CN103448366B - 一种喷墨打印系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种喷墨打印系统，包括雾化装置、液滴尺寸筛选装置和打印喷嘴，雾化装置制备气溶胶，液滴尺寸筛选装置设于雾化装置和打印喷嘴之间；液滴尺寸筛选装置有一输入口和两输出口，输入口与雾化装置的输出端接通，第一输出口与打印喷嘴接通，第二输出口回接雾化装置，经液滴尺寸筛选装置筛选后，液滴体积适当的气溶胶进入第一输出口，其余进入第二输出口。本申请的喷墨打印系统，在雾化装置和打印喷嘴之间增加液滴尺寸筛选装置；实现了打印喷嘴喷射的气溶胶液滴体积的可控调节，保障了打印的精准性。既保留了气溶胶打印技术的优点，又克服了其缺点；为喷墨打印提供了一种新思路和方法，特别适合用于太阳能电池栅线的超细和高精度的打印。

Description

一种喷墨打印系统及其应用

技术领域

本申请涉及打印设备领域，特别是涉及一种喷墨打印系统及其应用。

背景技术

喷墨打印技术自提出以来，已经发展出了多种不同的具体打印技术。按照打印的液滴形成方式可分为液滴喷射打印和气溶胶打印两大类技术。

液滴喷射打印是指将要打印的墨水以液滴的方式喷射到待印基底上。液滴喷射打印又可分为连续式的按需式两类。连续式是指墨滴连续不断的喷出，在有图案的地方墨滴打印到基底上，没有图案的地方要采用偏转装置回收墨滴。按需式是指有图案的地方喷墨，没图案的地方不喷墨。目前商业用打印机主要是按需式，其动力又分为压电式和热气泡式。目前液滴喷射打印的主要不足是，墨滴容易堵塞喷嘴，从而造成故障，影响使用。

气溶胶打印技术的基本原理是将墨水雾化成气溶胶再进行喷印。该技术的关键部分包括墨水雾化器和打印喷嘴两部分。雾化器根据使用的墨水不同可以采用气动或者超声两种雾化方式，雾化后的气溶胶通过气体传送到喷嘴。在喷嘴处设计有环绕气体，可以将雾化后的气溶胶进行聚集喷射。与液滴喷射打印相比气溶胶打印有以下的优点：第一，工艺性能优良，气溶胶打印技术不容易堵塞喷嘴，适合长时间工作，其设备自动化程度高，有利产业化应用；第二，打印分辨率高，由于气溶胶的形成对墨水的粘度要求较低，因而打印分辨率可以通过调整墨水的粘度、雾化方式、雾化气体和遮盖气体的流量以及喷墨嘴的孔径等参数调节。虽然气溶胶打印具有很多优点，但是，由于雾粒大小的不可控性，对打印的精度有一定影响，特别是打印线宽在10微米以下的超细栅线，很难精确控制。

特别是在对精度要求较高的太阳能电池栅线的打印中，目前的打印系统无法满足生产要求。硅电池和其它太阳能电池的正面电极上的栅线起着收集电流的作用，对太阳能电池的光电转换效率起着重要影响。栅线的投影面积和电阻是两个表征栅线性能的重要参数。为了使太阳能电池能接受更多的入射光，栅线的投影面积要尽可能的小；为了减少电池的欧姆损失，栅线的电阻要尽可能的低。目前正面的栅线制备工艺主要有两类，高导电性银浆制备的银栅线的丝网印刷工艺和刻槽电镀埋栅技术。工业生产基本用的是第一种方法。随着晶硅太阳能电池技术的成熟与晶硅原料价格的下降，正面电极银浆料在太阳能电池的材料成本中所占的比重也在不断上升，已由前几年的5%上升到约20%。太阳能电池银浆的材料成本压力已经引起了国内多数生产厂商的高度重视，太阳能电池银浆的材料国产化已成为进一步降低晶硅太阳能电池成本，提高产品国际竞争力的一项重要任务。因此，科技部发布的《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》中材料方向第2项任务提出了突破银浆等关键配套材料的制备技术。工信部2012年2月发布的《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》中也将电子浆料国产化列入“十二五”发展重点。

传统的丝网印刷工艺制备银栅线主要存在以下几个问题：第一，印刷过程中需要对硅片施压，使用厚度为100微米以下的硅片容易造成坏片率升高；第二，丝网印刷的分辨率低，所印银线的高宽比低。由于存在丝网的网络线使得目前的线宽降到50微米以下非常困难，为了使银浆能通过丝网，且不会断线，银浆必须有一定的流动性，这使得印好的银栅线会向外流淌，使线宽进一步增加，高宽比降低。

