流束印刷方法

专利名称：流束印刷方法
技术领域：
本发明涉及一种通过具有基本上连续的流体流的印刷机的使用来施加导电材料的方法。
背景技术：
丝网印刷是用于结晶硅太阳能电池的正面金属化的一种常用技术。然而，丝网印刷正接近技术上的极限，因为制造商们寻求生产更高效率的电池并且试图减小生产成本。例如， 由于可能增大的晶片断裂和破碎倾向，接触印刷方法不允许光电供应商将用于制造电池的硅最少化。用于对太阳能电池施加触点的、可选的非接触印刷方法典型地使用含一种导电材料的流体小液滴。喷墨印刷是形成液滴的常见方法；但是喷墨印刷不能可靠地在每单位时间施加足够的导电材料以维持本领域技术水平的生产率。而且，由离散的小液滴形成的导电触点可能产生相对粗糙的印刷边缘，因此相对于通过连续放电涂布器所施加的迹线而言减小了触点的电流传导能力。提高触点品质并减小线宽度的一种方式是使用通过制造雾化液滴而得到的非常小的液滴，但是这些系统也受到处理量和可靠性的限制。另一种手段是使用微量调节注射器挤出涂布器，但这些也受到总体处理量的限制。

发明内容
本发明提供了一种用于将导电材料沉积在基底上的印刷方法。一方面，一种印刷方法包括提供印刷头。该印刷头包括阀门和至少一个孔口。流体从该孔口中以基本上连续的流喷射出来。该流体包括导电材料。该流体在基底上被沉积成图案，以便形成导电沉积物。该图案的至少一部分包括基本上直的线。另一方面，一种印刷系统包括印刷头组件、流体供应件、以及控制机构。该印刷头组件包括多个可单独设置的模块化印刷头。每个模块化印刷头包括直径小于100微米的孔口。该流体包括导电材料。该控制机构控制来自所述孔口的流体流动。该印刷头能够将流体从所述孔口中以基本上连续的流喷射出来，并且将该流体在基底上沉积成图案以便形成导电沉积物。上述内容是对本发明的概括性介绍，其并不存在限制本发明权利要求保护范围的意图。本发明的优选实施方式和优点可通过参照随后的详细说明并结合附图得以最好地理解。


图1是印刷头组件的一个实施方案的示意图； 图2是印刷头的一个实施方案的示意图； 图3是光伏装置的示意图4是如实例2中所说明的显示随孔口尺寸而变的、所印刷的线宽度的一个图； 图5是如实例3中所说明的显示对于不同的孔口尺寸而言随溶剂粘度而变的沉积速率的一个图6是如实例3中所说明的显示对于单一粘度而言随孔口尺寸而变的沉积速率的一个
图；图7是如实例4中所说明的显示随流体粘度而变的、所印刷的线宽度的一个图； 图8a显示了光伏晶片上的、常规丝网印刷的银线与通过本发明的方法印刷的线的对
比；
图8b显示了用常规压电式印刷机印刷的线； 图8c显示了用常规压电式印刷机印刷的线的示意图。
具体实施例方式
本发明是参考附图进行描述的，其中相同的元件由相同的数字来指代。通过以下详细说明，本发明的各种元件的关系和作用将得以更好地理解。然而，如下描述的本发明实施方式仅是举例的方式，本发明不受限于附图中所例举的这些实施方式。本发明提供了一种用含有导电材料的、基本上连续的流体流来在基底上印刷触点的方法。本发明记载的方法对流体的物理性质的要求与典型的喷墨印刷头对其的要求相比是限制较少的，并且借助本发明的方法，可喷射的流体导电材料负荷的可能范围更宽。例如，在光伏晶片上印刷给定的印刷迹线时，该方法可能要求仅仅两个阀门运动事件，即一个打开(连通)和一个关闭(切断)。相比之下，喷墨方法对于每条迹线需要上千个液滴喷射事件。流体的喷射进一步取决于在喷嘴孔口处形成的稳定的弯月形，并且要求专门的流体以满足用于适当的液滴分离的流体动力学指标。当颜料负荷增大时，这些问题总体上产生了差的印刷可靠性。此外，在实践中，尚未实现过在对于喷墨印刷触点的所要求的印刷负荷方面满足这些要求。与典型的喷墨相比，用本发明的方法可能获得的、更高的流体导电量使得能在单个印刷行程(pass)中得到所印刷的线具有更好电导率。该方法还提供了具有可接受的宽度以及较好光滑度的触点，从而获得所预期的电阻特性。