專利名稱：流束印刷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過具有基本上連續(xù)的流體流的印刷機(jī)的使用來施加導(dǎo)電材料的方法。
背景技術(shù)：
絲網(wǎng)印刷是用于結(jié)晶硅太陽能電池的正面金屬化的一種常用技術(shù)。然而，絲網(wǎng)印刷正接近技術(shù)上的極限，因?yàn)橹圃焐虃儗で笊a(chǎn)更高效率的電池并且試圖減小生產(chǎn)成本。例如， 由于可能增大的晶片斷裂和破碎傾向，接觸印刷方法不允許光電供應(yīng)商將用于制造電池的硅最少化。用于對太陽能電池施加觸點(diǎn)的、可選的非接觸印刷方法典型地使用含一種導(dǎo)電材料的流體小液滴。噴墨印刷是形成液滴的常見方法；但是噴墨印刷不能可靠地在每單位時(shí)間施加足夠的導(dǎo)電材料以維持本領(lǐng)域技術(shù)水平的生產(chǎn)率。而且，由離散的小液滴形成的導(dǎo)電觸點(diǎn)可能產(chǎn)生相對粗糙的印刷邊緣，因此相對于通過連續(xù)放電涂布器所施加的跡線而言減小了觸點(diǎn)的電流傳導(dǎo)能力。提高觸點(diǎn)品質(zhì)并減小線寬度的一種方式是使用通過制造霧化液滴而得到的非常小的液滴，但是這些系統(tǒng)也受到處理量和可靠性的限制。另一種手段是使用微量調(diào)節(jié)注射器擠出涂布器，但這些也受到總體處理量的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于將導(dǎo)電材料沉積在基底上的印刷方法。一方面，一種印刷方法包括提供印刷頭。該印刷頭包括閥門和至少一個(gè)孔口。流體從該孔口中以基本上連續(xù)的流噴射出來。該流體包括導(dǎo)電材料。該流體在基底上被沉積成圖案，以便形成導(dǎo)電沉積物。該圖案的至少一部分包括基本上直的線。另一方面，一種印刷系統(tǒng)包括印刷頭組件、流體供應(yīng)件、以及控制機(jī)構(gòu)。該印刷頭組件包括多個(gè)可單獨(dú)設(shè)置的模塊化印刷頭。每個(gè)模塊化印刷頭包括直徑小于100微米的孔口。該流體包括導(dǎo)電材料。該控制機(jī)構(gòu)控制來自所述孔口的流體流動。該印刷頭能夠?qū)⒘黧w從所述孔口中以基本上連續(xù)的流噴射出來，并且將該流體在基底上沉積成圖案以便形成導(dǎo)電沉積物。上述內(nèi)容是對本發(fā)明的概括性介紹，其并不存在限制本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的意圖。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式和優(yōu)點(diǎn)可通過參照隨后的詳細(xì)說明并結(jié)合附圖得以最好地理解。


圖1是印刷頭組件的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖； 圖2是印刷頭的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖； 圖3是光伏裝置的示意圖4是如實(shí)例2中所說明的顯示隨孔口尺寸而變的、所印刷的線寬度的一個(gè)圖； 圖5是如實(shí)例3中所說明的顯示對于不同的孔口尺寸而言隨溶劑粘度而變的沉積速率的一個(gè)圖6是如實(shí)例3中所說明的顯示對于單一粘度而言隨孔口尺寸而變的沉積速率的一個(gè)
圖；圖7是如實(shí)例4中所說明的顯示隨流體粘度而變的、所印刷的線寬度的一個(gè)圖； 圖8a顯示了光伏晶片上的、常規(guī)絲網(wǎng)印刷的銀線與通過本發(fā)明的方法印刷的線的對
比；
圖8b顯示了用常規(guī)壓電式印刷機(jī)印刷的線； 圖8c顯示了用常規(guī)壓電式印刷機(jī)印刷的線的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是參考附圖進(jìn)行描述的，其中相同的元件由相同的數(shù)字來指代。通過以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的各種元件的關(guān)系和作用將得以更好地理解。然而，如下描述的本發(fā)明實(shí)施方式僅是舉例的方式，本發(fā)明不受限于附圖中所例舉的這些實(shí)施方式。本發(fā)明提供了一種用含有導(dǎo)電材料的、基本上連續(xù)的流體流來在基底上印刷觸點(diǎn)的方法。本發(fā)明記載的方法對流體的物理性質(zhì)的要求與典型的噴墨印刷頭對其的要求相比是限制較少的，并且借助本發(fā)明的方法，可噴射的流體導(dǎo)電材料負(fù)荷的可能范圍更寬。例如，在光伏晶片上印刷給定的印刷跡線時(shí)，該方法可能要求僅僅兩個(gè)閥門運(yùn)動事件，即一個(gè)打開(連通)和一個(gè)關(guān)閉(切斷)。相比之下，噴墨方法對于每條跡線需要上千個(gè)液滴噴射事件。流體的噴射進(jìn)一步取決于在噴嘴孔口處形成的穩(wěn)定的彎月形，并且要求專門的流體以滿足用于適當(dāng)?shù)囊旱畏蛛x的流體動力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)顏料負(fù)荷增大時(shí)，這些問題總體上產(chǎn)生了差的印刷可靠性。