相比于丝网印刷技术，喷墨打印技术具有以下优点：喷墨打印是一种非接触式印刷喷墨头与硅片之间没有直接接触，不会使硅片破裂，适合于印刷目前更薄易碎的硅晶片。喷墨喷头与基底的距离可调，对硅片厚度不敏感，因而可以使用厚度较小的硅片，有利于降低硅片成本。能在粗糙表面的太阳能电池上制备栅线。喷墨打印可以使电池的制作成本更低，效率更高：精细的打印分辨率，减少了过程的复杂性，可以制备更大高宽比的栅线，从而降低银用量降低成本，提高电池的光电转换效率。此外喷墨打印还具有细栅与粗栅可以是不同的厚度等的优点。因此用喷墨打印方式制备正面栅电级对于太阳能产业技术升级具有重要意义。但是，如前面提到的，喷墨打印仍然存在一些不足，其中，液滴喷射打印容易造成墨滴堵塞喷嘴，而气溶胶打印又存在精度不足的缺陷。

发明内容

本申请的目的在于提供一种结构改进的喷墨打印系统，以及该喷墨打印系统在太阳能电池的栅线的3D打印中的应用。

为了实现上述目的，本申请所采用的技术方案如下：

本申请公开了一种喷墨打印系统，该打印系统包括雾化装置、液滴尺寸筛选装置和打印喷嘴，雾化装置用于制备气溶胶，打印喷嘴将气溶胶喷射到打印载体上实现打印，液滴尺寸筛选装置设置于雾化装置和打印喷嘴之间；液滴尺寸筛选装置具有一个输入口和两个输出口，其中，输入口与雾化装置的输出端接通，第一输出口与打印喷嘴接通，第二输出口回接雾化装置，气溶胶进入液滴尺寸筛选装置后，经过筛选，液滴体积适当的部分气溶胶经过液滴尺寸筛选装置的第一输出口输往打印喷嘴中，另一部分气溶胶经过第二输出口回到雾化装置中回收利用。

本申请的一种实现方式中，液滴尺寸筛选装置包括一个气流喷射器，气流喷射器喷射的气流与雾化装置输入液滴尺寸筛选装置的气溶胶的气流方向垂直，通过垂直气流改变气溶胶中液滴的运动轨迹，液滴体积适当的部分气溶胶从第一输出口输出；其余部分气溶胶则进入第二输出口，被回收循环利用。可以理解，在气溶胶输入液滴尺寸筛选装置时，是以一定的速度保持稳定方向运动的，此时，向其通以垂直的气流，在气流的带动下，气溶胶中的液滴会改变其运动轨迹，体积越小的越容易被吹走，其运动轨迹改变越大，体积越大的运动轨迹改变越小，此时，在适当位置处设计输出口，即可收集到适当体积大小，且均匀的气溶胶；未被收集采用的气溶胶则进入第二输出口，回收利用。

本申请的另一种实现方式中，液滴尺寸筛选装置包括电子发射元件、静电加速器和速度筛选器，电子发射元件产生带电电荷为进入液滴尺寸筛选装置的气溶胶充电，带电的气溶胶经过静电加速器加速，在经过速度筛选器时，根据气溶胶中液滴带的电荷量及其运动速度进行筛选，气溶胶中体积适当的液滴进入第一输出口，其余部分气溶胶进入第二输出口。

优选的，速度筛选器由两块平行的带电金属板组成，带电的气溶胶经过静电加速器加速后，从平行的带电金属板中穿过时，在带电金属板的吸引力下，依据液滴的体积和其带电量改变运动轨迹，因此，在适当位置处可以收集到液滴体积大小均匀且符合要求的气溶胶。

本申请的打印系统中，还包括一个液滴计数装置，液滴计数装置设置于液滴尺寸筛选装置和打印喷嘴之间，用于控制打印喷嘴喷射出的液滴数量。需要说明的是，液滴计数器实际上只能统计打印喷嘴所喷射的液滴数量，根据其统计数量，可以对打印喷嘴进行调节，从而达到控制打印喷嘴喷射液滴数量的目的。

优选的，液滴计数器为电学计数器或者光学计数器。

本申请的另一面还公开了本申请的打印系统在太阳能电池的栅线的3D打印中的应用。

本申请的再一面公开了一种太阳能电池正面电极的栅线的打印方法，该打印方法采用本申请的打印系统，用液滴体积小于或等于10皮升的气溶胶进行栅线的3D打印。

进一步的，本申请的打印方法中，栅线为银栅线或复合导电栅线，栅线的截面呈三角形或梯形，并且栅线与电池接触的两个底角的角度都不超过90度。

进一步的，打印的栅线与电池接触的底边的宽度为50-300微米。

由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：

本申请的喷墨打印系统，在原有的气溶胶打印技术上进行改进，具体的，在气溶胶打印的雾化装置和打印喷嘴之间增加了一个液滴尺寸筛选装置；通过该液滴尺寸筛选装置，能够对打印喷嘴所喷射的气溶胶的液滴的体积进行控制，从而保障了打印的精准性。本申请的打印系统，既保留了气溶胶打印技术的优点，又克服了气溶胶打印的缺点；为喷墨打印提供了一种新的思路和方法。