在改进太阳能电池的效率这个目的方面，印刷出具有所预期宽度的触点的能力与减小电阻的可能性的相结合，使得该连续印刷方法相对于常规印刷技术具有显著的优点。本发明的印刷方法在制造上具有其他的优点。例如，该连续印刷方法是一种非接触式方法，如此不用在相对易碎的晶片上施加压力。这与常规使用的丝网印刷不同，在丝网印刷中当橡皮滚子迫使糊剂穿过丝网中的开口时丝网被迫使与晶片接触。后种方法经常导致晶片断裂。生产效率因晶片材料的损失和与从印刷台清除破碎的晶片材料相关的生产线停工时间而受到不利影响。虽然不直接影响光电池效率，但生产线的停工时间减小了电池生产线的收益。因此，本发明的非接触式印刷方法将能够使用更薄的硅晶片，这将更大地节约成本。目前生产的晶片厚度(平均)为190微米。小于100微米的晶片在理论上是可能的，这取决于硅晶体的晶粒尺寸。工业上也愿意生产具有更薄轮廓的晶片以降低生产成本和减小太阳能电池板的重量。本发明的印刷方法使用印刷头将流体施加到基底上。图1示出了印刷头组件20的一个实施方式。印刷头20包括阀门(图2中示出了其一个例子)和至少一个孔口 22，虽然典型地是多个孔口 22被使用。孔口 22可以按线性(linear)方式布置，如图1中所示。孔口 22的其他排列也是有可能的，如交错的或对角线的。每个孔口 22可以按串联方式在一个安装结构内重复，因此孔口数目可以是十六，如图1中所示，或任何其他可设想的数目， 这受单个阀门的尺寸限制。这多个孔口被布置在一种通常称为印刷头的结构中。
相邻孔口 22之间的间隔或间距可以等于所希望的收集器线的间隔或是其整数倍。相邻孔口 22之间的间距沈优选是小于或等于10 mm。该间距沈可以是小于或等于 8 mm、5 mm、4 mm、或2 mm。所得的晶片的单程间距可以通过使用多个印刷头组件20来增大。例如，在来自第二印刷头的孔口位于第一印刷头的孔口之间的一半距离处的情况下，两个印刷头组件20的一种简单的、交错的排列是有可能的。这种排列将提供以1 mm的间距来印刷线的能力。也可以按这种方式将多个印刷头交错排列，从而得到低至小于(down to better than) 0. 03 mm的任何所希望的间距。流体从孔口 22中以基本上连续的流喷射出来。该流体包括导电材料。该流体流动优选地受阀门机构控制，该阀门机构的特定实施方案在下面进一步说明并且显示在图2 中。该阀门优选地是在打开/接通与关闭/切断状态之间可机电地切换的。该印刷头组件 20可以包括用于所有孔口 22的单个阀门，或者每个孔口 22可以单独地用其自身的阀门来进行控制。可以机电地、电磁地或气动地致动多个阀门。该密封机构可以是任何常规的设计，包括螺丝、柱塞或基于阀瓣的机构。现在返回到孔口 22的尺寸和构型，该印刷头的孔口 22优选具有小于100微米的直径。在某些实施方案中，孔口 22具有小于或等于70微米、45微米、或25微米的直径。通过本印刷方法沉积的导电材料的线宽度很大程度上随孔口而变，因为这些连续流具有大约与孔口直径相同的标称宽度。不同于通过其他非接触式方法所施加的离散的液滴(由于流体的表面张力而在空气中铺展开)，本方法的流在飞行中并不实质性地铺展开，直到该流撞击基底表面为止。孔口 22优选展现出0. 5与8之间的长径比。该长径比被定义为孔口深度除以孔口直径。该长径比更优选地是在0.5与4.0之间。所希望的孔深度可以按多种方式实现； 艮口，它可以由金属孔口板的厚度或者由红宝石或陶瓷孔口材料的固有深度来控制。更高的长径比一般以增大流动阻力为代价来提供更大的喷射直度。此外，常规的小液滴印刷高度地依赖于孔口品质并且特别是喷射孔的出口边缘的品质。本印刷方法的连续流将能够以较便宜的喷嘴孔来印刷这些连续的线。印刷头组件20和相关的部件可以由任何适当的控制机构来控制，如常规的PC或直接整合到印刷机中的数字的或模拟的控制机构。该流体在基底上被沉积成图案以便形成导电沉积物。该图案的至少一部分包括基本上直的线。该印刷方法能够印刷出矢量(vector)兼容的图案。