详细剖析硅太阳能电池的丝网印刷

详细剖析硅太阳能电池的丝网印刷1 引言随着全球能源的日趋紧张，太阳能以无污染、市场空间大等独有的优势受到世界各国的广泛重视， 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收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件，广泛应用于各种照明及发电系统中。2 硅太阳能电池的生产工序太阳能电池原理主要是以半导体材料硅为基体，利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个空穴，形成 n 型半导体；同样，掺入磷原子以后，硅晶体中就会有一个电子，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 型半导体的空穴往 p 型区移动，而 p 型区中的电子往 n 型区移动，从而形成从 n 型区到 p 型区的电流，在 pn 结中形成电势差，这就形成了电源，见图 1。图 2 为硅太阳能电池生产的主要工序，从中可以看出丝网印刷是生产太阳能电池的重要工序，其印刷质量 (厚度，宽度，膜厚一致性 )影响电池片的技术指标。3 工序对印刷电极的要求3.1 背面银电极印刷 (背银 )在电池片的正极面 (p 区 )用银铝浆料印刷两条电极导线 (宽约 3～ 4 mm)作为电池片的电极(图 3)。3.2 背面铝印刷 (背铝 )在电池片的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 )在电池片的正面 (喷涂减反射膜的面 )同时用银浆料印刷一排间隔均匀的栅线和两条电极(图 4)，在工艺上要求栅线间距约 3mm、宽度约 O.10～ 0.12mm：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： 利用丝网图形部分网孔透浆料， 非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。 印刷时在丝网一端倒入浆料， 用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。 油墨在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上。 由于浆料的黏性作用而使印迹固着在一定范围之内， 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的间隙， 使得印刷时的丝网通过自身的张力而产生对刮板的反作用力，这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用，使丝网与基片只呈移动式线接触， 而丝网其它部分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， 同时丝网也脱离基片， 工作台返回到上料位置，至此为一个印刷行程。4.1 刮刀从图 5 的印刷原理示意中可以看出，刮刀的作用是将浆料以一定的速度和角度将浆料压入丝网的漏孔中，刮刀在印刷时对丝网保持一定的压力，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， 印刷后的图形与丝网的图形不一致， 也加剧刮刀和丝网的磨损，刮板压力过小会在印刷后的丝网上存在残留浆料。刮刀材料一般为聚胺脂橡胶或氟化橡胶，硬度范围为邵氏 A60° ～ A90° ，刮板条的硬度越低， 印刷图形的厚度越大， 刮刀材料必须耐磨， 刃口有很好的直线性， 保持与丝网的全接触；刮刀一般选用菱形刮刀，它具有 4 个刃口，可逐个使用，利用率高，见图 6。刮刀速度：刮刀速度是决定效率的最大因素，以半自动印刷机为例，印刷所占时间一般为总循环的 2／ 3；印刷速度的设定由印刷图形和印刷用浆料的黏度决定，速度越高，刮刀带动浆料进入丝网漏孔的时间越短， 浆料的填充性会差， 出现图 7 所示现象， 如果印刷线条精细， 速度应低一些， 图 4 所示的正银工序中栅线的线宽在 0.1～ 0.12 nun， 一般速度设定在200～ 250 mm／ s，图 3 所示的背铝和背银工序因印刷线条宽速度设定在 300 mm／ 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，所以印刷速度较快；在实际的印刷中速度的恒定同样很重要， 如果在印刷过程中速度出现波动， 会导致图形厚度的不一致。刮刀角度： 刮刀角度的设定与浆料有关； 浆料黏度值越高，流动性越差，需要刮刀对浆料的向下的压力越大， 刮刀角度小； 刮刀角度调节范围为 45° ～ 75° 。 在印刷过程中起关键作用的是刮刀刃口 2～ 3mm 的区域，在印刷压力下刮刀与丝网摩擦，在开始印刷时近似直线，刮刀刃口对丝网的局部压力很大， 见图 5 所示， 随着刮刀刃口的磨损，刃口形状呈圆弧形，它对浆料朝丝网方向的分力急剧增加， 丝网作用于丝网单位面积的压力明显减小， 刮刀刃口处与丝网的实际角度远小于 45° ，印刷后丝网表面会有残余浆料，易发生渗漏，同时印刷线条边缘模糊。见图 7，这时需要更换刮刀。4.2 丝网常用的丝网材料有不锈钢和尼龙 2 种。不锈钢丝网的特点是丝径细、目数多，耐磨性好，强度高，尺寸稳定，拉伸性小，由于丝径精细，油墨的通过性能好，尺寸精度稳定，适于太阳能电池片的印刷。 尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成，具有很高的强度，耐磨性、 耐化学药品性、耐水性、弹性都比较好，由于丝径均匀，表面光滑，故油墨的通过性也极好。