此外，在實(shí)踐中，尚未實(shí)現(xiàn)過在對于噴墨印刷觸點(diǎn)的所要求的印刷負(fù)荷方面滿足這些要求。與典型的噴墨相比，用本發(fā)明的方法可能獲得的、更高的流體導(dǎo)電量使得能在單個(gè)印刷行程(pass)中得到所印刷的線具有更好電導(dǎo)率。該方法還提供了具有可接受的寬度以及較好光滑度的觸點(diǎn)，從而獲得所預(yù)期的電阻特性。在改進(jìn)太陽能電池的效率這個(gè)目的方面，印刷出具有所預(yù)期寬度的觸點(diǎn)的能力與減小電阻的可能性的相結(jié)合，使得該連續(xù)印刷方法相對于常規(guī)印刷技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的印刷方法在制造上具有其他的優(yōu)點(diǎn)。例如，該連續(xù)印刷方法是一種非接觸式方法，如此不用在相對易碎的晶片上施加壓力。這與常規(guī)使用的絲網(wǎng)印刷不同，在絲網(wǎng)印刷中當(dāng)橡皮滾子迫使糊劑穿過絲網(wǎng)中的開口時(shí)絲網(wǎng)被迫使與晶片接觸。后種方法經(jīng)常導(dǎo)致晶片斷裂。生產(chǎn)效率因晶片材料的損失和與從印刷臺清除破碎的晶片材料相關(guān)的生產(chǎn)線停工時(shí)間而受到不利影響。雖然不直接影響光電池效率，但生產(chǎn)線的停工時(shí)間減小了電池生產(chǎn)線的收益。因此，本發(fā)明的非接觸式印刷方法將能夠使用更薄的硅晶片，這將更大地節(jié)約成本。目前生產(chǎn)的晶片厚度(平均)為190微米。小于100微米的晶片在理論上是可能的，這取決于硅晶體的晶粒尺寸。工業(yè)上也愿意生產(chǎn)具有更薄輪廓的晶片以降低生產(chǎn)成本和減小太陽能電池板的重量。本發(fā)明的印刷方法使用印刷頭將流體施加到基底上。圖1示出了印刷頭組件20的一個(gè)實(shí)施方式。印刷頭20包括閥門(圖2中示出了其一個(gè)例子)和至少一個(gè)孔口 22，雖然典型地是多個(gè)孔口 22被使用?？卓?22可以按線性(linear)方式布置，如圖1中所示?？卓?22的其他排列也是有可能的，如交錯(cuò)的或?qū)蔷€的。每個(gè)孔口 22可以按串聯(lián)方式在一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)重復(fù)，因此孔口數(shù)目可以是十六，如圖1中所示，或任何其他可設(shè)想的數(shù)目， 這受單個(gè)閥門的尺寸限制。這多個(gè)孔口被布置在一種通常稱為印刷頭的結(jié)構(gòu)中。
相鄰孔口 22之間的間隔或間距可以等于所希望的收集器線的間隔或是其整數(shù)倍。相鄰孔口 22之間的間距沈優(yōu)選是小于或等于10 mm。該間距沈可以是小于或等于 8 mm、5 mm、4 mm、或2 mm。所得的晶片的單程間距可以通過使用多個(gè)印刷頭組件20來增大。例如，在來自第二印刷頭的孔口位于第一印刷頭的孔口之間的一半距離處的情況下，兩個(gè)印刷頭組件20的一種簡單的、交錯(cuò)的排列是有可能的。這種排列將提供以1 mm的間距來印刷線的能力。也可以按這種方式將多個(gè)印刷頭交錯(cuò)排列，從而得到低至小于(down to better than) 0. 03 mm的任何所希望的間距。流體從孔口 22中以基本上連續(xù)的流噴射出來。該流體包括導(dǎo)電材料。該流體流動優(yōu)選地受閥門機(jī)構(gòu)控制，該閥門機(jī)構(gòu)的特定實(shí)施方案在下面進(jìn)一步說明并且顯示在圖2 中。該閥門優(yōu)選地是在打開/接通與關(guān)閉/切斷狀態(tài)之間可機(jī)電地切換的。該印刷頭組件 20可以包括用于所有孔口 22的單個(gè)閥門，或者每個(gè)孔口 22可以單獨(dú)地用其自身的閥門來進(jìn)行控制?？梢詸C(jī)電地、電磁地或氣動地致動多個(gè)閥門。該密封機(jī)構(gòu)可以是任何常規(guī)的設(shè)計(jì)，包括螺絲、柱塞或基于閥瓣的機(jī)構(gòu)。現(xiàn)在返回到孔口 22的尺寸和構(gòu)型，該印刷頭的孔口 22優(yōu)選具有小于100微米的直徑。在某些實(shí)施方案中，孔口 22具有小于或等于70微米、45微米、或25微米的直徑。通過本印刷方法沉積的導(dǎo)電材料的線寬度很大程度上隨孔口而變，因?yàn)檫@些連續(xù)流具有大約與孔口直徑相同的標(biāo)稱寬度。不同于通過其他非接觸式方法所施加的離散的液滴(由于流體的表面張力而在空氣中鋪展開)，本方法的流在飛行中并不實(shí)質(zhì)性地鋪展開，直到該流撞擊基底表面為止?？卓?22優(yōu)選展現(xiàn)出0. 5與8之間的長徑比。該長徑比被定義為孔口深度除以孔口直徑。該長徑比更優(yōu)選地是在0.5與4.0之間。所希望的孔深度可以按多種方式實(shí)現(xiàn)； 艮口，它可以由金屬孔口板的厚度或者由紅寶石或陶瓷孔口材料的固有深度來控制。更高的長徑比一般以增大流動阻力為代價(jià)來提供更大的噴射直度。此外，常規(guī)的小液滴印刷高度地依賴于孔口品質(zhì)并且特別是噴射孔的出口邊緣的品質(zhì)。