常规的太阳能电池(如图 3所示一个实例)被制造为具有一系列正面金属化的导电触点，这些触点包括许多窄的收集器线40 (典型地宽度在100与250微米之间)以及若干具有更大宽度(典型地2 mm宽)的正交的汇流条50。一种典型的156 mm乘156 mm的太阳能晶片由60至80条收集器线和两个或三个汇流条组成。如上所述的喷嘴间距的可扩缩性使得这种方法能用于印刷，而在较窄的收集器线和较宽的汇流条二者的总体处理量方面无损失。例如，在这样一个系统中， 可以提供两种不同的喷嘴组件。在第一种组件中，具有与收集器线的间距相等的间距的喷嘴将沉积单个的迹线。在一个次级步骤中，通过以与汇流条的间距相对应的间距设置的第二喷嘴组件、并且在使用多个交错的喷嘴的同时增大的喷嘴间距以覆盖每个汇流条的2 mm 宽度，从而沉积这些汇流条。这个次级步骤将优选地在第一步骤中的这些导电线被干燥和 /或烧结之前或之后与第一步骤同步(in-line)进行。这将是所期望的，这些晶片在第二个
6CN 102458863 A说明书4/10 页
过程中被转向，使得可以平行于生产线的运动而施加这些汇流条。然而，这些印刷头可以被安装在横向臂上并且迹线一般可以垂直于生产线的运动而被施加。施加在基底上的收集器线优选具有小于或等于200微米的宽度。更优选地，施加在基底上的线具有小于或等于100微米、小于或等于60微米、或小于或等于40微米的宽度。该收集器线一般具有高度(或厚度)要求，这个要求取决于线宽度(即，因为电导率是线的截面积的乘积)并且优选是至少3微米、至少10微米、或至少20微米。本印刷方法使用了连续的流体流来沉积该导电材料，这产生了具有特殊光滑度的触点。该线优选地具有小于10毫欧姆/平方厘米、优选小于5毫欧姆/平方厘米、并且最优选小于2毫欧姆/平方厘米的薄层电阻最大值。所沉积的线由于这些连续流的性质而基本上是直的，如图8a中所示，该图示出了在光伏晶片上的一条常规丝网印刷的银线60，与通过本方法印刷的线70进行比较。相比之下，常规的大液滴压电喷墨(S卩，传送80 pL的液滴尺寸)将按一系列重叠的、紧接的点来印刷线，如在图8b中所示，该图描绘了来自一个压电印刷引擎的实际输出。 这些重叠的点产生了粗糙的或有圆齿的边缘，在图8c中以A和B表示。所指的区域基本上用作电阻的节点，即电流通过量受到这些点之间的实际表面接触作用(这在节点区域处不是最佳的)的限制。此外，液滴布置的误差导致了这些线中的电缺陷。在孔口弯月形处该压电泵送力对流体的作用固有地是一种无规则的物理扰动，在来自孔口表面的液滴的物理释放中也是如此。因此，所印刷的液滴轨迹将位于从孔口中心至基底最短线性路径周围的一个锥形区域内，并且沿着这个锥形表面的液滴的径向位置将是不规则的。这种无规则的分布可以在使用明确限定的流体的正常情况下导致液滴布置的误差，这些误差高达所希望的线宽度的 10%。如在此描述的，所印刷的迹线还基本上不含与液滴相关的印刷缺陷，如飞溅和液滴拖尾，这是本领域中熟知的两种现象。因此，可以改变持续的液体沉积速率而在品质方面无退化，这对于在不同的驱动频率下使用典型的DOD喷墨装置是不可能的。飞溅具体地发生在大液滴的喷墨装置中，其中液滴没有被完全干燥并且随后的重叠的或半重叠的液滴被印刷在顶部。印刷头M (或印刷头组件20)相对于基底的可得的单程线速度比常规的非接触式技术明显更快并且潜在地快于丝网印刷。单一孔口的流体流具有至少1.5 mg/s的沉积速率。优选地，该沉积速率是大于或等于2 mg/s,5 mg/s,8 mg/s、或10 mg/s。一般要求在 1. 5 g/cc的流体密度下大约1. 5 mg/s的恒定速率，以便实现穿过圆柱形孔口的层流，假定孔口具有足够的光滑度和均勻性。在上述持续的流速下的线速度将转换为优选至少50 mm/s、更优选至少100 mm/s、 并且最优选至少200 mm/s的单印刷头线性速度。对于沉积1. 5 mg/s的银墨料的具体实例，6英寸晶片的有效线性处理量将是至少约370晶片/小时。这些计算值假定了 100微米乘15微米高的迹线轮廓、在墨料中20%的导电金属重量百分比、以及8克/cm3的恒定的密集固化的迹线密度。