本申请的太阳能电池正面电极的栅线打印方法采用本申请的喷墨打印系统进行，由于本申请的喷墨打印系统能够控制打印的气溶胶的体积，从而实现了栅线的高精度超细打印，为进一步的推动太阳能电池产业的发展奠定基础。

附图说明

图1是背景技术中气溶胶打印技术的结构示意图；

图2是本申请实施例的喷墨打印系统的结构示意图；

图3是本申请实施例中的喷墨打印系统中另外一种液滴尺寸筛选装置的结构示意图；

图4是本申请实施例中，采用本申请的打印系统打印的太阳能电池正面电极的银栅线的截面及其对光线进行反射的效果示意图。

具体实施方式

现有的气溶胶打印系统如图1所示，包括雾化装置11，墨水雾化后，采用气流12通过传输管13输送到打印喷嘴14，在打印喷嘴14上还有个遮盖气流装置15，遮盖气流装置15喷射遮盖气流16环绕于气溶胶气流17的周围，使气溶胶能够进行聚集喷射，提高其准确性和精度。

本申请的喷墨打印系统在气溶胶打印系统的基础上进行改进，具体的，在雾化装置和打印喷嘴之间增加一个液滴尺寸筛选装置，通过液滴尺寸筛选装置对气溶胶进行筛选，使得喷射打印的液滴体积均匀，从而提高气溶胶打印的准确性和精度。

本申请的液滴尺寸筛选装置有两种实现方式，其中一种实现方式，如图2所示，在雾化装置21将气溶胶气流输入打印喷嘴22的过程中，增加一个气流喷射器23，为气溶胶气流提供垂直的气流，可以理解，气溶胶气流中的液滴遇到垂直气流24后，其运动轨迹会发生变化，并且，液滴越小运动轨迹变化越大，此时，在其适当位置处设置的第一输出口25，即可有效收集到需要的液滴体积适当的气溶胶，而液滴体积过大或过小的气溶胶则从另外的出口输出，并被回收利用；图2中26为打印载体，27为光学计数器。液滴尺寸筛选装置的另外一种实现方式，如图3所示，该液滴尺寸筛选装置由高压静电发生器31、静电加速器32和速度筛选器33组成，气溶胶有雾化装置34制备出来后，经过高压静电发生器31充电，在静电加速器32的作用下保持加速运动，速度筛选器33时，由于带电金属板的吸引，带电的气溶胶的运动轨迹发生偏转，并且根据带电量的大小，气溶胶液滴运动轨迹偏转的程度不同，此时，在适当位置处即可收集到适当体积大小的气溶胶，从而保证喷射出的气溶胶的液滴的均匀性，提供气溶胶打印的精度，图3中，35为打印载体。

下面通过具体实施例并结合附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例1

本例的喷墨打印系统，在现有的气溶胶打印系统的基础上进行改进，具体的，如图2所示，在原气溶胶打印机的雾化装置和打印喷嘴之间加了一个液滴尺寸筛选装置，液滴尺寸筛选装置具有一个输入口和两个输出口，其中，输入口与雾化装置的输出端接通，第一输出口与打印喷嘴接通，第二输出口回接雾化装置。该液滴尺寸筛选装置包括一个气流喷射器，气流喷射器喷射的气流与雾化装置输入液滴尺寸筛选装置的气溶胶的气流方向垂直，通过垂直气流的影响改变气溶胶中液滴的运动轨迹，液滴体积适中的部分气溶胶进入第一输出口，通过打印喷嘴喷射到打印载体上；而另一部分气溶胶则进入第二输出口，被回收利用；从而实现气溶胶的筛选。本例中雾化装置采用气动喷雾法产生气溶胶，并由气流带出。

本例的气溶胶经过液滴尺寸筛选装置选出合适大小的液滴，体积过大的不合格的液滴返回雾化装置中，重新雾化。选出的液滴经过气流加速和准直器打到承印物体上。液滴在打到承印物体之前经过一个光学计数器，通过光学计数器的统计数量，调节气流速度和打印喷嘴，以控制打印的厚度。