本印刷方法的連續(xù)流將能夠以較便宜的噴嘴孔來印刷這些連續(xù)的線。印刷頭組件20和相關(guān)的部件可以由任何適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)構(gòu)來控制，如常規(guī)的PC或直接整合到印刷機(jī)中的數(shù)字的或模擬的控制機(jī)構(gòu)。該流體在基底上被沉積成圖案以便形成導(dǎo)電沉積物。該圖案的至少一部分包括基本上直的線。該印刷方法能夠印刷出矢量(vector)兼容的圖案。常規(guī)的太陽能電池(如圖 3所示一個(gè)實(shí)例)被制造為具有一系列正面金屬化的導(dǎo)電觸點(diǎn)，這些觸點(diǎn)包括許多窄的收集器線40 (典型地寬度在100與250微米之間)以及若干具有更大寬度(典型地2 mm寬)的正交的匯流條50。一種典型的156 mm乘156 mm的太陽能晶片由60至80條收集器線和兩個(gè)或三個(gè)匯流條組成。如上所述的噴嘴間距的可擴(kuò)縮性使得這種方法能用于印刷，而在較窄的收集器線和較寬的匯流條二者的總體處理量方面無損失。例如，在這樣一個(gè)系統(tǒng)中， 可以提供兩種不同的噴嘴組件。在第一種組件中，具有與收集器線的間距相等的間距的噴嘴將沉積單個(gè)的跡線。在一個(gè)次級步驟中，通過以與匯流條的間距相對應(yīng)的間距設(shè)置的第二噴嘴組件、并且在使用多個(gè)交錯(cuò)的噴嘴的同時(shí)增大的噴嘴間距以覆蓋每個(gè)匯流條的2 mm 寬度，從而沉積這些匯流條。這個(gè)次級步驟將優(yōu)選地在第一步驟中的這些導(dǎo)電線被干燥和 /或燒結(jié)之前或之后與第一步驟同步(in-line)進(jìn)行。這將是所期望的，這些晶片在第二個(gè)
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過程中被轉(zhuǎn)向，使得可以平行于生產(chǎn)線的運(yùn)動而施加這些匯流條。然而，這些印刷頭可以被安裝在橫向臂上并且跡線一般可以垂直于生產(chǎn)線的運(yùn)動而被施加。施加在基底上的收集器線優(yōu)選具有小于或等于200微米的寬度。更優(yōu)選地，施加在基底上的線具有小于或等于100微米、小于或等于60微米、或小于或等于40微米的寬度。該收集器線一般具有高度(或厚度)要求，這個(gè)要求取決于線寬度(即，因?yàn)殡妼?dǎo)率是線的截面積的乘積)并且優(yōu)選是至少3微米、至少10微米、或至少20微米。本印刷方法使用了連續(xù)的流體流來沉積該導(dǎo)電材料，這產(chǎn)生了具有特殊光滑度的觸點(diǎn)。該線優(yōu)選地具有小于10毫歐姆/平方厘米、優(yōu)選小于5毫歐姆/平方厘米、并且最優(yōu)選小于2毫歐姆/平方厘米的薄層電阻最大值。所沉積的線由于這些連續(xù)流的性質(zhì)而基本上是直的，如圖8a中所示，該圖示出了在光伏晶片上的一條常規(guī)絲網(wǎng)印刷的銀線60，與通過本方法印刷的線70進(jìn)行比較。相比之下，常規(guī)的大液滴壓電噴墨(S卩，傳送80 pL的液滴尺寸)將按一系列重疊的、緊接的點(diǎn)來印刷線，如在圖8b中所示，該圖描繪了來自一個(gè)壓電印刷引擎的實(shí)際輸出。 這些重疊的點(diǎn)產(chǎn)生了粗糙的或有圓齒的邊緣，在圖8c中以A和B表示。所指的區(qū)域基本上用作電阻的節(jié)點(diǎn)，即電流通過量受到這些點(diǎn)之間的實(shí)際表面接觸作用(這在節(jié)點(diǎn)區(qū)域處不是最佳的)的限制。此外，液滴布置的誤差導(dǎo)致了這些線中的電缺陷。在孔口彎月形處該壓電泵送力對流體的作用固有地是一種無規(guī)則的物理擾動，在來自孔口表面的液滴的物理釋放中也是如此。因此，所印刷的液滴軌跡將位于從孔口中心至基底最短線性路徑周圍的一個(gè)錐形區(qū)域內(nèi)，并且沿著這個(gè)錐形表面的液滴的徑向位置將是不規(guī)則的。這種無規(guī)則的分布可以在使用明確限定的流體的正常情況下導(dǎo)致液滴布置的誤差，這些誤差高達(dá)所希望的線寬度的 10%。如在此描述的，所印刷的跡線還基本上不含與液滴相關(guān)的印刷缺陷，如飛濺和液滴拖尾，這是本領(lǐng)域中熟知的兩種現(xiàn)象。因此，可以改變持續(xù)的液體沉積速率而在品質(zhì)方面無退化，這對于在不同的驅(qū)動頻率下使用典型的DOD噴墨裝置是不可能的。飛濺具體地發(fā)生在大液滴的噴墨裝置中，其中液滴沒有被完全干燥并且隨后的重疊的或半重疊的液滴被印刷在頂部。印刷頭M (或印刷頭組件20)相對于基底的可得的單程線速度比常規(guī)的非接觸式技術(shù)明顯更快并且潛在地快于絲網(wǎng)印刷。單一孔口的流體流具有至少1.5 mg/s的沉積速率。優(yōu)選地，該沉積速率是大于或等于2 mg/s,5 mg/s,8 mg/s、或10 mg/s。一般要求在 1. 5 g/cc的流體密度下大約1. 5 mg/s的恒定速率，以便實(shí)現(xiàn)穿過圓柱形孔口的層流，假定孔口具有足夠的光滑度和均勻性。