太陽能電池絲網(wǎng)印刷工藝中的懸浮網(wǎng)板技術(shù)

段湘寧，楊 杰，于國豐

(1、遼寧省葫蘆島市信息中心，125001；2、通威太陽能(成都)有限公司,610041；3、德國JRT光伏技術(shù)有限公司,)

1 廣泛使用中的絲網(wǎng)印刷設(shè)備及其技術(shù)缺陷

目前廣泛使用的太陽能電池絲網(wǎng)印刷設(shè)備，其設(shè)計理念來自半導(dǎo)體電路板印刷設(shè)備，這些轉(zhuǎn)型開發(fā)的設(shè)備無法根本解決電路板與電池片物理特性差異帶來的碎片率高和印刷質(zhì)量差的問題。在太陽能電池產(chǎn)業(yè)快速擴張階段，這些問題被片面追求產(chǎn)能所掩蓋。而在行業(yè)進入平穩(wěn)整合階段，電池片印刷質(zhì)量和生產(chǎn)成本就成為了焦點。

柵線印刷質(zhì)量主要體現(xiàn)在柵線線高均一性和柵線線寬的波動性。柵線線高最低點處柵線截面積最小，電阻最大，該點將成為整根柵線導(dǎo)電性能的瓶頸。而凸點處漿料的過度印刷降低了漿料有功使用率，提高了生產(chǎn)成本，卻對導(dǎo)電效率并無貢獻。而柵線線寬的波動則不僅是漿料利用率問題，柵線線寬的最寬處將增加遮光面積，直接降低電池片光電轉(zhuǎn)換效率。在目前柵線精而細(xì)的趨勢下，控制線寬穩(wěn)定性并降低斷柵成為困擾電池片制造的難題。

決定柵線印刷質(zhì)量的主要工藝參數(shù)在于絲網(wǎng)印刷技術(shù)中漿料的脫離角度和網(wǎng)布的脫離速度。目前廣泛使用的電池片絲網(wǎng)印刷設(shè)備無法保持漿料脫離角度的一致性。如圖1所示，漿料脫離角度在柵線印刷起始、中間點和終點處分別為0.98 o ，0.50 o和 0.34o，漿料脫離角度的計算方法為：

·起始點處漿料脫離角度為 arctan(1.4/

(320/2-156/2))=arctan(1.4/82)=0.98°

·中間點處漿料脫離角度為 arctan(1.4/

(320/2))=arctan(1.4/160)=0.50°

·終止點處漿料脫離角度為 arctan(1.4/

(320/2+156/2))=arctan(1.4/238)=0.34°

漿料脫離角度的大幅度變化導(dǎo)致柵線線高平均在±6μm范圍內(nèi)大幅度波動。

圖1-1：絲網(wǎng)印刷中漿料脫離角度

圖1-2：網(wǎng)框整體提升功能降低粘片率

漿料的脫離速度，即網(wǎng)布脫離電池片的速度，或網(wǎng)布的回彈速度，不僅與柵線印刷質(zhì)量直接相關(guān)，網(wǎng)布回彈速度過低也將增加電池片粘貼在網(wǎng)板下面的幾率。粘片現(xiàn)象的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致該片電池片報廢，并在取出電池片和擦網(wǎng)板過程中造成貴金屬漿料的無功消耗，更為重要的是停機處理時間帶來的產(chǎn)能損失以及后續(xù)烘干燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)的瞬時波動。

為了提高網(wǎng)布脫離速度，一方面可以提高網(wǎng)板張力以便提高網(wǎng)布回彈力，另一方面可適當(dāng)加大網(wǎng)板與電池片間距，因此出現(xiàn)了下述印刷過程中網(wǎng)框整體提升技術(shù)。

