太陽能電池絲網印刷工藝中的懸浮網板技術

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光伏技術有限公司,)

1 廣泛使用中的絲網印刷設備及其技術缺陷

目前廣泛使用的太陽能電池絲網印刷設備，其設計理念來自半導體電路板印刷設備，這些轉型開發的設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量差的問題。在太陽能電池產業快速擴張階段，這些問題被片面追求產能所掩蓋。而在行業進入平穩整合階段，電池片印刷質量和生產成本就成為了焦點。

柵線印刷質量主要體現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，提高了生產成本，卻對導電效率并無貢獻。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換效率。在目前柵線精而細的趨勢下，控制線寬穩定性并降低斷柵成為困擾電池片制造的難題。

決定柵線印刷質量的主要工藝參數在于絲網印刷技術中漿料的脫離角度和網布的脫離速度。目前廣泛使用的電池片絲網印刷設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致柵線線高平均在±6μm范圍內大幅度波動。

圖1-1：絲網印刷中漿料脫離角度

圖1-2：網框整體提升功能降低粘片率

漿料的脫離速度，即網布脫離電池片的速度，或網布的回彈速度，不僅與柵線印刷質量直接相關，網布回彈速度過低也將增加電池片粘貼在網板下面的幾率。粘片現象的出現將直接導致該片電池片報廢，并在取出電池片和擦網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能損失以及后續烘干燒結溫度等工藝參數的瞬時波動。

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

圖1-2所示的網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，借助網板網框的整體提升擴大網板與電池片的距離，確保電池片有效脫離網板。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板在接近網框區域的允許變形量，隨著刮板繼續運動，整個網板網框必須重新下降至起始高度，在柵線印刷結束時的漿料脫離角度仍為0.34o。因此網板整體提升功能仍然不能保持漿料脫離角度的穩定性。實際量產經驗也表明，網框整體提升功能不能改善柵線印刷質量，但可以用在對印刷精度要求不高，但更容易出現粘片現象的背電場印刷工藝中避免電池片粘片。網框整體提升技術中較大的網布變形量將對網板壽命帶來影響。

采用標準高張力網板的絲網印刷設備在實際量產中，電池片碎片率處于0.2%左右的高位。

2 柔性大網板單邊抬頭功能對印刷質量的提升及其應用局限

JRT柔性印刷技術結合太陽能電池薄且易碎的物理特性，網板尺寸從標準350x350mm擴大為700x600mm，網板張力從30N/cm降低為20N/cm，因而具有更好網板張力和網板圖形穩定性，也為進一步加大網板與電池片間距提供了可能。同時單邊抬頭技術可保持漿料脫離角度的一致性并提升網布的脫離速度。采用大尺寸低張力網板的柔性印刷技術可以同時印制兩張電池片，單個網板正銀柵線印制數量可提升至原來的4倍。如圖3所示，在刮板運動過程中，網板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印刷速度和印刷行程同步驅動，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：柔性印刷技術保持穩定的漿料脫離角度并加速電池片與網布的脫離

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

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

3 懸浮網板技術雙邊運動控制對印刷質量的提升

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

圖3-1：懸浮網板技術通過終止邊下探功能減小網布變形量

4 懸浮網板技術最大限度降低網板網布形變量，提升網板使用壽命

采用JRT懸浮網板技術的絲網印刷設備可以使用普通小尺寸高張力網板。通過懸浮網板印刷終止邊的下探功能，降低高張力網板網布變形量，達到大尺寸低張力網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，通過降低網板與電池片表面距離的方式降低網布形變量，進而增加網板圖形的穩定性并實現小尺寸高張力網板的超長使用壽命。

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

穩定的漿料脫離角度和快速的網布脫離不僅僅可以保證柵線高度和寬度的均一性，也可以避免粘片現象的發生。更為突出的是，結合抬頭與下探功能的懸浮網板技術可以實現50μm左右的超細柵線更為穩定的線高線寬均一性。

5 結合直線電機直接驅動和氣浮軸承兩項技術的懸浮網板技術

懸浮網板技術結合使用直線電機直接驅動技術和氣浮軸承技術。直線電機單元具有±2μm的定位精度和高動態響應特性，無中間傳動機構的直接驅動技術和無接觸無摩擦的氣浮軸承支撐方式可以穩定保持印刷設備在整個使用壽命期間的高精度特性，帶有懸浮網板的高精度絲網印刷設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。

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

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