在上述持續(xù)的流速下的線速度將轉(zhuǎn)換為優(yōu)選至少50 mm/s、更優(yōu)選至少100 mm/s、 并且最優(yōu)選至少200 mm/s的單印刷頭線性速度。對于沉積1. 5 mg/s的銀墨料的具體實(shí)例，6英寸晶片的有效線性處理量將是至少約370晶片/小時(shí)。這些計(jì)算值假定了 100微米乘15微米高的跡線輪廓、在墨料中20%的導(dǎo)電金屬重量百分比、以及8克/cm3的恒定的密集固化的跡線密度。這個(gè)凈產(chǎn)率接近標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)印刷機(jī)的值?；趯θ鐚?shí)例中所示的這種方法所測量的沉積速率，這是一個(gè)保守的可能值并且使用這種光伏構(gòu)建方法的實(shí)際處理量將更高，這取決于所要求的電導(dǎo)率以及給定光伏晶片的線寬度。當(dāng)然，通過按要求同時(shí)(in-line)使用多于一個(gè)單一的印刷頭可以增大這個(gè)速率。也可以通過使用具有增大的銀含量的流體來增大速率。具有大于70%的銀重量百分比的流體是可行的。非接觸式方法的、在單個(gè)行程中以高速率并且以非常窄的間距(< 1 mm)進(jìn)行印刷的能力對于流印刷而言是獨(dú)特的。如在此描述的這些印刷頭是比噴墨印刷機(jī)更有成本效益的，因?yàn)樗鼈兛梢员辉O(shè)計(jì)為具有最小數(shù)目的必需孔口來在電池表面上印刷出所要求數(shù)目的跡線。最有用的、大液滴的常規(guī)噴墨印刷頭不能滿足目前的太陽能電池工藝所要求的沉積速率。例如，以典型的頻率(約10 kHz)運(yùn)行、傳送80皮升液滴的、工業(yè)上常見的壓電印刷頭 (ialaxy或Nova系列在穩(wěn)態(tài)條件下僅以每個(gè)噴嘴約1. 2 mg/s的速率沉積流體。使用與以上相同的對于墨料負(fù)荷、固化的跡線密度以及跡線尺寸的假設(shè)，總的處理量將是約四4晶片/ 小時(shí)或小于本方法可實(shí)現(xiàn)的最小速率的一半。更小的液滴體積的噴墨頭在理論上可以傳送足以用于高的單程處理量的流體體積。例如，在20 nL的等級上傳送液滴的印刷頭將需要在40 kHz的持續(xù)印刷速率下工作以傳送1.5 mg/s。以此頻率的一半運(yùn)行(這是更可行的)時(shí)，將要求印刷頭多次重復(fù)掃描相同的線位置以建立這條線。典型地布置在整體的線性陣列中的噴墨噴嘴不容易對此目的進(jìn)行優(yōu)化。氣溶膠類型的印刷機(jī)(如美國專利20090061077中所述)在流體沉積速率方面由于非常小的液滴(僅數(shù)十個(gè)飛升的大小)而固有地受限。與本發(fā)明相比，可從Optomec商購的系統(tǒng)僅傳送每個(gè)噴嘴0.5 mg/s的量級。它們在單程的、窄間距的應(yīng)用中工作的能力進(jìn)一步受到限制，其中霧化的液滴被氣態(tài)鞘引導(dǎo)至基底。當(dāng)噴嘴間距減小時(shí)，來自一個(gè)噴嘴的氣態(tài)鞘最終與從相鄰噴嘴發(fā)射出的霧化的液滴相互作用。因此，使用這種技術(shù)來設(shè)計(jì)一種可以非常近地同時(shí)印刷多條線的系統(tǒng)是固有地困難的。高壓分散型印刷機(jī)，如美國專利申請20100055^9中所披露的從nScrypt Corporation可得到的那些，也可以用一種以非常精細(xì)地控制分配器至基底的偏置距離的非接觸式方式進(jìn)行沉積。這些系統(tǒng)可以潛在地使用多個(gè)噴嘴；但它們依賴于非常高的壓力來傳送具有較高銀(即，〉75的重量百分比)負(fù)荷和粘度(> 200 cp)的墨料。在此披露的系統(tǒng)將通過實(shí)現(xiàn)孔口層流而具有更大的凈處理量。如果采用更低粘度的、攜帶了高負(fù)荷銀的墨料，則可以進(jìn)一步增大處理量。在此描述的印刷方法已被證實(shí)是提供了具有類似于絲網(wǎng)印刷的寬度的跡線并且將提供甚至更窄的寬度，這將能得到增大的光電池效率。絲網(wǎng)印刷本身沒有在實(shí)踐中證明是產(chǎn)生非常窄的線(即，小于100微米)的一種有效手段。在絲網(wǎng)印刷中，隨著模板中的空隙被減小，推動墨料穿過絲網(wǎng)的網(wǎng)眼是愈加困難的。絲網(wǎng)的拉伸也變成一個(gè)更大的問題，這導(dǎo)致與絲網(wǎng)報(bào)廢相關(guān)的成本增大。用于太陽能電池的現(xiàn)有技術(shù)具有約15%的轉(zhuǎn)換效率，這僅是理論最大值的大約一半，一部分是由于這些觸點(diǎn)的遮蔽效應(yīng)。對于完全消除了正面觸點(diǎn)柵極的太陽能電池設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)22%的效率。在效率上僅百分之幾的改進(jìn)是顯著的并且大大增加了電池在其20-30年的預(yù)期壽命內(nèi)的總的功率輸出。減小收集器線和匯流條的寬度減小了在電池的、收集光的一側(cè)上被遮蔽的面積并且改進(jìn)了其總效率。在一個(gè)實(shí)施方案中，流體在印刷頭組件20中被維持在一個(gè)固定的、所希望的溫度下。該連續(xù)流是處于基本上相同溫度的一種液體流。已熟知的是，一種液體的溫度大大影響其流動特性，尤其是黏度，因此一般希望控制該流體的溫度。