原理主要是以半導體材料硅為基體，利用擴散工藝在硅晶體中摻入雜質: 當摻入硼、磷等雜質時，硅晶體中就會存在著一個空穴，形成n 型半導體；同樣，摻入磷原子以后，硅晶體中就會有一個電子,形成p 型半導體, p 型半導體與n 型半導體結合在一起形成pn 結, 當太陽光照射硅晶體后，pn 結中n 型半導體的空穴往p 型區移動，而p型區中的電子往n 型區移動，從而形成從n 型區到p 型區的電流,在pn 結中形成電勢差，這就形成了電源，見圖1。

　　圖2 為硅太陽能電池生產的主要工序，從中可以看出絲網印刷是生產太陽能電池的重要工序，其印刷質量（厚度，寬度，膜厚一致性）影響電池片的技術指標。

　　二、工序對印刷電極的要求
　　1、背面銀電極印刷( 背銀)
　　在電池片的正極面(p 區)用銀鋁漿料印刷兩條電極導線（寬約3～4 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)在電池片的正面（噴涂減反射膜的面）同時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0.10～0.12 mm；

三、印刷原理

　　圖5 為絲網印刷原理示意圖，絲網印刷由五大要素構成，即絲網、刮刀、漿料、工作臺以及基片。絲網印刷基本原理是：利用絲網圖形部分網孔透漿料，非圖文部分網孔不透漿料的基本原理進行印刷。印刷時在絲網一端倒入漿料，用刮刀在絲網的漿料部位施加一定壓力，同時朝絲網另一端移動。油墨在移動中被刮板從圖形部分的網孔中擠壓到基片上。由于漿料的黏性作用而使印跡固著在一定范圍之內，印刷過程中刮板始終與絲網印版和承印物呈線接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，由于絲網與承印物之間保持一定的間隙，使得印刷時的絲網通過自身的張力而產生對刮板的反作用力，這個反作用力稱為回彈力。由于回彈力的作用，使絲網與基片只呈移動式線接觸，而絲網其它部分與承印物為脫離狀態，保證了印刷尺寸精度和避免蹭臟承印物。當刮板刮過整個印刷區域后抬起，同時絲網也脫離基片，工作臺返回到上料位置，至此為一個印刷行程。

　　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的漏孔中，刮刀在印刷時對絲網保持一定的壓力，刃口壓強在10～15 N/cm 之間，刮板壓力過大容易使絲網發生變形，印刷后的圖形與絲網的圖形不一致,也加劇刮刀和絲網的磨損，刮板壓力過小會在印刷后的絲網上存在殘留漿料。刮刀材料一般為聚胺脂橡膠或氟化橡膠，硬度范圍為邵氏A60°～A90°，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，保持與絲網的全接觸；刮刀一般選用菱形刮刀，它具有4 個刃口，可逐個使用，利用率高,見圖6。

　　刮刀速度：刮刀速度是決定效率的最大因素，以半自動印刷機為例，印刷所占時間一般為總循環的2/3；印刷速度的設定由印刷圖形和印刷用漿料的黏度決定，速度越高，刮刀帶動漿料進入絲網漏孔的時間越短，漿料的填充性會差,出現圖7 所示現象，如果印刷線條精細，速度應低一些，圖4 所示的正銀工序中柵線的線寬在0.1～0.12 mm，一般速度設定在200～250 mm/s，圖3 所示的背鋁和背銀工序因印刷線條寬速度設定在300 mm/s；印刷用漿料因不同工序而不同，相應黏度不同，但總體黏度比較低，所以印刷速度較快；在實際的印刷中速度的恒定同樣很重要，如果在印刷過程中速度出現波動，會導致圖形厚度的不一致。
　　刮刀角度：刮刀角度的設定與漿料有關；漿料黏度值越高，流動性越差，需要刮刀對漿料的向下的壓力越大，刮刀角度??；刮刀角度調節范圍為45°～75°。在印刷過程中起關鍵作用的是刮刀刃口2～3 mm 的區域，在印刷壓力下刮刀與絲網摩擦，在開始印刷時近似直線，刮刀刃口對絲網的局部壓力很大，見圖5 所示，隨著刮刀刃口的磨損，刃口形狀呈圓弧形，它對漿料朝絲網方向的分力急劇增加，絲網作用于絲網單位面積的壓力明顯減小，刮刀刃口處與絲網的實際角度遠小于45°，印刷后絲網表面會有殘余漿料，易發生滲漏，同時印刷線條邊緣模糊。見圖7，這時需要更換刮刀。

　2、絲網
　　常用的絲網材料有不銹鋼和尼龍2 種。不銹鋼絲網的特點是絲徑細、目數多，耐磨性好，強度高，尺寸穩定，拉伸性小，由于絲徑精細，油墨的通過性能好，尺寸精度穩定，適于太陽能電池片的印刷。尼龍絲網是由化學合成纖維制作而成，具有很高的強度，耐磨性、耐化學藥品性、耐水性、彈性都比較好，由于絲徑均勻，表面光滑，故油墨的通過性也極好。其不足是尼龍絲網的拉伸性較大。這種絲網在繃網后的一段時間內，張力有所降低，使絲網印版松馳，精度下降，在太陽能電池片的印刷中采用不銹鋼絲網。圖8 為絲網的外形。