这个净产率接近标准丝网印刷机的值。基于对如实例中所示的这种方法所测量的沉积速率，这是一个保守的可能值并且使用这种光伏构建方法的实际处理量将更高，这取决于所要求的电导率以及给定光伏晶片的线宽度。当然，通过按要求同时(in-line)使用多于一个单一的印刷头可以增大这个速率。也可以通过使用具有增大的银含量的流体来增大速率。具有大于70%的银重量百分比的流体是可行的。非接触式方法的、在单个行程中以高速率并且以非常窄的间距(< 1 mm)进行印刷的能力对于流印刷而言是独特的。如在此描述的这些印刷头是比喷墨印刷机更有成本效益的，因为它们可以被设计为具有最小数目的必需孔口来在电池表面上印刷出所要求数目的迹线。最有用的、大液滴的常规喷墨印刷头不能满足目前的太阳能电池工艺所要求的沉积速率。例如，以典型的频率(约10 kHz)运行、传送80皮升液滴的、工业上常见的压电印刷头 (ialaxy或Nova系列在稳态条件下仅以每个喷嘴约1. 2 mg/s的速率沉积流体。使用与以上相同的对于墨料负荷、固化的迹线密度以及迹线尺寸的假设，总的处理量将是约四4晶片/ 小时或小于本方法可实现的最小速率的一半。更小的液滴体积的喷墨头在理论上可以传送足以用于高的单程处理量的流体体积。例如，在20 nL的等级上传送液滴的印刷头将需要在40 kHz的持续印刷速率下工作以传送1.5 mg/s。以此频率的一半运行(这是更可行的)时，将要求印刷头多次重复扫描相同的线位置以建立这条线。典型地布置在整体的线性阵列中的喷墨喷嘴不容易对此目的进行优化。气溶胶类型的印刷机(如美国专利20090061077中所述)在流体沉积速率方面由于非常小的液滴(仅数十个飞升的大小)而固有地受限。与本发明相比，可从Optomec商购的系统仅传送每个喷嘴0.5 mg/s的量级。它们在单程的、窄间距的应用中工作的能力进一步受到限制，其中雾化的液滴被气态鞘引导至基底。当喷嘴间距减小时，来自一个喷嘴的气态鞘最终与从相邻喷嘴发射出的雾化的液滴相互作用。因此，使用这种技术来设计一种可以非常近地同时印刷多条线的系统是固有地困难的。高压分散型印刷机，如美国专利申请20100055^9中所披露的从nScrypt Corporation可得到的那些，也可以用一种以非常精细地控制分配器至基底的偏置距离的非接触式方式进行沉积。这些系统可以潜在地使用多个喷嘴；但它们依赖于非常高的压力来传送具有较高银(即，〉75的重量百分比)负荷和粘度(> 200 cp)的墨料。在此披露的系统将通过实现孔口层流而具有更大的净处理量。如果采用更低粘度的、携带了高负荷银的墨料，则可以进一步增大处理量。在此描述的印刷方法已被证实是提供了具有类似于丝网印刷的宽度的迹线并且将提供甚至更窄的宽度，这将能得到增大的光电池效率。丝网印刷本身没有在实践中证明是产生非常窄的线(即，小于100微米)的一种有效手段。在丝网印刷中，随着模板中的空隙被减小，推动墨料穿过丝网的网眼是愈加困难的。丝网的拉伸也变成一个更大的问题，这导致与丝网报废相关的成本增大。用于太阳能电池的现有技术具有约15%的转换效率，这仅是理论最大值的大约一半，一部分是由于这些触点的遮蔽效应。对于完全消除了正面触点栅极的太阳能电池设计，实现了高达22%的效率。在效率上仅百分之几的改进是显著的并且大大增加了电池在其20-30年的预期寿命内的总的功率输出。减小收集器线和汇流条的宽度减小了在电池的、收集光的一侧上被遮蔽的面积并且改进了其总效率。在一个实施方案中，流体在印刷头组件20中被维持在一个固定的、所希望的温度下。该连续流是处于基本上相同温度的一种液体流。已熟知的是，一种液体的温度大大影响其流动特性，尤其是黏度，因此一般希望控制该流体的温度。高达100° C的操作温度对于喷射组件是优选的，这取决于所印刷的流体的挥发性和沸点。在40° C，喷射黏度将比在 25° C时小约50%。孔口与基底之间的抛射距离典型地在3与6 mm之间，但由于该流束的固有动量也可以大于6 mm。