高達(dá)100° C的操作溫度對于噴射組件是優(yōu)選的，這取決于所印刷的流體的揮發(fā)性和沸點(diǎn)。在40° C，噴射黏度將比在 25° C時(shí)小約50%?？卓谂c基底之間的拋射距離典型地在3與6 mm之間，但由于該流束的固有動量也可以大于6 mm。若必須的話，拋射距離還可以小于3 mm，例如用于改進(jìn)布局的精確性。該流體可以通過外部源被加壓至10 psi或更大?？卓谔幍膲毫赡軄碜詥我患訅涸?即，單個(gè)泵)或來自多個(gè)加壓源(即，每個(gè)孔口一個(gè)加壓源或每個(gè)印刷頭一個(gè)加壓源)。在圖1中， 對于印刷頭組件20，這些單獨(dú)的孔口 22可以具有離散壓力源和/或流體進(jìn)料通道。在印刷頭組件20中，這些單獨(dú)的模塊化印刷頭對可以具有獨(dú)自的或組合的壓力和流體系統(tǒng)。在優(yōu)選的系統(tǒng)中，印刷速度(即，沉積速率與基底線速度之間的差值速率)、印刷溫度以及傳送壓力將是可調(diào)節(jié)的，以使處理量最大化并且控制線特征的尺寸。以流束進(jìn)行印刷被認(rèn)為總體而言是比以標(biāo)準(zhǔn)的按需噴出(DOD)噴墨裝置進(jìn)行印刷更可靠的。所印刷的流束可以間歇地運(yùn)行，即通過這些閥門來控制以便按需要而印刷到單獨(dú)的晶片或多組晶片上。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，每個(gè)孔口處的閥門將防止流體干燥成固體形式，這樣使得可以可靠地啟動和停止噴射。用于實(shí)現(xiàn)類似的啟動可靠性的一種替代方法將包括作為該系統(tǒng)一部分的一個(gè)印刷頭加帽站(capping station)用于防止干燥。該印刷頭可以包括任何適當(dāng)?shù)摹㈤y門控制的連續(xù)流印刷頭機(jī)構(gòu)。一種適當(dāng)?shù)挠∷㈩^的一個(gè)實(shí)施方案在圖2中示出并且描述于美國專利號7，331，654B2中。類似的印刷頭是從 Videojet Technologies Incorporated 作為 Videojet P16 印刷頭或在 Videojet 1120 微閥噴射印刷機(jī)中使用的印刷頭而可商購的。圖2的閥門包括一個(gè)柱塞1，它是帶軸頸的， 按照緊密的自由滑動配合而用于在一個(gè)不銹鋼管2中的軸向往復(fù)運(yùn)動。管2具有在其外面上形成的一個(gè)薄的絕緣涂層或套管(未示出)并且支撐了纏繞在其上的一個(gè)線圈3。線圈3 由一個(gè)電源(未示出)供給電流，該電源處于計(jì)算機(jī)或其它電子控制器(未示出)的控制下。 一個(gè)停止件4被安裝在管2的近端處以限制柱塞1在管2內(nèi)的軸向往復(fù)運(yùn)動。線圈3被封閉在一個(gè)金屬圓柱形殼體5中。上述印刷頭被安裝在一個(gè)支撐殼體10中，該殼體在軸向上越過線圈3的遠(yuǎn)端而延伸并且具有一個(gè)橫向端壁11，該端壁攜帶了一個(gè)寶石噴嘴12。在圖2所示的實(shí)施方案中， 殼體10具有一個(gè)軸向延伸的內(nèi)部環(huán)形壁13，該環(huán)形壁形成了該閥門頭腔室14的徑向壁，該柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入該腔室之中。柱塞1的遠(yuǎn)端攜帶了一個(gè)終端橡膠或其它密封墊片15， 它以密封接合的形式放置在寶石12的近端面上。一個(gè)預(yù)張緊的錐形彈簧16使柱塞1偏置進(jìn)入與寶石面的密封接合中，如圖1中所示，即休止或閥門關(guān)閉的位置。除先前描述的紅寶石噴嘴之外其它種類的孔口是有可能的，包括由整體板形成的噴嘴，包括(但不限于)不銹鋼、硅、聚酰亞胺、以及類似物。除紅寶石外其它類型的陶瓷也是有可能的?？卓诳梢酝ㄟ^本領(lǐng)域已知的所有手段來構(gòu)造，包括燒蝕/鉆孔(EDM、激光、等)或通過由一種模板進(jìn)行電鑄。通過本領(lǐng)域熟知的MEMS制造方法構(gòu)造的孔口和流體系統(tǒng)對本發(fā)明也是有用的，特別是當(dāng)目標(biāo)孔口尺寸低于約40微米時(shí)。后者可以提供非常光滑的、精整的噴嘴，這將能得到穿過小孔口的可持續(xù)流速。孔口可以是圓柱形的或錐形的。它們也可以是非圓形的，即，方形的并且因此具有四邊形的形狀。柱塞1優(yōu)選是由具有1. 6特斯拉的飽和通量密度的鐵磁性合金制成，如坡莫諾姆合金5000或類似的、軟磁的鐵磁性合金。為了減小柱塞1的質(zhì)量，它可以具有從其遠(yuǎn)端延伸的一個(gè)內(nèi)部盲孔。還希望的是柱塞1具有小于3 mm、典型地約1 mm的直徑、以及約5 1的長度與直徑之比(1 d)。例如，圖2中所示的寶石噴嘴中的孔具有在3. 5與4. 5之間的1 d之比，并且該噴嘴孔口具有在25與100微米之間的直徑。流體在壓力下被進(jìn)料至圍繞壁13的流體廊道17并且經(jīng)由多個(gè)徑向端口 18進(jìn)入閥門頭腔室。當(dāng)柱塞處于圖2中所示的休止位置時(shí)，墊片15與寶石噴嘴12的面是密封接合的并且因此防止了流體流經(jīng)噴嘴孔口。為了增強(qiáng)墊片15與寶石12之間的密封，寶石12 的近面可以配備有一個(gè)或多個(gè)凸起的環(huán)形密封肋材(未示出)。