激光誘導前向轉(zhuǎn)移中傳輸過程對銀漿薄膜均勻度影響研究

陳煬，單譯琳，楊倬波，李海，張憲民

(華南理工大學廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點實驗室,廣東廣州 510000)

0 前言

激光誘導太陽能正面電極化是指利用激光誘導前向轉(zhuǎn)移原理(Laser Induced Forward Transfer，LIFT)，將銀漿轉(zhuǎn)移至太陽能硅片正面形成柵線的過程。激光誘導前向轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種高精度、非接觸式、無需掩膜的數(shù)字化印刷技術(shù)，其激光誘導高黏度漿料轉(zhuǎn)移原理如圖1所示。目標材料以薄膜的形式涂膜在透明基片上，以薄膜面朝硅片并使透明基片和硅片保持一定距離。激光透過透明基片聚焦于銀漿薄膜上，銀漿在吸收激光的能量后會形成高溫高壓的氣泡，該高壓氣泡會持續(xù)膨脹并推動薄膜粘附至硅片，最終在銀漿薄膜和硅片間形成橋式結(jié)構(gòu)。待透明基片垂直移去后，銀漿橋式結(jié)構(gòu)會斷裂，并在硅片上獲得銀漿。作為一種非接觸式的轉(zhuǎn)印技術(shù)，LIFT能有效避免對硅片的施壓，從而避免硅片的破碎。另一方面，激光誘導轉(zhuǎn)印技術(shù)無需掩膜，也就不存在堵塞的問題。因此，將激光誘導轉(zhuǎn)印技術(shù)應用于太陽能電池電極制備極具前景，是當前該領(lǐng)域的研究熱點。

圖1 LIFT基本原理

目前國內(nèi)外針對激光誘導高黏度銀漿轉(zhuǎn)移的研究并不多，MUNOZ-MARTIN等研究了激光誘導高黏度漿料點轉(zhuǎn)移的機制，并發(fā)現(xiàn)當轉(zhuǎn)移以生成銀漿橋的模式進行時，所獲得的轉(zhuǎn)移點形狀最規(guī)則，具有最高的高寬比。CHEN等討論了激光誘導高黏度漿料線轉(zhuǎn)移的可能性，并成功印刷了連續(xù)的銀漿線，但印刷銀漿線寬度為80～120 μm且呈現(xiàn)波浪狀。SHAN等通過大量實驗，研究了激光能量密度、間隙距離、銀漿黏度、光斑尺寸以及光斑間距對柵線印刷質(zhì)量的影響，最終根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)成功印刷出寬度為44 μm、高寬比0.54的柵線。

根據(jù)上述實驗的結(jié)論，能量密度、間隙距離、銀漿黏度、光斑尺寸以及光斑間距等參數(shù)的變化都會對最終的印刷結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。對于激光誘導太陽能電池電極印刷設(shè)備而言，能量密度、光斑尺寸以及光斑間距都能通過激光器系統(tǒng)來穩(wěn)定控制，而銀漿黏度也可以在進行印刷生產(chǎn)前調(diào)整，間隙距離則可以通過墊片或是機械結(jié)構(gòu)進行控制。然而，銀漿薄膜從成型到印刷至少需要經(jīng)歷3個步驟：噴料，刮涂，印刷。圖2所示為設(shè)備的兩種銀漿運輸模式，在設(shè)備實際工作中，玻璃底部可貼一定厚度耐磨膠，與刮刀配合形成相應厚度薄膜。但在運輸過程中，薄膜的形貌會隨玻璃的運動發(fā)生改變，且薄膜兩側(cè)的耐磨膠形成的壁面厚度有限，玻璃運動時極有可能會使銀漿濺出。若玻璃通過如圖2(a)所示的多工位轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的方式進行工位切換，整體運行效率會比圖2(b)所示的直線運輸快很多，但此時銀漿薄膜會同時承受切向作用力和法向作用力,流變更復雜。而銀漿薄膜的形貌對激光誘導前向轉(zhuǎn)移這一成型工藝而言影響巨大，探究不同運動規(guī)律下薄膜的變化情況非常必要。

圖2 兩種銀漿薄膜運輸方式

對銀漿薄膜建立有限元模型，然后分別對直線運輸與旋轉(zhuǎn)運輸情況下的銀漿薄膜進行仿真，觀測運輸過程對薄膜均勻度的影響。進一步，針對直線運輸情況，選擇線性加速、指數(shù)形加速、S形加速3種常見電機加速曲線進行研究。仿真結(jié)果表明：將同樣的速度施加在旋轉(zhuǎn)運動時，由于離心力的存在，法線方向上的影響比切向方向更加明顯；直線運動時，線性加速曲線下薄膜的變化最小。因此，在設(shè)計設(shè)備時，應盡量采取直線運動下線性加速模式。

