CN102290118A - 一种电子银浆及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子银浆及其制备工艺,属于生产电子陶瓷元器件、厚膜混合电路和触摸元件等基础材料的技术领域。电子银浆由将4%~9%的玻璃粉、63%~80%的银粉、12%~28%的有机载体、0.2%~2%的添加剂,经搅拌混合、滚扎、分散、研磨,再加入重量百分比1%~2%硬脂酸铋搅拌均匀,筛网过滤得电子银浆。本发明的玻璃粉体系不含有铅,对银粉的最小粒径和形状无苛刻要求;特别适用于大批量生产的晶体硅太阳能电池硅基板的太阳能电池正面电极,具有优良的电性能和机械性能。

Description

一种电子银浆及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种电子银浆及其制备工艺,主要应用于太阳能光伏发电技术技术领域。通过调整本发明的配比,本发明也可以用于生产电子陶瓷元器件、厚膜混合电路和触摸元件等基础材料技术领域。
背景技术
电子银浆是制造与开发电子元器件、厚膜混合电路和触摸元件的基础材料,其应用最为广泛、最具前途的产品是应用于太阳能光伏发电技术的电子银浆;太阳能光伏发电作为太阳能利用中最具意义的技术,成为世界各国竟相研究应用的热点。最近10年以每年平均30%的速度递增,最近3年更是以每年50%以上的速度高速增长。太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。目前,光伏发电中的晶体硅太阳能电池由于转换效率较高、生产工艺成熟,一直是太阳能发电的主体力量。晶体硅太阳能电池的基本结构由P型硅基板,N型层,减反射膜,正面银电极,铝背场电极和背面银电极组成。它的主要制作过程是P型硅基材通过制绒在硅表面形成一层金字塔绒面,用三氯氧磷气相沉积在硅片表面形成一个PN结,化学气相沉积(PECVD)一层Si3N4防反射膜,印刷背面电子银浆,烘干,成背面银电极;印刷背面铝浆,烘干成铝背场电极,印刷正面电子银浆高温烧结成正面银电极。其中正面银电极使用的正面电子银浆技术是本发明的重点。
在晶体硅太阳能电池中,要获得最大的受光面积的情况下导电性要好,最大程度的把硅片产生的电能输出来,这就要求正面电子银浆的触变性好,能印出高宽比大的栅线,烧结后开路电压大,串联电阻小,并联电阻大等。并且还要遵循欧盟的RoHS指令(不含Pb、Cd、Hg、Cr(VI)、多溴联苯PBB、多溴联苯醚PBDE)及欧盟RoHS关于邻苯二甲酸酯的指令2005/84/EC的行业的环保标准。
现有技术的太阳能电池正面电极用电子银浆主要由有机载体、银粉、玻璃粉和添加剂所组成。如:2009年12月23日中国发明专利公开号CN 101609850A,所公开的“太阳能电池正面电极用无铅银导体浆料及其制备工艺”,该浆料包括占总重为65%~85%的银粉、占总重为2%~8%的无铅玻璃粉、占总重为10%~25%的有机载体和占总重为0.1%~3%的添加剂。其中,无铅玻璃粉采用Si-B-Bi-Al-Ti-Zn-O体系,粒度范围为1~8um;有机载体包括有占载体总重65%~85%的机溶剂、占载体总重5%~15%的增稠剂、占载体总重1%~10%的表面活性剂和余量稀释剂;其中有机溶剂为松油醇、柠檬酸三丁酯、松木油或卡必醇之一种或任意多种的混合物;增稠剂为乙基纤维素、丙烯酸酯或硝基纤维素之一种或任意多种的混合物;表面活性剂为硬脂酸盐;稀释剂为乙醇、醋酸盐或萜烯;所述的添加剂为粒度范围为1~5μm的树脂酸锌。该专利由于无铅玻璃粉软化温度在450℃~600℃,对银粉的最小粒径和形状提出了苛刻要求。对大批量生产的晶体硅太阳能电池硅基板电性能和机械性能不利。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子银浆及其制备工艺,其中的玻璃粉体系不含有铅,以满足环保的要求。且该体系玻璃粉具有较低的软化点,对银粉的最小粒径和形状无苛刻要求;特别适用于大批量生产的晶体硅太阳能电池硅基板的太阳能电池正面电极,具有优良的电性能和机械性能。