這樣一個(gè)閥門可以在從低于1 kHz到高于8 kHz的頻率下運(yùn)行，以便通過控制線圈3中的電流流過的長度以及此電流脈沖被施加給線圈的頻率而產(chǎn)生出在20至150微米或更大的尺寸范圍內(nèi)的、尺寸如一的小液滴。該閥門也可以在一種連續(xù)的開放位置中運(yùn)行以提供從孔口 22噴射出的連續(xù)的流體流。如上指明的，印刷頭20優(yōu)選包括多個(gè)孔口 22的一個(gè)陣列，這些孔口在橫向上延伸到這些導(dǎo)電線有待被印刷在其上的基底的行進(jìn)線。該流體包括導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料被沉積在該基底上以便形成導(dǎo)電沉積物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該導(dǎo)電材料包括銀顆粒。這些銀顆?？梢园磸纳系较碌姆绞?即，物理研磨的)或者通過按自下而上的途徑(如從鹽溶液的還原沉淀)來生產(chǎn)。使用那些用來生產(chǎn)納米顆粒的常規(guī)方法(包括熱升華和火焰熱解)中的任何一種，可以進(jìn)一步以納米顆粒的形式提供這種顆粒。該流體包括一種適當(dāng)?shù)娜軇?。被認(rèn)為是合適的溶劑包括水；醇類；酮類；酯類；醚類；二醇醚類；呋喃類；胺類；鄰苯二甲酸酯類；檸檬酸酯類；吡咯烷酮類；二醇類；碳酸酯類；脂肪族或芳香族烴類；以及油類。在一個(gè)實(shí)施方案中，該流體包括在25° C與300° C 之間的范圍內(nèi)實(shí)質(zhì)上是揮發(fā)性的一種溶劑，如甲基乙基酮；丙酮；乙醇；異丙醇；甲醇；醋酸乙酯；醋酸異丙酯；丙酸正戊酯；二醇醚類如丙二醇單甲醚；乙二醇單丁基醚；二乙二醇單丁基醚；丙二醇單丙基醚；正甲基吡咯烷酮；甘油醚乙酸酯，如丙二醇單甲醚乙酸酯；乙二醇單丁基醚乙酸酯；二乙二醇單丁基醚乙酸酯；丙二醇單丙基醚乙酸酯；或水。除列出的這些之外的其他溶劑也是有可能的。該流體可以包括分散劑以保持這些顆粒懸浮，它可以物理地結(jié)合到導(dǎo)電顆粒上。 該流體還可以包含表面活性劑，它們可以通過與基底的相互作用而限制鋪展。該流體可以進(jìn)一步包括有機(jī)粘合劑，包括但不限于纖維素衍生物、聚乙烯衍生物、以及類似物。該流體可以具有在25° C使用起泡法測得的在約22與73達(dá)因/cm之間的表面張力。為了使得流體能夠在目前的應(yīng)用中工作，該流體可以包括以下的任何一種作為組分(作為離散添加劑，或作為以上列出的組分一部分提供)玻璃或鉛玻璃料(作為助黏附劑和/或減反射層燒穿劑)；改進(jìn)可焊性的添加劑；或提升接觸阻抗的摻雜劑(即，含磷化合物)。該流體的導(dǎo)電材料組合物的范圍可以是在約10與80重量百分比之間。該流體可以具有從約1至約5克/立方厘米的流體密度。當(dāng)使用布氏粘度計(jì)測量時(shí)，該流體在噴射溫度下可以具有在約1. 5與300厘泊(cp)之間的粘度。在室溫下，該流體可以是稠的但可傾流的(即，〉300 cp)，或?qū)嵸|(zhì)上是固體(即，蠟基熱熔墨料)并且僅在加熱過的印刷頭中達(dá)到噴射粘度。在后者的情況下，該流體可以包括一種半固體載體例如，一種長鏈的(脂肪) 醇或酸。這個(gè)粘度范圍實(shí)質(zhì)性地寬于典型的噴墨，例如，噴墨在噴射溫度下具有典型的小于30 cp的粘度上限。將在其上進(jìn)行印刷的基底是一個(gè)光伏電池的部件。該基底總體上包括一種半導(dǎo)體材料并且可以是單晶的、多晶的、無定形的或基于薄膜的?；诒∧さ幕卓赡芤呀?jīng)首先通過其他溶液印刷技術(shù)或物理沉積而被施加到一個(gè)主要支撐薄片上。該基底可以包括來自IV 族的半導(dǎo)體或者來自III/V族半導(dǎo)體的組合。IV族半導(dǎo)體的實(shí)例是硅和鍺。III/V族半導(dǎo)體的實(shí)例包括鎘/碲化物和砷化鎵。這些III/V族基底的混合形式也是有可能的，如hfe/ Po該基底可以涂覆有一個(gè)包括對UV/可見光透明的無機(jī)材料的阻擋層。常見的阻擋層是打02或氮化硅(SixNy)。其他組合物是有可能的。在印刷點(diǎn)處存在一個(gè)阻擋層的情況下，本印刷方法允許以下的這種常規(guī)的可能性，即印刷到阻擋層上接著隨后進(jìn)行燒穿以便與下面的硅相接觸。這種方法還允許用其他手段來形成與硅的電接觸，例如，通過在印刷流體之前將該阻擋層進(jìn)行化學(xué)或物理蝕刻(即，ND YAG激光)。該導(dǎo)電沉積物可以在足夠高到使銀顆粒熔融到一個(gè)基本上連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)中的溫度下進(jìn)行熱燒結(jié)之后產(chǎn)生。一般，對于銀采用在約120° C與1000° C之間的燒結(jié)溫度，這取決于銀的平均粒徑。該基底可以在印刷之前或在接觸式印刷之時(shí)被加熱或冷卻。該基底溫度的范圍可以是從-70° C至200° C的任何一個(gè)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，使用一個(gè)加熱過的基底來引發(fā)在與流束接觸時(shí)揮發(fā)性溶劑的蒸發(fā)。