电池片丝网印刷技术

电池片丝网印刷技术
电池片丝网印刷技术
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1 太阳能电池原理示意
图2 太阳能电池生产主要工序
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3～4mm）作为电池片的电极（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：
图4 电池片正银印刷示意图
点击此处查看全部新闻图片
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。

图5 印刷原理示意
图8 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。

表1 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，R=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）。

图9 丝网受力变化示意图
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，
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％～2 5％；对于背铝和背银工序，选取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，这里计算出来的厚度时浆料的湿厚度（wetthickness）．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44 um，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0.04m m×150mm×150mm;网框规格一般为承印物的2倍：以150mm电池片为例，承印物面积为150mm×150mm，网框内口的面积应为300mm×300mm，如图11。

图10 丝网目数与浆料颗粒的关系
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。

图11 网框外形
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。

表2
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0.02mm；
（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0.01mm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150mm电池片为例二者
平行度为0.04mm。

电池片的平面度不大于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。