本发明所需要解决的技术问题,可以通过以下技术方案来实现:
一种电子银浆及其制备工艺,电子银浆由银粉、经工艺加工合成的玻璃粉、有机载体和添加剂组合配制而成,其特征在于:组合配制过程中加有分散剂;上述各组分的重量百分比如下:
银粉63%~80%,玻璃粉4%~9%,有机载体12%~28%,添加剂0.2%~2%,分散剂1%~2%;
所述的银粉的颗粒为2μm以下,形态不限;
所述的玻璃粉为硼-铋-硅-铝-锡-铌-钛硅酸盐体系,由B2O3、Bi2O3、SiO2、Al2O3、SnO2、Nb2O5、TiO2原料经工艺加工合成,各组分的重量百分比如下:
B2O3 2%~22%,Bi2O3 20%~30%,SiO2 10%~20%,Al2O3 2%~12%,SnO2 18%~25%,Nb2O5 7%~15%;TiO2 2%~8%;
所述有机载体是由丁基纤维素、或硝化纤维素、或丙烯酸酯作为溶质溶于溶剂中形成的一种粘稠液体,溶剂为邻苯二甲酸二丁酯、或乙二醇单丁醚醋酸酯、或辛醇;有机载体的黏度用溶质的质量份数来调节;所述有机载体中溶质和溶剂的重量比为1∶5;
所述的添加剂为La2O3粉体;颗粒为5μm以下;
所述分散剂是硬脂酸铋;硬脂酸铋的化学结构式为BiO(C18H35O2),分子量508.5;白色极小粉末,颗粒为2μm以下;
所述电子银浆的制备工艺,包括以下步骤:
(1)制备玻璃粉
按照上述玻璃粉的原料组成及其质量百分比称重;混合均匀后置于坩埚中加热,热熔温度控制范围:800~1000℃,保温时间:20~25分钟,将熔化后的玻璃粉末颗粒使用去离子水淬火后,球磨至1~2μm;经300~400目过筛得玻璃粉,实测该玻璃粉的膨胀系数为62×10-7~70×10-7/K;
(2)制备有机载体
按照重量比,将1份丁基纤维素、或硝化纤维素、或丙烯酸酯加入到5份邻苯二甲酸二丁酯、或乙二醇单丁醚醋酸酯、或辛醇的溶剂中,加热到90~120℃充分搅拌至溶质完全溶解后,再放在85℃的恒温水浴锅中进行搅拌,搅拌时间为60~90min;经250~325目筛网过滤得有机载体;
(3)制备电子银浆
按重量百分比,将4%~9%的玻璃粉、63%~80%的银粉、12%~28%的有机载体、0.2%~2%的添加剂在搅拌机里混合均匀,再在三辊机上反复滚扎、分散、研磨至用刮板细度计测定细度为5μm以下,且用粘度仪测定粘度为100-300Pa.s时;再加入重量百分比1%~2%硬脂酸铋搅拌均匀,最后经325~400目筛网中过滤即得电子银浆。
与现有技术相比,本发明具有以下创新点和技术效果:
①本发明的电子银浆用玻璃粉组分中的主要成分Bi2O3和SnO2,均是低熔点氧化物,经烧结所产生的锡铋合金使整个玻璃粉体系的玻璃化温度降低,软化点降低;实测软化点温度为400~450℃。本发明引入Nb2O5,还能有效降低玻璃粉的熔点,在硅太阳能电池的烧结曲线周期中很短的高温段就能够快速达到熔融状态。
②本发明加入1%~2%硬脂酸铋,对有机载体能产生很好的弥散性,可以大大改善了电子银浆的塑性,流平性和印刷性。
③本发明玻璃粉中引入一定量的TiO2与SnO2一起烧结,TiO2的SnO2在玻璃粉中还起到晶核剂的作用,使得在硅和电极界面上玻璃相产生微晶,由于玻璃相微晶化,溶解银在玻璃相中过饱和度增大,析出的结晶银数量增加,接触电阻变小。同时由于玻璃相的微晶化,提供了更多的界面,增加了导电的接触点和隧道效应,减少了电极与硅基体的接触电阻,增加了光转化效率;