1 銀漿薄膜有限元模型及其均勻度評價指標

本文作者采用有限元法對銀漿薄膜進行流體分析，考慮到流體仿真的復雜性，需要對模型進行必要的簡化，將長寬相等的立方體銀漿薄膜簡化為如圖3所示的運動模型，將薄膜四周設(shè)為壁面模擬耐磨膠。計算時采用流體體積法(Volume of Fluid，VOF)多相模型，以一定厚度的銀漿和空氣組成計算區(qū)域。 VOF方法是在整個流場中定義一個函數(shù)，在每個網(wǎng)格中，這個函數(shù)定義為一種流體的體積與網(wǎng)格體積的比值。只要求得每個網(wǎng)格上的值就可以構(gòu)造出運動界面，求解物理方程時可以在界面附近作特殊的精細處理以提高分辨率和精度。銀漿固含量較高，主要由銀或其化合物、助熔劑、黏合劑和稀釋劑配制而成，其流體性質(zhì)為非牛頓流體，并且是一種假塑性流體。假塑性流體的流變特性常用如下的指數(shù)函數(shù)方程描述：

圖3 三維仿真模型

(1)

在有限元軟件中進行流體仿真時，對假塑性流體一般使用carreau黏性模型，采用式(2)計算流體黏度:

(2)

式中:為冪律指數(shù)；為時間常數(shù);為零剪切黏度；為無限剪切黏度。銀漿的相關(guān)參數(shù)選取數(shù)據(jù)由銀漿廠商提供，如表1所示?？紤]到實際工作中銀漿薄膜厚度相對薄膜長度數(shù)量級差距較大，為減少網(wǎng)格劃分與計算時的困難，在圖4所示的0.05 mm厚、1 mm×1 mm的銀漿薄膜上進行仿真，網(wǎng)格劃分如圖4所示，軟件統(tǒng)計出模型共1 760 059個單元格，2 975 069個節(jié)點。通過編譯用戶自定義功能文件(User Defined Functions，UDF)，讓區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相應的運動方式。

表1 銀漿參數(shù)

圖4 網(wǎng)格劃分

當區(qū)域進行直線運動時，可將模型簡化為如圖5所示的二維模型，此時可采用區(qū)域運動后薄膜基準面與水平面夾角和薄膜相對基準面的粗糙度兩個指標來表征薄膜變化情況，圖5為薄膜運動后的示意。薄膜在運動時整體會發(fā)生傾斜并且表面產(chǎn)生不規(guī)則變化，通過擬合薄膜表面得出傾斜后的基準面與水平面的夾角，能夠表征運動后銀漿薄膜相比運動前的狀態(tài)保持程度；通過公式(3)計算出相對于基準面的算術(shù)平均高度，來表示粗糙度，以表征薄膜的均勻程度。為能夠相對精確地模擬薄膜表面并計算夾角和粗糙度，文中所有導出的銀漿薄膜表面坐標指的都是銀漿體積分數(shù)在(0.9,1)之間的點坐標。

圖5 銀漿薄膜示意

(3)

2 不同轉(zhuǎn)運模式及速度下的銀漿均勻度變化仿真研究

2.1 仿真方案介紹

考慮到銀漿薄膜的自愈特性，需在它停止運動后一定時間內(nèi)觀察薄膜的變化情況，得出合適的薄膜觀測時間。對直線運輸和旋轉(zhuǎn)運輸兩種運輸方式在三維模型中進行仿真，觀察銀漿薄膜的變形，選擇出合適的運輸方式。對該運動方式在3種不同的加速曲線(線性加速，指數(shù)形加速，S形加速)下進行仿真，觀察銀漿薄膜的變形，選擇合適的電機加速規(guī)律。

2.2 銀漿薄膜自愈性仿真

由于黏性流體的自愈特性，銀漿薄膜運動產(chǎn)生變形后靜置的一段時間內(nèi)，銀漿會有恢復其原本薄膜形態(tài)的趨勢而產(chǎn)生的小變形，因此需待它完全停止變形后，再觀察形貌。為得出合適的薄膜觀察時間點，進行以下仿真實驗：給二維模型一個不同大小的速度令它進行直線運動，并在經(jīng)過0.1 s后線性減速為0，從運動結(jié)束時刻起導出銀漿表面坐標并計算其夾角和粗糙度隨時間的變化情況如圖6所示?？梢钥吹剑罕M管由于速度越大導致運動停止后的變化越大，但銀漿薄膜變化都集中在0.1～0.2 s之間，即運動停止后的0.1 s內(nèi)；其中=5 m/s時夾角的變化達到12.01%，粗糙度的變化達到16.00%，而在0.2 s之后，兩者都趨于平穩(wěn)，夾角和粗糙度幾乎沒有變化。綜合考慮，文中所有仿真將直接采用運動停止后0.1 s時刻作為薄膜停止變形的時刻并進行觀察比較。

