电池片丝网印刷核心技术.docx

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电池片丝网印刷核心技术

电池片丝网印刷技术

1引言

    随着全球能源日趋紧张，太阳能以无污染、市场空间大等独有优势受到世界各国广泛注重，国际上众多大公司投入太阳能电池研发和生产行业。

从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现，硅太阳能电池是一种有效地吸取太阳能辐射并使之转化为电能半导体电子器件，广泛应用于各种照明及发电系统中。

    2硅太阳能电池生产工序

    太阳能电池原理重要是以半导体材料硅为基体，运用扩散工艺在硅晶体中掺入杂质：

当掺入硼、磷等杂质时，硅晶体中就会存在着一种空穴，形成n型半导体；同样，掺入磷原子后来，硅晶体中就会有一种电子，形成p型半导体，p型半导体与n型半导体结合在一起形成pn结，当太阳光照射硅晶体后，pn结中n型半导体空穴往p型区移动，而p型区中电子往n型区移动，从而形成从n型区到p型区电流，在pn结中形成电势差，这就形成了电源，见图1。

图1太阳能电池原理示意

图2太阳能电池生产重要工序

    图2为硅太阳能电池生产重要工序，从中可以看出丝网印刷是生产太阳能电池重要工序，其印刷质量（厚度，宽度，膜厚一致性）影响电池片技术指标。

    3工序对印刷电极规定

    3.1背面银电极印刷（背银）

    在电池片正极面（p区）用银铝浆料印刷两条电极导线（宽约3～4mm）作为电池片电极（图3）。

图3电池片背银及背铝印刷示意图

    3.2背面铝印刷（背铝）

    在电池片正极面采用铝浆料印刷整面（除背银电极外）。

3.3正面银印刷（正银）

    在电池片正面（喷涂减反射膜面）同步用银浆料印刷一排间隔均匀栅线和两条电极（图4），在工艺上规定栅线间距约3mm、宽度约O.10～0.12mm：

图4电池片正银印刷示意图

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    4印刷原理

    图5为丝网印刷原理示意图，丝网印刷由五大要素构成，即丝网、刮刀、浆料、工作台以及基片。

丝网印刷基本原理是：

运用丝网图形某些网孔透浆料，非图文某些网孔不透浆料基本原理进行印刷。

印刷时在丝网一端倒入浆料，用刮刀在丝网浆料部位施加一定压力，同步朝丝网另一端移动。

油墨在移动中被刮板从图形某些网孔中挤压到基片上。

由于浆料黏性作用而使印迹固着在一定范畴之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮刀移动而移动，由于丝网与承印物之间保持一定间隙，使得印刷时丝网通过自身张力而产生对刮板反作用力，这个反作用力称为回弹力。

由于回弹力作用，使丝网与基片只呈移动式线接触，而丝网其他某些与承印物为脱离状态，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。

当刮板刮过整个印刷区域后抬起，同步丝网也脱离基片，工作台返回到上料位置，至此为一种印刷行程。

图5印刷原理示意

    4.1刮刀

    从图5印刷原理示意中可以看出，刮刀作用是将浆料以一定速度和角度将浆料压入丝网漏孔中，刮刀在印刷时对丝网保持一定压力，刃口压强在10～15N／cm之间，刮板压力过大容易使丝网发生变形，印刷后图形与丝网图形不一致，也加剧刮刀和丝网磨损，刮板压力过小会在印刷后丝网上存在残留浆料。

    刮刀材料普通为聚胺脂橡胶或氟化橡胶，硬度范畴为邵氏A60°～A90°，刮板条硬度越低，印刷图形厚度越大，刮刀材料必要耐磨，刃口有较好直线性，保持与丝网全接触；刮刀普通选用菱形刮刀，它具备4个刃口，可逐个使用，运用率高，见图6。