若必须的话，抛射距离还可以小于3 mm，例如用于改进布局的精确性。该流体可以通过外部源被加压至10 psi或更大。孔口处的压力可能来自单一加压源(即，单个泵)或来自多个加压源(即，每个孔口一个加压源或每个印刷头一个加压源)。在图1中， 对于印刷头组件20，这些单独的孔口 22可以具有离散压力源和/或流体进料通道。在印刷头组件20中，这些单独的模块化印刷头对可以具有独自的或组合的压力和流体系统。在优选的系统中，印刷速度(即，沉积速率与基底线速度之间的差值速率)、印刷温度以及传送压力将是可调节的，以使处理量最大化并且控制线特征的尺寸。以流束进行印刷被认为总体而言是比以标准的按需喷出(DOD)喷墨装置进行印刷更可靠的。所印刷的流束可以间歇地运行，即通过这些阀门来控制以便按需要而印刷到单独的晶片或多组晶片上。在优选的实施方案中，每个孔口处的阀门将防止流体干燥成固体形式，这样使得可以可靠地启动和停止喷射。用于实现类似的启动可靠性的一种替代方法将包括作为该系统一部分的一个印刷头加帽站(capping station)用于防止干燥。该印刷头可以包括任何适当的、阀门控制的连续流印刷头机构。一种适当的印刷头的一个实施方案在图2中示出并且描述于美国专利号7，331，654B2中。类似的印刷头是从 Videojet Technologies Incorporated 作为 Videojet P16 印刷头或在 Videojet 1120 微阀喷射印刷机中使用的印刷头而可商购的。图2的阀门包括一个柱塞1，它是带轴颈的， 按照紧密的自由滑动配合而用于在一个不锈钢管2中的轴向往复运动。管2具有在其外面上形成的一个薄的绝缘涂层或套管(未示出)并且支撑了缠绕在其上的一个线圈3。线圈3 由一个电源(未示出)供给电流，该电源处于计算机或其它电子控制器(未示出)的控制下。 一个停止件4被安装在管2的近端处以限制柱塞1在管2内的轴向往复运动。线圈3被封闭在一个金属圆柱形壳体5中。上述印刷头被安装在一个支撑壳体10中，该壳体在轴向上越过线圈3的远端而延伸并且具有一个横向端壁11，该端壁携带了一个宝石喷嘴12。在图2所示的实施方案中， 壳体10具有一个轴向延伸的内部环形壁13，该环形壁形成了该阀门头腔室14的径向壁，该柱塞的远端延伸进入该腔室之中。柱塞1的远端携带了一个终端橡胶或其它密封垫片15， 它以密封接合的形式放置在宝石12的近端面上。一个预张紧的锥形弹簧16使柱塞1偏置进入与宝石面的密封接合中，如图1中所示，即休止或阀门关闭的位置。除先前描述的红宝石喷嘴之外其它种类的孔口是有可能的，包括由整体板形成的喷嘴，包括(但不限于)不锈钢、硅、聚酰亚胺、以及类似物。除红宝石外其它类型的陶瓷也是有可能的。孔口可以通过本领域已知的所有手段来构造，包括烧蚀/钻孔(EDM、激光、等)或通过由一种模板进行电铸。通过本领域熟知的MEMS制造方法构造的孔口和流体系统对本发明也是有用的，特别是当目标孔口尺寸低于约40微米时。后者可以提供非常光滑的、精整的喷嘴，这将能得到穿过小孔口的可持续流速。孔口可以是圆柱形的或锥形的。它们也可以是非圆形的，即，方形的并且因此具有四边形的形状。柱塞1优选是由具有1. 6特斯拉的饱和通量密度的铁磁性合金制成，如坡莫诺姆合金5000或类似的、软磁的铁磁性合金。为了减小柱塞1的质量，它可以具有从其远端延伸的一个内部盲孔。还希望的是柱塞1具有小于3 mm、典型地约1 mm的直径、以及约5 1的长度与直径之比(1 d)。例如，图2中所示的宝石喷嘴中的孔具有在3. 5与4. 5之间的1 d之比，并且该喷嘴孔口具有在25与100微米之间的直径。流体在压力下被进料至围绕壁13的流体廊道17并且经由多个径向端口 18进入阀门头腔室。当柱塞处于图2中所示的休止位置时，垫片15与宝石喷嘴12的面是密封接合的并且因此防止了流体流经喷嘴孔口。为了增强垫片15与宝石12之间的密封，宝石12 的近面可以配备有一个或多个凸起的环形密封肋材(未示出)。