④本发明通过添加0.2%~2%的La2O3利用了La2O3的高催化特性,增加了银粉在玻璃相中的溶解活性,并使玻璃相的微晶在硅表面产生一个“钉扎”作用,使烧制的电子银浆导体栅线和硅片表面的附着力增强,电池正面电极的剥离机械强度提高,而且电池的填充因子FF增大。
⑤本发明采用完全无铅的配方,制备的电子银浆不含欧盟RoHS指令所禁止的六项物质(Pb、Cd、Hg、Cr(VI)、多溴联苯PBB、多溴联苯醚PBDE)及符合欧盟RoHS关于邻苯二甲酸酯的指令2005/84/EC,做到了真正意义上的环保,有利于国产太阳能电池的国际化。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段易于明白了解,下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
一种电子银浆及其制备工艺,电子银浆由银粉、经工艺加工合成的玻璃粉、有机载体和添加剂组合配制而成,组合配制过程中加有分散剂;上述各组分的重量百分比如下:
银粉65%,玻璃粉9%,有机载体24%,添加剂1%,分散剂1%;
所述的银粉的颗粒为2μm以下,形态不限;
所述的玻璃粉为硼-铋-硅-铝-锡-铌-钛硅酸盐体系,由B2O3、Bi2O3、SiO2、Al2O3、SnO2、Nb2O5、TiO2原料经工艺加工合成,各组分的重量百分比如下:
B2O3 2%,Bi2O3 30%,SiO2 19%,Al2O3 2%,SnO2 25%,Nb2O5 14%,TiO2 8%;
所述有机载体是由丁基纤维素溶于邻苯二甲酸二丁酯辛醇中形成的一种粘稠液体,有机载体的黏度用丁基纤维素的质量份数来调节;所述有机载体中丁基纤维素和邻苯二甲酸二丁酯辛醇的重量比为1∶5;
所述的添加剂为La2O3粉体;颗粒为5μm以下;
所述分散剂是硬脂酸铋,颗粒为2μm以下;
一种电子银浆的制备工艺,包括以下步骤:
(1)制备玻璃粉
按照上述玻璃粉的原料组成及其质量百分比称重;混合均匀后置于坩埚中加热,热熔温度控制范围:800~1000℃,保温时间:20~25分钟,将熔化后的玻璃粉末颗粒使用去离子水淬火后,球磨至1~2μm;经300~400目过筛得玻璃粉,实测该玻璃粉的膨胀系数为70×10-7/K;
(2)制备有机载体
按照重量比,将1份丁基纤维素加入到5份邻苯二甲酸二丁酯中,加热到90~120℃充分搅拌至丁基纤维素完全溶解后,再放在85℃的恒温水浴锅中进行搅拌,搅拌时间为60~90min;经250~325目筛网过滤得有机载体;
(3)制备电子银浆
按重量百分比,将9%的玻璃粉、65%的银粉、24%的有机载体、1%的添加剂在搅拌机里混合均匀,再在三辊机上反复滚扎、分散、研磨至用刮板细度计测定细度为5μm以下,且用粘度仪测定粘度为100-300Pa.s时;再加入重量百分比1%硬脂酸铋搅拌均匀,最后经325~400目筛网中过滤即得电子银浆。
用此电子银浆丝网印刷在已经制绒、扩散、化学气相沉积(PECVD)、印刷好背银背铝的125×125的单晶硅片上,制备出太阳能电池,测定出开路电压(Voc)、短路电流(1sc)、串联电阻(Rs)、填充因子(FF)等,部分电池的测试数据平均值如下:开路电压(Voc)为0.620577、短路电流(1sc)为5.449805、串联电阻(Rs)为0.007850、填充因子(FF)为76.14816、负载功率(Pwv)为2.575398、转化效率为17.41108。栅线烧结后高度为31~36μm,附着力≥3N。