圖1-2所示的網(wǎng)板提升功能可有效解決粘片問題。在柵線印刷過程中，隨著刮板的運動，借助網(wǎng)板網(wǎng)框的整體提升擴大網(wǎng)板與電池片的距離，確保電池片有效脫離網(wǎng)板。柵線印刷起始端漿料脫離角度仍為0.98 o ，而隨著刮板的運動和網(wǎng)框的整體提升，印刷至柵線中間點時漿料脫離角度可緩慢下降至0.72 o。前半段印刷過程中漿料脫離角度的變化量明顯降低。然而受限于小尺寸高張力網(wǎng)板在接近網(wǎng)框區(qū)域的允許變形量，隨著刮板繼續(xù)運動，整個網(wǎng)板網(wǎng)框必須重新下降至起始高度，在柵線印刷結(jié)束時的漿料脫離角度仍為0.34o。因此網(wǎng)板整體提升功能仍然不能保持漿料脫離角度的穩(wěn)定性。實際量產(chǎn)經(jīng)驗也表明，網(wǎng)框整體提升功能不能改善柵線印刷質(zhì)量，但可以用在對印刷精度要求不高，但更容易出現(xiàn)粘片現(xiàn)象的背電場印刷工藝中避免電池片粘片。網(wǎng)框整體提升技術(shù)中較大的網(wǎng)布變形量將對網(wǎng)板壽命帶來影響。

采用標(biāo)準(zhǔn)高張力網(wǎng)板的絲網(wǎng)印刷設(shè)備在實際量產(chǎn)中，電池片碎片率處于0.2%左右的高位。

2 柔性大網(wǎng)板單邊抬頭功能對印刷質(zhì)量的提升及其應(yīng)用局限

JRT柔性印刷技術(shù)結(jié)合太陽能電池薄且易碎的物理特性，網(wǎng)板尺寸從標(biāo)準(zhǔn)350x350mm擴大為700x600mm，網(wǎng)板張力從30N/cm降低為20N/cm，因而具有更好網(wǎng)板張力和網(wǎng)板圖形穩(wěn)定性，也為進一步加大網(wǎng)板與電池片間距提供了可能。同時單邊抬頭技術(shù)可保持漿料脫離角度的一致性并提升網(wǎng)布的脫離速度。采用大尺寸低張力網(wǎng)板的柔性印刷技術(shù)可以同時印制兩張電池片，單個網(wǎng)板正銀柵線印制數(shù)量可提升至原來的4倍。如圖3所示，在刮板運動過程中，網(wǎng)板B邊將以F邊為軸向上抬頭。整個抬頭過程由伺服電機根據(jù)印刷速度和印刷行程同步驅(qū)動，漿料脫離角度將一直保證在0.67 o到0.68 o之間。單邊抬頭功能同時加速了網(wǎng)布與電池片的迅速脫離，進而有效避免電池片粘片問題。

圖2-1：柔性印刷技術(shù)保持穩(wěn)定的漿料脫離角度并加速電池片與網(wǎng)布的脫離

根據(jù)江蘇某電池制造商量產(chǎn)驗證，柔性大尺寸低張力網(wǎng)板可將柵線線高波動控制在±3μm范圍內(nèi)，燒結(jié)后單晶156mm電池片轉(zhuǎn)換效率平均提升0.2%，同時碎片率可降低至0.1%左右。

然而JRT大網(wǎng)板低張力柔性印刷技術(shù)雖然可以顯著提高電池柵線印刷質(zhì)量，提高燒結(jié)后電池片的轉(zhuǎn)換效率，并顯著降低碎片率，同時網(wǎng)板具有更長的使用壽命和較低的單電池片網(wǎng)板成本，但與傳統(tǒng)網(wǎng)板相比，定制的大尺寸低張力網(wǎng)板單個網(wǎng)板成本高，具有大尺寸低張力網(wǎng)板生產(chǎn)經(jīng)驗的本土網(wǎng)板供應(yīng)商相對不多，同時管理多種網(wǎng)板也增加了電池片制造商物料管理成本。