这样一个阀门可以在从低于1 kHz到高于8 kHz的频率下运行，以便通过控制线圈3中的电流流过的长度以及此电流脉冲被施加给线圈的频率而产生出在20至150微米或更大的尺寸范围内的、尺寸如一的小液滴。该阀门也可以在一种连续的开放位置中运行以提供从孔口 22喷射出的连续的流体流。如上指明的，印刷头20优选包括多个孔口 22的一个阵列，这些孔口在横向上延伸到这些导电线有待被印刷在其上的基底的行进线。该流体包括导电材料，该导电材料被沉积在该基底上以便形成导电沉积物。在一个实施方案中，该导电材料包括银颗粒。这些银颗粒可以按从上到下的方式(即，物理研磨的)或者通过按自下而上的途径(如从盐溶液的还原沉淀)来生产。使用那些用来生产纳米颗粒的常规方法(包括热升华和火焰热解)中的任何一种，可以进一步以纳米颗粒的形式提供这种颗粒。该流体包括一种适当的溶剂。被认为是合适的溶剂包括水；醇类；酮类；酯类；醚类；二醇醚类；呋喃类；胺类；邻苯二甲酸酯类；柠檬酸酯类；吡咯烷酮类；二醇类；碳酸酯类；脂肪族或芳香族烃类；以及油类。在一个实施方案中，该流体包括在25° C与300° C 之间的范围内实质上是挥发性的一种溶剂，如甲基乙基酮；丙酮；乙醇；异丙醇；甲醇；醋酸乙酯；醋酸异丙酯；丙酸正戊酯；二醇醚类如丙二醇单甲醚；乙二醇单丁基醚；二乙二醇单丁基醚；丙二醇单丙基醚；正甲基吡咯烷酮；甘油醚乙酸酯，如丙二醇单甲醚乙酸酯；乙二醇单丁基醚乙酸酯；二乙二醇单丁基醚乙酸酯；丙二醇单丙基醚乙酸酯；或水。除列出的这些之外的其他溶剂也是有可能的。该流体可以包括分散剂以保持这些颗粒悬浮，它可以物理地结合到导电颗粒上。 该流体还可以包含表面活性剂，它们可以通过与基底的相互作用而限制铺展。该流体可以进一步包括有机粘合剂，包括但不限于纤维素衍生物、聚乙烯衍生物、以及类似物。该流体可以具有在25° C使用起泡法测得的在约22与73达因/cm之间的表面张力。为了使得流体能够在目前的应用中工作，该流体可以包括以下的任何一种作为组分(作为离散添加剂，或作为以上列出的组分一部分提供)玻璃或铅玻璃料(作为助黏附剂和/或减反射层烧穿剂)；改进可焊性的添加剂；或提升接触阻抗的掺杂剂(即，含磷化合物)。该流体的导电材料组合物的范围可以是在约10与80重量百分比之间。该流体可以具有从约1至约5克/立方厘米的流体密度。当使用布氏粘度计测量时，该流体在喷射温度下可以具有在约1. 5与300厘泊(cp)之间的粘度。在室温下，该流体可以是稠的但可倾流的(即，〉300 cp)，或实质上是固体(即，蜡基热熔墨料)并且仅在加热过的印刷头中达到喷射粘度。在后者的情况下，该流体可以包括一种半固体载体例如，一种长链的(脂肪) 醇或酸。这个粘度范围实质性地宽于典型的喷墨，例如，喷墨在喷射温度下具有典型的小于30 cp的粘度上限。将在其上进行印刷的基底是一个光伏电池的部件。该基底总体上包括一种半导体材料并且可以是单晶的、多晶的、无定形的或基于薄膜的。基于薄膜的基底可能已经首先通过其他溶液印刷技术或物理沉积而被施加到一个主要支撑薄片上。该基底可以包括来自IV 族的半导体或者来自III/V族半导体的组合。IV族半导体的实例是硅和锗。III/V族半导体的实例包括镉/碲化物和砷化镓。这些III/V族基底的混合形式也是有可能的，如hfe/ Po该基底可以涂覆有一个包括对UV/可见光透明的无机材料的阻挡层。常见的阻挡层是打02或氮化硅(SixNy)。其他组合物是有可能的。在印刷点处存在一个阻挡层的情况下，本印刷方法允许以下的这种常规的可能性，即印刷到阻挡层上接着随后进行烧穿以便与下面的硅相接触。这种方法还允许用其他手段来形成与硅的电接触，例如，通过在印刷流体之前将该阻挡层进行化学或物理蚀刻(即，ND YAG激光)。该导电沉积物可以在足够高到使银颗粒熔融到一个基本上连续的网络中的温度下进行热烧结之后产生。一般，对于银采用在约120° C与1000° C之间的烧结温度，这取决于银的平均粒径。该基底可以在印刷之前或在接触式印刷之时被加热或冷却。该基底温度的范围可以是从-70° C至200° C的任何一个。