实施例2

本例的喷墨打印系统与实施例1的喷墨打印系统相似，也是在原气溶胶打印机的雾化装置和打印喷嘴之间加了一个液滴尺寸筛选装置，液滴尺寸筛选装置具有一个输入口和两个输出口，其中，输入口与雾化装置的输出端接通，第一输出口与打印喷嘴接通，第二输出口回接雾化装置。该液滴尺寸筛选装置由电子发射元件、静电加速器和速度筛选器组成，速度筛选器由两块平行的带电金属板组成，电子发射元件产生带电电荷为进入液滴尺寸筛选装置的气溶胶充电，带电的气溶胶经过静电加速器加速后，从平行的带电金属板中穿过时，在带电金属板的吸引力下，根据液滴的体积大小和带电量，液滴的运动轨迹发生变化，根据需求设计第一输出口，体积适当的液滴进入第一输出口，用于打印；而其余部分的气溶胶则进入第二输出口，回收利用；从而实现气溶胶的筛选。本例中雾化装置采用超声波产生气溶胶，并由气流带出。其中电子发射元件为一个高压静电发生器。

本例的气溶胶在带上电荷后，经过静电加速器和速度选择器选出合适大小的液滴，体积过大或过小的不合格的液滴返回雾化装置中重新雾化。经过选出的液滴经过电场再次加速和准直器打到承印物体上。液滴在打到承印物体之前经过一个电学计数器，通过电学计数器的统计数量，调节气流速度和打印喷嘴，以控制打印的厚度。

实施例3

采用实施例1或2的喷墨打印系统，控制打印的气溶胶小于或等于10皮升，对太阳能电池正面电极的银栅线进行3D打印，银栅线的截面呈等腰三角形，如图4所示，银栅线42的底边宽度为50微米，且顶角为55度。

打印出来的太阳能正面电极中，其银栅线与电池的接触面积大，具有较低的接触电阻；但是，如图4所示，被其遮住的光线41可以被斜面反射后吸收，因此，其遮光损失反而减小。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种喷墨打印系统，包括雾化装置以及和雾化装置连通的打印喷嘴，所述雾化装置用于制备气溶胶，所述打印喷嘴将气溶胶喷射到打印载体上实现打印，其特征在于：所述打印系统还包括设置于雾化装置和打印喷嘴之间的液滴尺寸筛选装置；

所述液滴尺寸筛选装置具有一个输入口和两个输出口，其中，输入口与雾化装置的输出端接通，第一输出口与打印喷嘴接通，第二输出口回接雾化装置，气溶胶进入液滴尺寸筛选装置后，经过筛选，液滴体积适当的部分气溶胶经过液滴尺寸筛选装置的第一输出口输往打印喷嘴中，另一部分气溶胶经过第二输出口回到雾化装置中回收利用。

2.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于：所述液滴尺寸筛选装置包括一个气流喷射器，气流喷射器喷射的气流与雾化装置输入液滴尺寸筛选装置的气溶胶的气流方向垂直，通过垂直气流改变气溶胶中液滴的运动轨迹，液滴体积适当的部分气溶胶进入所述第一输出口；而另一部分气溶胶则进入所述第二输出口。

3.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于：所述液滴尺寸筛选装置包括电子发射元件、静电加速器和速度筛选器，电子发射元件产生带电电荷为进入液滴尺寸筛选装置的气溶胶充电，带电的气溶胶经过静电加速器加速，在经过速度筛选器时，根据气溶胶中液滴带的电荷量及其运动速度进行筛选，气溶胶中体积适当的液滴进入所述第一输出口，另一部分的气溶胶进入所述第二输出口。

4.根据权利要求3所述的打印系统，其特征在于：所述速度筛选器由两块平行的带电金属板组成，带电的气溶胶经过静电加速器加速后，从平行的带电金属板中穿过时，在带电金属板的吸引力下，气溶胶的液滴依据其体积大小和带的电荷量改变运动轨迹，从而使得体积适当的气溶胶进入所述第一输出口，其余部分气溶胶进入所述第二输出口。

5.根据权利要求1-4任一项所述的打印系统，其特征在于：还包括一个液滴计数装置，所述液滴计数装置设置于所述液滴尺寸筛选装置和打印喷嘴之间，用于控制打印喷嘴喷射出的液滴数量。

6.根据权利要求5所述的打印系统，其特征在于：所述液滴计数装置为电学计数器或者光学计数器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的打印系统在太阳能电池的栅线的3D打印中的应用。

8.一种太阳能电池正面电极的栅线的打印方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的打印系统，用液滴体积小于或等于10皮升的气溶胶进行栅线的3D打印。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述栅线为银栅线或复合导电栅线，所述栅线的截面呈三角形或梯形，并且所述栅线与电池接触的两个底角的角度都不超过90度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述栅线与电池接触的底边的宽度为50-300微米。