图6刮刀刃口压力示意

刮刀速度：

刮刀速度是决定效率最大因素，以半自动印刷机为例，印刷所占时间普通为总循环2／3；印刷速度设定由印刷图形和印刷用浆料黏度决定，速度越高，刮刀带动浆料进入丝网漏孔时间越短，浆料填充性会差，浮现图7所示现象，如果印刷线条精细，速度应低某些，图4所示正银工序中栅线线宽在0.1～0.12nun，普通速度设定在200～250mm／s，图3所示背铝和背银工序因印刷线条宽速度设定在300mm／s；印刷用浆料因不同工序而不同，相应黏度不同，但总体黏度比较低，因此印刷速度较快；在实际印刷中速度恒定同样很重要，如果在印刷过程中速度浮现波动，会导致图形厚度不一致。

    刮刀角度：

刮刀角度设定与浆料关于；浆料黏度值越高，流动性越差，需要刮刀对浆料向下压力越大，刮刀角度小；刮刀角度调节范畴为45°～75°。

在印刷过程中起核心作用是刮刀刃口2～3mm区域，在印刷压力下刮刀与丝网摩擦，在开始印刷时近似直线，刮刀刃口对丝网局部压力很大，见图5所示，随着刮刀刃口磨损，刃口形状呈圆弧形，它对浆料朝丝网方向分力急剧增长，丝网作用于丝网单位面积压力明显减小，刮刀刃口处与丝网实际角度远不大于45°，印刷后丝网表面会有残存浆料，易发生渗漏，同步印刷线条边沿模糊。

见图7，这时需要更换刮刀。

图7刮刀磨损后

    4.2丝网

    惯用丝网材料有不锈钢和尼龙2种。

不锈钢丝网特点是丝径细、目数多，耐磨性好，强度高，尺寸稳定，拉伸性小，由于丝径精细，油墨通过性能好，尺寸精度稳定，适于太阳能电池片印刷。

尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成，具备很高强度，耐磨性、耐化学药物性、耐水性、弹性都比较好，由于丝径均匀，表面光滑，故油墨通过性也极好。

其局限性是尼龙丝网拉伸性较大。

这种丝网在绷网后一段时间内，张力有所减少，使丝网印版松驰，精度下降，在太阳能电池片印刷中采用不锈钢丝网。

图8为丝网外形。

图8丝网外形

    制作丝网：

制作丝网图形由专业厂商订做，要依照印刷图形精度选取丝网目数高低、丝径粗细、丝网开口面积大小、丝网伸缩率大小等，表1为日本特殊织物会社某些丝网技术规格。

表1某些丝网技术规格

丝网目数及丝径决定可印刷图形宽度；对于背银和背铝这2道工序印刷由于实际印刷图形不复杂，因此对丝网规定不高，重要考虑印刷厚度即可，普通选用250～280目即可满足规定；正银印刷是对印刷规定最高一道印刷工序，重要是保证栅线宽度规定及印刷膜厚均匀性，普通选用300～330目，印刷后栅线宽度值取决于丝网线径及网孔宽度，有如下计算公式：

    K=2s+R，

    式中：

K为线条宽度，S为丝网丝径宽度值，R表达网孔宽度，如选用330目丝网，查表1：

s=30μm，R=44μm则K=2×30+44=102μm，可满足栅线宽度规定。

    丝网张力设定：

丝网张力与丝网材料与目数关于，不同材料、不同丝径丝网承受张力不同，目数越低，丝径越粗，丝网承受张力越大；丝网生产厂商在技术指标中有一种丝网最大张力建议值，见表1。

如果丝网张力太低或印刷过程丝网张力不稳定，在刮板压力下会浮现网点扩大和网点丢失，影响印刷精度，对于背铝和背银工序普通选用30N／cm，正银工序则选用27N／cm（见图9）。