在一个优选实施方案中，使用一个加热过的基底来引发在与流束接触时挥发性溶剂的蒸发。当在那些于高达约150° C温度的热板上被预热的基底上进行印刷时，实现了所印刷的迹线方面30%至50%的减小。以这种方式加热基底还减小了目前采用的生产步骤的数目，因为目前的工艺要求在丝网印刷之后进行一个干燥步骤。还可能有利的是，冷却该基底以便进一步减小该流体的铺展。可以在施加流体之前或之后在基底上进行另外的处理。例如，本领域中已知，该基底的化学预处理可以抑制流体在沉积之后的铺展。总体上，表面活性剂或卤化的聚合物可能是合适的。卤代烃的例子包括用作可以由包括氟化烃或全氟聚醚的溶剂浇注而得到的阻挡薄膜的那些，如从3M Corporation或Nye Lubricants Corporation可得到的那些； 和/或PTFE聚合物(分散的或溶解的)。适当的表面活性剂的例子包括二甲硅油和聚合的有机娃，如从 Dow Corning Corporation^ General Electric Corporation、或 Momentive Specialty Products Corporation 可得至Ij白勺面β些。这些收集器线典型地是基本上直的并且与正交排列的汇流条线是平行的。然而在最一般的情况下，这些导电触点可以根据希望按任意图案来印刷以增大太阳能电池的效率。对于可以印刷的具体图案无限制。除了正面负极触点之外，本方法对于将正极触点印刷到电池的背面也是实用的。 它对于在电池没有正面触点的情况下将负极触点印刷到电池背面也是有用的。实例
实例1. 使用微阀喷射印刷头得到光滑连续的线的例证
印刷了非导电流体以证实在此描述的印刷方法可以提供具有良好的均勻性以及在应用所要求的等级的线宽度的、基本上直的线。制备了一种黑墨，其组成为甲基乙基酮 (MEK) 46. 5% (按重量计);硝化纤维素溶液50% (按重量计)(含36%的固体硝化纤维素);油溶黑(Valifast black) 3808为3% (按重量计)(为了显示印刷的线的颜色)以及SilwetL7622为0.5% (按重量计)并且将其根据标准方法进行过滤。将该墨料稀释至25° C粘度为5.0 cp。使用一个Videojet P16微阀印刷头来印刷该墨料，该印刷头包含十六个可单独设置的阀门并且使用了外部加压的空气源。通过将这些阀门保持在其打开位置而实现的连续流动的墨料流被引导朝向一个基底，并且通过使该基底穿过印刷头下方而将墨料沉积在基底上。将基底速度近似控制在约1500 mm/秒。使用一个45微米孔口板以及30 psi的控制器压力来印刷玻璃基底，产生了窄至约200微米的、用显微镜测量的线宽度。这些线的边缘锐度是非常好的并且在8倍或更好的放大倍率下与商业上的光伏电池的丝网印刷样品一样好或更好。实例2. 对于微阀喷射印刷头而言在不同孔口尺寸下铺展因子的例证将实例1描述的非导电墨料印刷到一个粗糙的陶瓷基底上。使用Videojet P16印刷
头，使用了孔口尺寸为60和45微米的多个喷嘴板并且将压力控制为刚好大于实现良好层流所要求的最小值(10至30 psi)。此外，使用来自一台Videojet 1120微阀喷射印刷机的印刷头，它具有30微米的孔口尺寸。在此情况下使用与实例1相同的墨料但用溶剂稀释至在25° C下为3.7 cp。这些实验证实，当在室温下印刷到基底上时，不同的孔口尺寸产生了具有不同宽度的线。图4示出了随孔口尺寸而变的线宽度。如果将印刷的线与孔口直径之比视为铺展因子，则在此情况下可以看到，对于孔口下限(30微米)而言大约4至5的因子是正常的。实例3. 最小流速测定
将常规地在Videojet单喷嘴连续喷墨(CIJ)印刷机中使用的单喷嘴针对在此的用途进行适配，以便确定流速限制与用于所印刷的流的孔口尺寸的对比。如实例1中描述的，使用一个加压的源；然而，在CIJ喷嘴的情况下，使用了在流动方向上位于喷嘴后方的一个单一机械阀门来控制到达喷嘴的流动。流体压力维持在40 psi。在一种典型的测量中，通过在一分钟内将墨料收集在一个盘中并称量这个盘来确定累积的墨料的质量而对流速进行评估。用流体的密度将这个质量转换成体积。使用了直径为36、53和80微米的多个孔口， 每个具有接近1的长径比。使用不同的流体来测试一个粘度范围，其中包括如下表1中所示的多种纯溶剂(即，MEK、乙二醇、等)。