用此电子银浆丝网印刷在已经制绒、扩散、化学气相沉积(PECVD)、印刷好背银背铝的125×125的单晶硅片上,制备出太阳能电池,测定出Voc、Isc、Rs、FF、FF等,部分电池的测试数据平均值如下:开路电压(Voc)为0.621225、短路电流(1sc)为5.462909、串联电阻(Rs)为0.007849、填充因子(FF)为76.11132、负载功率(Pwv)为2.583043、转化效率为17.42852。栅线烧结后高度为30~34μm,附着力≥3N。
实施例2
一种电子银浆及其制备工艺,电子银浆由银粉、经工艺加工合成的玻璃粉、有机载体和添加剂组合配制而成,组合配制过程中加有分散剂;上述各组分的重量百分比如下:
银粉63%,玻璃粉6%,有机载体28%,添加剂2%,分散剂1%;
所述的银粉的颗粒为2μm以下,形态不限;
所述的玻璃粉为硼-铋-硅-铝-锡-铌-钛硅酸盐体系,由B2O3、Bi2O3、SiO2、Al2O3、SnO2、Nb2O5、TiO2原料经工艺加工合成,各组分的重量百分比如下:
B2O3 14%,Bi2O3 25%,SiO2 20%,Al2O3 7%,SnO2 20%,Nb2O5 7%,TiO2 7%;
所述有机载体是由硝化纤维素溶于乙二醇单丁醚醋酸酯中形成的一种粘稠液体,有机载体的黏度用硝化纤维素的质量份数来调节;所述有机载体中硝化纤维素和乙二醇单丁醚醋酸酯的重量比为1∶6;
所述的添加剂为La2O3粉体;颗粒为5μm以下;
所述分散剂是硬脂酸铋,颗粒为2μm以下;
一种电子银浆的制备工艺,包括以下步骤:
(1)制备玻璃粉
按照上述玻璃粉的原料组成及其质量百分比称重;混合均匀后置于坩埚中加热,热熔温度控制范围:800~1000℃,保温时间:20~25分钟,将熔化后的玻璃粉末颗粒使用去离子水淬火后,球磨至1~2μm;经300~400目过筛得玻璃粉,实测该玻璃粉的膨胀系数为62×10-7/K;
(2)制备有机载体
按照重量比,将1份硝化纤维素加入到6份乙二醇单丁醚醋酸酯中,加热到90~120℃充分搅拌至硝化纤维素完全溶解后,再放在85℃的恒温水浴锅中进行搅拌,搅拌时间为60~90min;经250~325目筛网过滤得有机载体;
(3)制备电子银浆
按重量百分比,将6%的玻璃粉、63%的银粉、28%的有机载体、2%的添加剂在搅拌机里混合均匀,再在三辊机上反复滚扎、分散、研磨至用刮板细度计测定细度为5μm以下,且用粘度仪测定粘度为100-300Pa.s时;再加入重量百分比1%硬脂酸铋搅拌均匀,最后经325~400目筛网中过滤即得电子银浆。
用此电子银浆丝网印刷在已经制绒、扩散、化学气相沉积(PECVD)、印刷好背银背铝的125×125的单晶硅片上,制备出太阳能电池,测定出开路电压(Voc)、短路电流(1sc)、串联电阻(Rs)、填充因子(FF)等,部分电池的测试数据平均值如下:开路电压(Voc)为0.620577、短路电流(1sc)为5.449805、串联电阻(Rs)为0.007850、填充因子(FF)为76.14816、负载功率(Pwv)为2.575398、转化效率为17.41108。栅线烧结后高度为31~36μm,附着力≥3N。
用此电子银浆丝网印刷在已经制绒、扩散、化学气相沉积(PECVD)、印刷好背银背铝的125×125的单晶硅片上,制备出太阳能电池,测定出Voc、Isc、Rs、FF、FF等,部分电池的测试数据平均值如下:开路电压(Voc)为0.620834、短路电流(1sc)为5.459327、串联电阻(Rs)为0.007790、填充因子(FF)为76.12543、负载功率(Pwv)为2.560431、转化效率为17.44002。栅线烧结后高度为32~37μm,附着力≥3N。
实施例3
一种电子银浆及其制备工艺,电子银浆由银粉、经工艺加工合成的玻璃粉、有机载体和添加剂组合配制而成,组合配制过程中加有分散剂;上述各组分的重量百分比如下:
银粉80%,玻璃粉5%,有机载体12%,添加剂1%,分散剂2%;
所述的银粉的颗粒为2μm以下,形态不限;
所述的玻璃粉为硼-铋-硅-铝-锡-铌-钛硅酸盐体系,由B2O3、Bi2O3、SiO2、Al2O3、SnO2、Nb2O5、TiO2原料经工艺加工合成,各组分的重量百分比如下:
B2O3 22%,Bi2O3 26%,SiO2 10%,Al2O3 12%,SnO2 18%,Nb2O5 10%,TiO2 2%;
所述有机载体是由丙烯酸酯溶于乙二醇单丁醚醋酸酯中形成的一种粘稠液体,有机载体的黏度用丙烯酸酯的质量份数来调节;所述有机载体中丙烯酸酯和乙二醇单丁醚醋酸酯的重量比为1∶8;
所述的添加剂为La2O3粉体;颗粒为5μm以下;
所述分散剂是硬脂酸铋,颗粒为2μm以下;
一种电子银浆的制备工艺,包括以下步骤:
(1)制备玻璃粉
按照上述玻璃粉的原料组成及其质量百分比称重;混合均匀后置于坩埚中加热,热熔温度控制范围:800~1000℃,保温时间:20~25分钟,将熔化后的玻璃粉末颗粒使用去离子水淬火后,球磨至1~2μm;经300~400目过筛得玻璃粉,实测该玻璃粉的膨胀系数为65×10-7/K;
(2)制备有机载体
按照重量比,将1份丙烯酸酯加入到8份乙二醇单丁醚醋酸酯中,加热到90~120℃充分搅拌至丙烯酸酯完全溶解后,再放在85℃的恒温水浴锅中进行搅拌,搅拌时间为60~90min;经250~325目筛网过滤得有机载体;
(3)制备电子银浆
按重量百分比,将5%的玻璃粉、80%的银粉、12%的有机载体、1%的添加剂在搅拌机里混合均匀,再在三辊机上反复滚扎、分散、研磨至用刮板细度计测定细度为5μm以下,且用粘度仪测定粘度为100-300Pa.s时;再加入重量百分比2%硬脂酸铋搅拌均匀,最后经325~400目筛网中过滤即得电子银浆。
用此电子银浆丝网印刷在已经制绒、扩散、化学气相沉积(PECVD)、印刷好背银背铝的125×125的单晶硅片上,制备出太阳能电池,测定出Voc、Isc、Rs、FF、FF等,部分电池的测试数据平均值如下:开路电压(Voc)为0.620905、短路电流(1sc)为5.460774、串联电阻(Rs)为0.007802、填充因子(FF)为76.17350、负载功率(Pwv)为2.572134、转化效率为17.43679。栅线烧结后高度为29~30μm,附着力≥3N。
实施例4
一种电子银浆及其制备工艺,电子银浆由银粉、经工艺加工合成的玻璃粉、有机载体和添加剂组合配制而成,组合配制过程中加有分散剂;上述各组分的重量百分比如下:
银粉70%,玻璃粉4%,有机载体23.8%,添加剂0.2%,分散剂2%;
所述的银粉的颗粒为2μm以下,形态不限;
所述的玻璃粉为硼-铋-硅-铝-锡-铌-钛硅酸盐体系,由B2O3、Bi2O3、SiO2、Al2O3、SnO2、Nb2O5、TiO2原料经工艺加工合成,各组分的重量百分比如下:
B2O3 20%,Bi2O3 20%,SiO2 12%,Al2O3 8%,SnO2 19%,Nb2O5 15%,TiO2 6%;
所述有机载体是由丁基纤维素溶于辛醇中形成的一种粘稠液体,有机载体的黏度用丁基纤维素的质量份数来调节;所述有机载体中丁基纤维素和辛醇的重量比为1∶10;
所述的添加剂为La2O3粉体;颗粒为5μm以下;
所述分散剂是硬脂酸铋,颗粒为2μm以下;
一种电子银浆的制备工艺,包括以下步骤:
(1)制备玻璃粉
按照上述玻璃粉的原料组成及其质量百分比称重;混合均匀后置于坩埚中加热,热熔温度控制范围:800~1000℃,保温时间:20~25分钟,将熔化后的玻璃粉末颗粒使用去离子水淬火后,球磨至1~2μm;经300~400目过筛得玻璃粉,实测该玻璃粉的膨胀系数为68×10-7/K;
(2)制备有机载体