3 懸浮網(wǎng)板技術(shù)雙邊運動控制對印刷質(zhì)量的提升

采用JRT懸浮網(wǎng)板技術(shù)的絲網(wǎng)印刷設(shè)備，即可以使用大尺寸低張力網(wǎng)板，也可以使用普通標(biāo)準(zhǔn)高張力網(wǎng)板。懸浮網(wǎng)板的印刷起始邊和終止邊均可自由運動。通過懸浮網(wǎng)板印刷起始邊的抬頭功能實現(xiàn)恒定的漿料脫離角度，并保證電池片與網(wǎng)布的有效脫離。如圖4所示，在整個印刷過程中，漿料脫離角度可穩(wěn)定保持在0.98 o左右。

圖3-1：懸浮網(wǎng)板技術(shù)通過終止邊下探功能減小網(wǎng)布變形量

4 懸浮網(wǎng)板技術(shù)最大限度降低網(wǎng)板網(wǎng)布形變量，提升網(wǎng)板使用壽命

采用JRT懸浮網(wǎng)板技術(shù)的絲網(wǎng)印刷設(shè)備可以使用普通小尺寸高張力網(wǎng)板。通過懸浮網(wǎng)板印刷終止邊的下探功能，降低高張力網(wǎng)板網(wǎng)布變形量，達到大尺寸低張力網(wǎng)板特有的超長使用壽命。如圖4所示，在印刷過程中，印刷終止邊隨著刮板運動行程同步下探，通過降低網(wǎng)板與電池片表面距離的方式降低網(wǎng)布形變量，進而增加網(wǎng)板圖形的穩(wěn)定性并實現(xiàn)小尺寸高張力網(wǎng)板的超長使用壽命。

網(wǎng)板使用壽命的提升不僅降低了網(wǎng)板使用數(shù)量和單片電池片的網(wǎng)板成本，同時降低了與更換網(wǎng)板次數(shù)成正比的網(wǎng)板殘留漿料消耗以及更換網(wǎng)板造成的停機時間，提高設(shè)備的使用率。因此，懸浮網(wǎng)板技術(shù)可從多角度提升印刷質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

穩(wěn)定的漿料脫離角度和快速的網(wǎng)布脫離不僅僅可以保證柵線高度和寬度的均一性，也可以避免粘片現(xiàn)象的發(fā)生。更為突出的是，結(jié)合抬頭與下探功能的懸浮網(wǎng)板技術(shù)可以實現(xiàn)50μm左右的超細(xì)柵線更為穩(wěn)定的線高線寬均一性。

5 結(jié)合直線電機直接驅(qū)動和氣浮軸承兩項技術(shù)的懸浮網(wǎng)板技術(shù)

懸浮網(wǎng)板技術(shù)結(jié)合使用直線電機直接驅(qū)動技術(shù)和氣浮軸承技術(shù)。直線電機單元具有±2μm的定位精度和高動態(tài)響應(yīng)特性，無中間傳動機構(gòu)的直接驅(qū)動技術(shù)和無接觸無摩擦的氣浮軸承支撐方式可以穩(wěn)定保持印刷設(shè)備在整個使用壽命期間的高精度特性，帶有懸浮網(wǎng)板的高精度絲網(wǎng)印刷設(shè)備可以兼容未來各種對印刷精度有苛刻要求的新型高效電池片。

懸浮網(wǎng)板可以實現(xiàn)沿著以及圍繞X、Y、Z三個基本軸共計6個自由度的平移和旋轉(zhuǎn)運動。靈活的網(wǎng)板運動特性為絲網(wǎng)印刷工藝優(yōu)化提供了目前設(shè)備不可想象的靈活性。懸浮網(wǎng)板靈活的高精度運動特性為適應(yīng)各種不同材料、張力和尺寸的新型網(wǎng)板、新型漿料和新型電池片提供了兼容未來的硬件基礎(chǔ)。

于國豐、陸凱.太陽電池絲網(wǎng)印刷工藝中網(wǎng)板單邊抬頭功能對印刷質(zhì)量的提升.《太陽能》2012