权利要求
1.一种印刷方法，包括提供一个印刷头，该印刷头包括阀门和至少一个孔口 ；将流体从该孔口以基本上连续的流喷射出来，其中该流体包括导电材料；并且将该流体在基底上沉积成图案以便形成导电沉积物，其中该图案的至少一部分包括基本上直的线。
2.如权利要求1所述的印刷方法，其中将该流体的供应在该印刷头中维持在一个温度下，其中该连续的流是处于基本上相同温度的液体流。
3.如权利要求1所述的印刷方法，其中该流体具有在喷射温度下使用布氏粘度计测得的在2与300 cp之间的粘度。
4.如权利要求1所述的印刷方法，其中该导电材料是银。
5.如权利要求1所述的印刷方法，其中该流体被外部加压到10psi或更大。
6.如权利要求1所述的印刷方法，其中该阀门是在出流与断流状态之间可切换的。
7.如权利要求1所述的印刷方法，其中该孔口具有在0.5与8之间的长径比。
8.如权利要求1所述的印刷方法，其中该流体包括在25°C与300°C之间的范围内实质上具有挥发性的溶剂。
9.如权利要求1所述的印刷方法，其中权利要求1中的该导电沉积物是在热烧结之后产生的。
10.如权利要求1所述的印刷方法，其中该印刷头的孔口具有小于或等于70微米的直径。
11.如权利要求1所述的印刷方法，其中该基底包括硅。
12.如权利要求11所述的印刷方法，其中该硅涂覆有包括TiO2或氮化硅(SixNy)的阻挡层。
13.如权利要求1所述的印刷方法，其中该基底是光伏电池的部件。
14.如权利要求1所述的印刷方法，其中该线具有小于200微米的宽度。
15.如权利要求1所述的印刷方法，其中该线具有至少3微米的高度。
16.如权利要求1所述的印刷方法，其中该线具有小于10毫欧姆/平方厘米的薄层电阻最大值。
17.如权利要求1所述的印刷方法，其中该流体流具有至少1.5 mg/s的沉积速率。
18.如权利要求1所述的印刷方法，其中该印刷头包括多个孔口，其中相邻孔口之间的间距是小于或等于10 mm。
19.一种用于将导电材料沉积在基底上的方法，包括提供印刷头组件，该印刷头组件包括多个可单独设置的模块化印刷头，其中每个模块化印刷头包括孔口，其中该孔口具有小于100微米的直径；将流体从这些孔口以基本上连续的流喷射出来，其中该流体包括导电材料；将该流体在半导体基底上沉积成图案以便形成导电沉积物，其中该图案的至少一部分包括多条基本上平行的直线。
20.如权利要求19所述的印刷方法，其中这些线之间的间隔是小于10mm。
21.如权利要求19所述的印刷方法，其中该印刷头中这些孔口各自受一个可单独设置的阀门所控制，其中相邻孔口之间的间距是小于或等于10 mm。
22. —种印刷系统，包括印刷头组件，该印刷头组件包括多个可单独设置的模块花印刷头，其中每个模块化印刷头包括孔口，其中该孔口具有小于100微米的直径； 流体供应件，其中该流体包括导电材料；以及控制机构，用于控制来自这些孔口的流体流动；其中该印刷头能够将流体从该孔口中以基本上连续的流喷射出来并且将该流体在一个基底上沉积成图案以便形成导电沉积物。
全文摘要
一种印刷方法包括提供、印刷头。该印刷头包括阀门和至少一个孔口。流体从该孔口中以基本上连续的流喷射出来。该流体包括导电材料。该流体在一个基底上沉积成图案以便形成导电沉积物。该图案的至少一部分包括基本上直的线。
文档编号B41J29/38GK102458863SQ201080025553
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月7日 优先权日2009年6月9日
发明者凯文·库埃斯特, 约翰·佛尔克斯, 麦克尔·科济 申请人:录象射流技术公司