图9丝网受力变化示意图

    印刷厚度：

丝网和感光膜厚度决定印刷后图形厚度即线条厚度，如图10所示，在普通状况下，丝网目数越低，丝经越粗，印刷后浆料层就越高，所用丝网目数较高时，印刷后浆料层就低某些。

感光膜厚度与丝网目数和线条宽度关于：

目数越高，丝径越细，感光膜与丝网接触面积越小，两者附着力减小，

果印刷线条变窄，增长感光膜厚度易导致脱落，因此感光膜较薄，感光膜厚度约为丝网厚度15％～25％；对于背铝和背银工序，选用250目丝网，其厚度为58um，感光膜厚度为10～15um，则印后厚度为68～73μm，这里计算出来厚度时浆料湿厚度（wetthickness）．需通过烘干（dry）和烧结（fire）才是最后厚度（干厚度），干厚度是湿厚度30%～40%；对于正银工序，选用330目丝网，其厚度为44um，感光膜厚度为5～10μm，则印后湿厚度约为49～54μm。

图10丝网涂布感光胶后

    选取丝网丝径及目数时，规定网格孔长为浆料粉体粒径2.5～5倍；目数越低丝网越稀疏，网孔越大，油墨通过性就越好；网孔越小，油墨通过性越差，如图9所示。

    网框：

网框大多采用硬铝及铝合金以承受绷网所产生力，连接丝网底面需要较高平面度，约为0.04mm×150mm×150mm;网框规格普通为承印物2倍：

以150mm电池片为例，承印物面积为150mm×150mm，网框内口面积应为300mm×300mm，如图11。

图10丝网目数与浆料颗粒关系

4.3浆料

    浆料是由功能组份、粘结组份和有机载体构成一种流体，浆料有导体浆料、电阻浆料、介质浆料和包封浆料等。

在背银，背铝及正银工序中所用浆料为导体浆料。

在导体浆料中，功能组份普通为贵金属或贵金属混合物。

载体是聚合物在有机溶剂中溶液。

功能组份决定了成膜后电性能和机械性能。

载体决定了厚膜工艺特性，是印刷膜和干燥膜暂时粘结剂。

功能组份和粘结组份普通为粉末状，在载体中进行充分搅拌和分散后形成膏状厚膜浆料。

烧结后厚膜导体是由金属与粘结组份构成。

图11网框外形

    浆料技术性能指标是指浆料中功能成分（背银浆料中银铝成分、正银浆料中银成分，背浆料中铝成分）通过烘干和烧结后与电池片欧姆特性，其影响电池片电性能指标如开路电压，短路电流，并联电阻，串联电阻，转换率等技术指标；浆料工艺特性是达到上述指标保证，各浆料生产厂商针对3种印刷工序有推荐工艺参数如浆料粒度、黏度，固体物含量，丝网目数；前面提到网格孔长为浆料粉体粒径2.5～5倍；浆料粘度影响刮板条印刷速度；固体物含量决定印刷后湿厚度经烘干和烧结后最后厚度。

背铝及正银三工序浆料不同，由此决定她们在丝网和印刷参数各有不同，表2为美国FERRO公司均有有关工序印刷浆料特性。

表2

    5设备

    对设备规定有如下3点：

（1）工作台平面度。

印刷时电池片被吸附于工作台表面，如表面不平，在负压下电池片易破裂，以150mm电池片为例，工作台平面度不不不大于0.02mm；

（2）工作台重复定位精度。

依照太阳能电池片精度规定，工作台重复定位精度达到0.01mm即能满足工艺规定；

    （3）印刷时丝网与工作台平行度决定印刷膜厚度一致性，依照使用规定，以150mm电池片为例两者平行度为0.04mm。

    电池片平面度不不不大于0.02mm，表面粗糙度低于1.6。

    6结束语

    太阳能电池印刷是电池片生产线重要工序，对电池片质量起着重要作用，太阳能电池印刷技术是一种有机整体，是各种技术组合，需要工艺工程师和设备工程师协同工作：

既要理解各个参数特点，又要理解其互相制约关系；3种印刷工序既有相似之处又有区别，需要针对不同工序详细规定分别优化各工艺参数，制定出不同工艺实行方案，方可印刷出符合工艺产品。