　　制作絲網：制作絲網圖形由專業廠商訂做，要根據印刷圖形的精度選擇絲網目數的高低、絲徑的粗細、絲網開口面積的大小、絲網伸縮率的大小等，表1 為日本特殊織物會社的部分絲網技術規格。

　　絲網的目數及絲徑決定可印刷圖形的寬度；對于背銀和背鋁這2 道工序印刷由于實際印刷圖形不復雜，所以對絲網要求不高，主要考慮印刷厚度即可，一般選用250～280 目即可滿足要求；正銀印刷是對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300～330 目，印刷后柵線的寬度值取決于絲網的線徑及網孔的寬度，有如下計算公式：
　　K = 2S + R，
　　式中：K 為線條的寬度，S 為絲網絲徑寬度值，R 表示網孔的寬度，如選用330 目絲網, 查表1：S =30μm, K = 44 μm 則K = 2×30 + 44 = 102 μm,可滿足柵線的寬度要求。

　　絲網的張力設定：絲網的張力與絲網的材料與目數有關，不同材料、不同絲徑的絲網承受的張力不同, 目數越低，絲徑越粗，絲網承受的張力越大；絲網生產廠商在技術指標中有一個絲網最大張力的建議值,見表1。如果絲網張力太低或印刷過程絲網張力不穩定，在刮板壓力下會出現網點擴大和網點丟失,影響印刷精度，對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（見圖9）。

　印刷厚度:絲網和感光膜的厚度決定印刷后圖形的厚度即線條的厚度，如圖10 所示，在一般情況下，絲網目數越低,絲經越粗,印刷后的漿料層就越高，所用絲網目數較高時，印刷后漿料層就低一些。感光膜的厚度與絲網目數和線條的寬度有關：目數越高，絲徑越細，感光膜與絲網的接觸面積越小，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厚度的15%～25%；對于背鋁和背銀工序，選取250 目絲網，其厚度為58μm，感光膜厚度為10～15μm，則印后厚度為68～73μm，這里計算出來的厚度時漿料的濕厚度（wet thickness）,需經過烘干（dry）和燒結(fire)才是最終厚度（干厚度），干厚度是濕厚度的30%～40%；對于正銀工序，選取330 目絲網，其厚度為44μm，感光膜厚度為5～10μm，則印后濕厚度約為49～54μm。選擇絲網絲徑及目數時，要求網格的孔長為漿料粉體粒徑的2.5～5 倍；目數越低絲網越稀疏，網孔越大，油墨通過性就越好；網孔越小，油墨通過性越差，如圖10所示。

　　網框：網框大多采用硬鋁及鋁合金以承受繃網所產生的力，連接絲網的底面需要較高的平面度，約為0.04 mm×150 mm×150 mm;網框規格一般為承印物的2 倍：以150 mm電池片為例，承印物面積為150 mm×150 mm，網框內口的面積應為300 mm×300 mm,如圖11。

　　3、漿料
　　漿料是由功能組份、粘結組份和有機載體組成的一種流體，漿料有導體漿料、電阻漿料、介質漿料和包封漿料等。在背銀，背鋁及正銀工序中所用漿料為導體漿料。在導體漿料中，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溶劑中的溶液。功能組份決定了成膜后的電性能和機械性能。載體決定了厚膜的工藝特性，是印刷膜和干燥膜的臨時粘結劑。功能組份和粘結組份一般為粉末狀，在載體中進行充分攪拌和分散后形成膏狀的厚膜漿料。燒結后的厚膜導體是由金屬與粘結組份組成。漿料的技術性能指標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）經過烘干和燒結后與電池片的歐姆特性，其影響電池片的電性能指標如開路電壓，短路電流，并聯電阻，串聯電阻，轉換率等技術指標；漿料的工藝特性是達到上述指標的保證，各漿料生產廠商針對3 種印刷工序有推薦的工藝參數如漿料的粒度、黏度，固體物含量，絲網的目數；前面提到網格的孔長為漿料粉體粒徑的2.5～5 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烘干和燒結后的最終厚度。背鋁及正銀三工序的漿料不同，由此決定他們在絲網和印刷參數各有不同，表2 為美國FERRO 公司的都有相關工序的印刷漿料的特性。

　　四、設備

　　對設備的要求有如下3 點：
　?。?）工作臺的平面度。印刷時電池片被吸附于工作臺表面，如表面不平，在負壓下電池片易破裂，以150 mm電池片為例，工作臺的平面度不大于0.02 mm；
　?。?）工作臺重復定位精度。根據太陽能電池片的精度要求，工作臺重復定位精度達到0.01 mm 即能滿足工藝要求；
　?。?）印刷時絲網與工作臺的平行度決定印刷膜厚度的一致性，根據使用要求，以150 mm 電池片為例二者平行度為0.04 mm。電池片的平面度不大于0.02 mm，表面粗糙度低于1.6。

　　五、結束語
　　太陽能電池印刷是電池片生產線的重要工序，對電池片的質量起著重要作用，太陽能電池印刷技術是一個有機的整體，是各種技術的組合，需要工藝工程師和設備工程師的協同工作：既要了解各個參數的特點，又要了解其相互的制約關系；3 種印刷工序既有相同之處又有區別，需要針對不同工序的具體要求分別優化各工藝參數，制定出不同工藝實施方案，方可印刷出符合工藝的產品。

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