按照重量比,将1份丁基纤维素加入到10份辛醇中,加热到90~120℃充分搅拌至丁基纤维素完全溶解后,再放在85℃的恒温水浴锅中进行搅拌,搅拌时间为60~90min;经250~325目筛网过滤得有机载体;
(3)制备电子银浆
按重量百分比,将4%的玻璃粉、70%的银粉、23.8%的有机载体、0.2%的添加剂在搅拌机里混合均匀,再在三辊机上反复滚扎、分散、研磨至用刮板细度计测定细度为5μm以下,且用粘度仪测定粘度为100-300Pa.s时;再加入重量百分比2%硬脂酸铋搅拌均匀,最后经325~400目筛网中过滤即得电子银浆。
用此电子银浆丝网印刷在已经制绒、扩散、化学气相沉积(PECVD)、印刷好背银背铝的125×125的单晶硅片上,制备出太阳能电池,测定出Voc、Isc、Rs、FF、FF等,部分电池的测试数据平均值如下:开路电压(Voc)为0.621134、短路电流(1sc)为5.468437、串联电阻(Rs)为0.007821、填充因子(FF)为76.13998、负载功率(Pwv)为2.580408、转化效率为17.42005。栅线烧结后高度为33~38μm,附着力≥3N。

Claims (1)

1.一种电子银浆及其制备工艺,电子银浆由银粉、经工艺加工合成的玻璃粉、有机载体和添加剂组合配制而成,其特征在于:组合配制过程中加有分散剂;上述各组分的重量百分比如下:
银粉63%~80%,玻璃粉4%~9%,有机载体12%~28%,添加剂0.2%~2%,分散剂1%~2%;
所述的银粉的颗粒为2μm以下,形态不限;
所述的玻璃粉为硼-铋-硅-铝-锡-铌-钛硅酸盐体系,由B2O3、Bi2O3、SiO2、Al2O3、SnO2、Nb2O5、TiO2原料经工艺加工合成,各组分的重量百分比如下:
B2O3 2%~22%,Bi2O3 20%~30%,SiO2 10%~20%,Al2O3 2%~12%,SnO2 18%~25%,Nb2O5 7%~15%;TiO2 2%~8%;
所述有机载体是由丁基纤维素、或硝化纤维素、或丙烯酸酯作为溶质溶于溶剂中形成的一种粘稠液体,溶剂为邻苯二甲酸二丁酯、或乙二醇单丁醚醋酸酯、或辛醇;有机载体的黏度用溶质的质量份数来调节;所述有机载体中溶质和溶剂的重量比为1∶5;
所述的添加剂为La2O3粉体;颗粒为5μm以下;
所述分散剂是硬脂酸铋;硬脂酸铋的化学结构式为BiO(C18H35O2),分子量508.5;白色极小粉末,颗粒为2μm以下;
所述电子银浆的制备工艺,包括以下步骤:
(1)制备玻璃粉
按照上述玻璃粉的原料组成及其质量百分比称重;混合均匀后置于坩埚中加热,热熔温度控制范围:800~1000℃,保温时间:20~25分钟,将熔化后的玻璃粉末颗粒使用去离子水淬火后,球磨至1~2μm;经300~400目过筛得玻璃粉,实测该玻璃粉的膨胀系数为62×10-7~70×10-7/K;
(2)制备有机载体
按照重量比,将1份丁基纤维素、或硝化纤维素、或丙烯酸酯加入到5份邻苯二甲酸二丁酯、或乙二醇单丁醚醋酸酯、或辛醇的溶剂中,加热到90~120℃充分搅拌至溶质完全溶解后,再放在85℃的恒温水浴锅中进行搅拌,搅拌时间为60~90min;经250~325目筛网过滤得有机载体;
(3)制备电子银浆
按重量百分比,将4%~9%的玻璃粉、63%~80%的银粉、12%~28%的有机载体、0.2%~2%的添加剂在搅拌机里混合均匀,再在三辊机上反复滚扎、分散、研磨至用刮板细度计测定细度为5μm以下,且用粘度仪测定粘度为100-300Pa.s时;再加入重量百分比1%~2%硬脂酸铋搅拌均匀,最后经325~400目筛网中过滤即得电子银浆。
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