當(dāng)在那些于高達(dá)約150° C溫度的熱板上被預(yù)熱的基底上進(jìn)行印刷時(shí)，實(shí)現(xiàn)了所印刷的跡線方面30%至50%的減小。以這種方式加熱基底還減小了目前采用的生產(chǎn)步驟的數(shù)目，因?yàn)槟壳暗墓に囈笤诮z網(wǎng)印刷之后進(jìn)行一個(gè)干燥步驟。還可能有利的是，冷卻該基底以便進(jìn)一步減小該流體的鋪展?？梢栽谑┘恿黧w之前或之后在基底上進(jìn)行另外的處理。例如，本領(lǐng)域中已知，該基底的化學(xué)預(yù)處理可以抑制流體在沉積之后的鋪展?？傮w上，表面活性劑或鹵化的聚合物可能是合適的。鹵代烴的例子包括用作可以由包括氟化烴或全氟聚醚的溶劑澆注而得到的阻擋薄膜的那些，如從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)。適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┑睦影ǘ坠栌秃途酆系挠袡C(jī)娃，如從 Dow Corning Corporation^ General Electric Corporation、或 Momentive Specialty Products Corporation 可得至Ij白勺面β些。這些收集器線典型地是基本上直的并且與正交排列的匯流條線是平行的。然而在最一般的情況下，這些導(dǎo)電觸點(diǎn)可以根據(jù)希望按任意圖案來印刷以增大太陽能電池的效率。對于可以印刷的具體圖案無限制。除了正面負(fù)極觸點(diǎn)之外，本方法對于將正極觸點(diǎn)印刷到電池的背面也是實(shí)用的。 它對于在電池沒有正面觸點(diǎn)的情況下將負(fù)極觸點(diǎn)印刷到電池背面也是有用的。實(shí)例
實(shí)例1. 使用微閥噴射印刷頭得到光滑連續(xù)的線的例證
印刷了非導(dǎo)電流體以證實(shí)在此描述的印刷方法可以提供具有良好的均勻性以及在應(yīng)用所要求的等級的線寬度的、基本上直的線。制備了一種黑墨，其組成為甲基乙基酮 (MEK) 46. 5% (按重量計(jì));硝化纖維素溶液50% (按重量計(jì))(含36%的固體硝化纖維素);油溶黑(Valifast black) 3808為3% (按重量計(jì))(為了顯示印刷的線的顏色)以及SilwetL7622為0.5% (按重量計(jì))并且將其根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行過濾。將該墨料稀釋至25° C粘度為5.0 cp。使用一個(gè)Videojet P16微閥印刷頭來印刷該墨料，該印刷頭包含十六個(gè)可單獨(dú)設(shè)置的閥門并且使用了外部加壓的空氣源。通過將這些閥門保持在其打開位置而實(shí)現(xiàn)的連續(xù)流動的墨料流被引導(dǎo)朝向一個(gè)基底，并且通過使該基底穿過印刷頭下方而將墨料沉積在基底上。將基底速度近似控制在約1500 mm/秒。使用一個(gè)45微米孔口板以及30 psi的控制器壓力來印刷玻璃基底，產(chǎn)生了窄至約200微米的、用顯微鏡測量的線寬度。這些線的邊緣銳度是非常好的并且在8倍或更好的放大倍率下與商業(yè)上的光伏電池的絲網(wǎng)印刷樣品一樣好或更好。實(shí)例2. 對于微閥噴射印刷頭而言在不同孔口尺寸下鋪展因子的例證將實(shí)例1描述的非導(dǎo)電墨料印刷到一個(gè)粗糙的陶瓷基底上。使用Videojet P16印刷
頭，使用了孔口尺寸為60和45微米的多個(gè)噴嘴板并且將壓力控制為剛好大于實(shí)現(xiàn)良好層流所要求的最小值(10至30 psi)。此外，使用來自一臺Videojet 1120微閥噴射印刷機(jī)的印刷頭，它具有30微米的孔口尺寸。在此情況下使用與實(shí)例1相同的墨料但用溶劑稀釋至在25° C下為3.7 cp。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)在室溫下印刷到基底上時(shí)，不同的孔口尺寸產(chǎn)生了具有不同寬度的線。圖4示出了隨孔口尺寸而變的線寬度。如果將印刷的線與孔口直徑之比視為鋪展因子，則在此情況下可以看到，對于孔口下限(30微米)而言大約4至5的因子是正常的。實(shí)例3. 最小流速測定
將常規(guī)地在Videojet單噴嘴連續(xù)噴墨(CIJ)印刷機(jī)中使用的單噴嘴針對在此的用途進(jìn)行適配，以便確定流速限制與用于所印刷的流的孔口尺寸的對比。如實(shí)例1中描述的，使用一個(gè)加壓的源；然而，在CIJ噴嘴的情況下，使用了在流動方向上位于噴嘴后方的一個(gè)單一機(jī)械閥門來控制到達(dá)噴嘴的流動。流體壓力維持在40 psi。在一種典型的測量中，通過在一分鐘內(nèi)將墨料收集在一個(gè)盤中并稱量這個(gè)盤來確定累積的墨料的質(zhì)量而對流速進(jìn)行評估。用流體的密度將這個(gè)質(zhì)量轉(zhuǎn)換成體積。使用了直徑為36、53和80微米的多個(gè)孔口， 每個(gè)具有接近1的長徑比。使用不同的流體來測試一個(gè)粘度范圍，其中包括如下表1中所示的多種純?nèi)軇?即，MEK、乙二醇、等)。
權(quán)利要求