其不足是尼龙丝网的拉伸性较大。 这种丝网在绷网后的一段时间内， 张力有所降低， 使丝网印版松驰，精度下降，在太阳能电池片的印刷中采用不锈钢丝网。图 8 为丝网的外形。制作丝网： 制作丝网图形由专业厂商订做， 要根据印刷图形的精度选择丝网目数的高低、丝径的粗细、 丝网开口面积的大小、 丝网伸缩率的大小等， 表 1 为日本特殊织物会社的部分丝网技术规格。丝网的目数及丝径决定可印刷图形的宽度；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，所以对丝网要求不高，主要考虑印刷厚度即可，一般选用 250～ 280 目即可满足要求； 正银印刷是对印刷要求最高的一道印刷工序， 主要是保证栅线的宽度要求及印刷膜厚的均匀性，一般选用 300～ 330 目，印刷后栅线的宽度值取决于丝网的线径及网孔的宽度，有如下计算公式：K=2s+R ，式中： K 为线条的宽度， S 为丝网丝径宽度值， R 表示网孔的宽度，如选用 330 目丝网，查表 1： s=30μm ， K=44μm 则 K=2× 30+44=102μm ，可满足栅线的宽度要求。丝网的张力设定：丝网的张力与丝网的材料与目数有关，不同材料、不同丝径的丝网承受的张力不同， 目数越低，丝径越粗，丝网承受的张力越大； 丝网生产厂商在技术指标中有一个丝网最大张力的建议值，见表 1。如果丝网张力太低或印刷过程丝网张力不稳定，在刮板压力下会出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一般选取 30N／ cm，正银工序则选取 27N／ cm(见图 9)。印刷厚度：丝网和感光膜的厚度决定印刷后图形的厚度即线条的厚度，如图 10 所示，在一般情况下，丝网目数越低，丝经越粗，印刷后的浆料层就越高，所用丝网目数较高时，印刷后浆料层就低一些。感光膜的厚度与丝网目数和线条的宽度有关：目数越高，丝径越细，感光膜与丝网的接触面积越小， 二者的附着力减小， 如果印刷线条变窄， 增加感光膜的厚度易造成脱落，所以感光膜较薄，感光膜的厚度约为丝网厚度的 15％～ 25％；对于背铝和背银工序，选取 250 目丝网，其厚度为 58 um，感光膜厚度为 10～ 15 um，则印后厚度为 68～73μm ，这里计算出来的厚度时浆料的湿厚度 (wet thickness) ．需经过烘干 (dry) 和烧结 (fire) 才是最终厚度 (干厚度 )，干厚度是湿厚度的 30%～ 40%；对于正银工序，选取 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 。选择丝网丝径及目数时，要求网格的孔长为浆料粉体粒径的 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的力， 连接丝网的底面需要较高的平面度， 约为 0.04 mm× 150 mm× 150 mm;网框规格一般为承印物的 2 倍： 以 150 mm 电池片为例，承印物面积为 150 mm× 150 mm，网框内口的面积应为 300 mm× 300 mm，如图 11。4.3 浆料浆料是由功能组份、粘结组份和有机载体组成的一种流体，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，功能组份一般为贵金属或贵金属的混合物。 载体是聚合物在有机溶剂中的溶液。 功能组份决定了成膜后的电性能和机械性能。 载体决定了厚膜的工艺特性， 是印刷膜和干燥膜的临时粘结剂。 功能组份和粘结组份一般为粉末状， 在载体中进行充分搅拌和分散后形成膏状的厚膜浆料。烧结后的厚膜导体是由金属与粘结组份组成。浆料的技术性能指标是指浆料中功能成分 (背银浆料中的银铝成分、正银浆料中的银成分，背浆料中的铝成分 )经过烘干和烧结后与电池片的欧姆特性，其影响电池片的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；浆料的工艺特性是达到上述指标的保证， 各浆料生产厂商针对 3 种印刷工序有推荐的工艺参数如浆料的粒度、 黏度，固体物含量，丝网的目数；前面提到网格的孔长为浆料粉体粒径的 2.5～ 5 倍；浆料的粘度影响刮板条的印刷速度；固体物含量决定印刷后的湿厚度经烘干和烧结后的最终厚度。背铝及正银三工序的浆料不同，由此决定他们在丝网和印刷参数各有不同，表 2 为美国FERRO 公司的都有相关工序的印刷浆料的特性。5 设备对设备的要求有如下 3 点：(1)工作台的平面度。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 150 mm 电池片为例，工作台的平面度不大于 0.02 mm；(2)工作台重复定位精度。根据太阳能电池片的精度要求，工作台重复定位精度达到 0.01 mm 即能满足工艺要求；(3)印刷时丝网与工作台的平行度决定印刷膜厚度的一致性，根据使用要求，以 150 mm电池片为例二者平行度为 0.04 mm。电池片的平面度不大于 0.02 mm，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的重要工序，对电池片的质量起着重要作用，太阳能电池印刷技术是一个有机的整体， 是各种技术的组合， 需要工艺工程师和设备工程师的协同工作：既要了解各个参数的特点，又要了解其相互的制约关系； 3 种印刷工序既有相同之处又有区别， 需要针对不同工序的具体要求分别优化各工艺参数， 制定出不同工艺实施方案， 方可印刷出符合工艺的产品。