圖6 在不同速度運動停止后薄膜隨時間變化情況

2.3 不同轉(zhuǎn)運模式對比仿真研究

令速度=3 m/s，使三維模型沿軸正方向進行勻速直線運動，同時以模型下壁面中點為旋轉(zhuǎn)中心，令薄膜中心的切向速度=3 m/s作用于三維模型進行順時針旋轉(zhuǎn)運動，在運動1 s后將兩者仿真結(jié)果沿軸每隔0.1 mm取一截面，將每個截面的薄膜表面點坐標導出，并將所有點擬合曲面作為薄膜表面，如圖7所示。

圖7 薄膜表面擬合結(jié)果

由圖7可知:對于直線運動，由于方向正方向速度的影響，銀漿厚度沿軸負方向整體呈略微上升趨勢，薄膜大部分厚度在0.049～0.051 mm之間，整體均勻性較好，而沿軸方向整體無明顯變化，同時也驗證了將三維模型簡化為二維模型的合理性；對于旋轉(zhuǎn)運動，薄膜受離心力影響明顯，法向方向的變化遠大于切向方向的變化,而且在距離旋轉(zhuǎn)中心最遠的薄膜外層呈現(xiàn)凸起狀，最大厚度約為0.09 mm，說明中間受到的影響比兩側(cè)要明顯。但薄膜中間部分整體相對均勻，厚度在0.04～0.06 mm之間，可以考慮增大薄膜面積，對中間相對均勻的部分進行轉(zhuǎn)移。

2.4 不同速度曲線下的仿真研究

如圖 8所示，在相同的運動時間與位移下，以電機常用的3種速度變化曲線(線性加速、指數(shù)形加速、S形加速)來規(guī)劃區(qū)域的相同位移的直線運動，箭頭方向為區(qū)域運動方向，將其施加于模型，觀察薄膜隨增加的形貌變化，選擇合適的運動規(guī)律曲線。

圖8 3種加速曲線

將銀漿薄膜在3種不同運動規(guī)律下隨著增大的仿真結(jié)果導出，并計算其夾角、粗糙度，繪制成圖9。

圖9 不同運動規(guī)律下薄膜的變化情況

可以看到：薄膜的變化受加速度影響明顯：3種加速曲線運動后的夾角和粗糙度整體都隨著的增大而增大，當最大速度為[1,5] m/s時，3條曲線的加速度都較小，區(qū)別不明顯，因此薄膜在三者的作用下變形相似；當為[5,9] m/s時，三者的夾角變化仍然無明顯差別，但線性加速曲線下的薄膜粗糙度明顯小于其他2條曲線，原因是指數(shù)形加速曲線與S形加速曲線的加速度會隨著時間變化，且兩者的最大加速度都高于線性加速曲線的恒定加速度，且薄膜粗糙度相比夾角更易受加速度影響；如果繼續(xù)增大到9 m/s以上，在指數(shù)形加速和S形加速曲線下銀漿薄膜的夾角和粗糙度急劇增大，并有部分薄膜出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，無法繼續(xù)保持薄膜狀，甚至會有部分銀漿飛濺出來，此時繼續(xù)用這二者作為指標衡量薄膜變形已無實際意義，如圖中紅色×標記點；線性加速曲線下的銀漿薄膜夾角和粗糙度增長相對緩慢，但也開始逐漸出現(xiàn)斷裂的趨勢?？梢詳喽?，薄膜運動時的加速度大小和加速規(guī)律對薄膜形貌有非常大的影響，而在同樣的位移下，線性加速曲線加速過程中加速度始終保持恒定且小于其余2種曲線的最大加速度，使得線性加速運動對薄膜影響最小。

3 結(jié)論

在激光誘導硅片正面電極化設(shè)備運輸銀漿薄膜過程中，對于微米級別厚度的薄膜，運輸過程的加速度越大，薄膜的變形越大，且線性加速、指數(shù)形加速、S形加速3種加速規(guī)律對它運動后的形貌均有不同程度的影響，其中線性加速運動的變形最小。旋轉(zhuǎn)運動相對于直線運動，對銀漿薄膜形貌影響更大，且法向變形比切向大，但中間部分整體相對均勻。為使激光誘導正面電極化設(shè)備能夠成功轉(zhuǎn)印，電機可以考慮采用線性加速的方式，或考慮增大玻璃涂膜面積，對中部薄膜相對均勻部分進行印刷。仿真實驗證明了該設(shè)備在印刷大面積光伏硅片正面柵線時，銀漿薄膜能夠保持良好形貌，為后續(xù)激光誘導轉(zhuǎn)移的可行性打好基礎(chǔ)。