1.一種印刷方法，包括提供一個(gè)印刷頭，該印刷頭包括閥門和至少一個(gè)孔口 ；將流體從該孔口以基本上連續(xù)的流噴射出來，其中該流體包括導(dǎo)電材料；并且將該流體在基底上沉積成圖案以便形成導(dǎo)電沉積物，其中該圖案的至少一部分包括基本上直的線。
2.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中將該流體的供應(yīng)在該印刷頭中維持在一個(gè)溫度下，其中該連續(xù)的流是處于基本上相同溫度的液體流。
3.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該流體具有在噴射溫度下使用布氏粘度計(jì)測得的在2與300 cp之間的粘度。
4.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該導(dǎo)電材料是銀。
5.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該流體被外部加壓到10psi或更大。
6.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該閥門是在出流與斷流狀態(tài)之間可切換的。
7.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該孔口具有在0.5與8之間的長徑比。
8.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該流體包括在25°C與300°C之間的范圍內(nèi)實(shí)質(zhì)上具有揮發(fā)性的溶劑。
9.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中權(quán)利要求1中的該導(dǎo)電沉積物是在熱燒結(jié)之后產(chǎn)生的。
10.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該印刷頭的孔口具有小于或等于70微米的直徑。
11.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該基底包括硅。
12.如權(quán)利要求11所述的印刷方法，其中該硅涂覆有包括TiO2或氮化硅(SixNy)的阻擋層。
13.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該基底是光伏電池的部件。
14.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該線具有小于200微米的寬度。
15.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該線具有至少3微米的高度。
16.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該線具有小于10毫歐姆/平方厘米的薄層電阻最大值。
17.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該流體流具有至少1.5 mg/s的沉積速率。
18.如權(quán)利要求1所述的印刷方法，其中該印刷頭包括多個(gè)孔口，其中相鄰孔口之間的間距是小于或等于10 mm。
19.一種用于將導(dǎo)電材料沉積在基底上的方法，包括提供印刷頭組件，該印刷頭組件包括多個(gè)可單獨(dú)設(shè)置的模塊化印刷頭，其中每個(gè)模塊化印刷頭包括孔口，其中該孔口具有小于100微米的直徑；將流體從這些孔口以基本上連續(xù)的流噴射出來，其中該流體包括導(dǎo)電材料；將該流體在半導(dǎo)體基底上沉積成圖案以便形成導(dǎo)電沉積物，其中該圖案的至少一部分包括多條基本上平行的直線。
20.如權(quán)利要求19所述的印刷方法，其中這些線之間的間隔是小于10mm。
21.如權(quán)利要求19所述的印刷方法，其中該印刷頭中這些孔口各自受一個(gè)可單獨(dú)設(shè)置的閥門所控制，其中相鄰孔口之間的間距是小于或等于10 mm。
22. —種印刷系統(tǒng)，包括印刷頭組件，該印刷頭組件包括多個(gè)可單獨(dú)設(shè)置的模塊花印刷頭，其中每個(gè)模塊化印刷頭包括孔口，其中該孔口具有小于100微米的直徑； 流體供應(yīng)件，其中該流體包括導(dǎo)電材料；以及控制機(jī)構(gòu)，用于控制來自這些孔口的流體流動；其中該印刷頭能夠?qū)⒘黧w從該孔口中以基本上連續(xù)的流噴射出來并且將該流體在一個(gè)基底上沉積成圖案以便形成導(dǎo)電沉積物。
全文摘要
一種印刷方法包括提供、印刷頭。該印刷頭包括閥門和至少一個(gè)孔口。流體從該孔口中以基本上連續(xù)的流噴射出來。該流體包括導(dǎo)電材料。該流體在一個(gè)基底上沉積成圖案以便形成導(dǎo)電沉積物。該圖案的至少一部分包括基本上直的線。
文檔編號B41J29/38GK102458863SQ201080025553
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者凱文·庫埃斯特, 約翰·佛爾克斯, 麥克爾·科濟(jì) 申請人:錄象射流技術(shù)公司