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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken von Solarzellen mittels
Siebdruck. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Bedrucken von
Solarzellen mittels Siebdruck.
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Zum
Bedrucken von Solarzellen mittels Siebdruck, speziell zum Aufbringen
von Oberflächenkontakten,
sogenannten Fingerkontakten, werden sogenannte Dickschichtdrucker
verwendet, die ursprünglich
für das
Drucken von Lotdepots für
Lotpaste im SMD (surface mounted device) Bereich entwickelt wurden.
Solche sogenannte Dickschichtdrucker weisen, um die erforderliche
Druckpräzision
zu sichern, sehr massive Siebrahmen auf und arbeiten mit sehr hohen
Siebspannungen oder mit festen, glasierten Schablonen. Da die Siebspannungen
sehr hoch gewählt
sind, kann mittels einer Druckrakel das Sieb beim Drucken nur geringfügig eingedrückt werden, so
dass mit sehr geringen Abständen
zwischen Drucksieb und zu bedruckender Solarzelle gearbeitet werden
muss. Die hohe Siebspannung bedingt auch die Notwendigkeit sehr
steifer Rakeln. Die bekannten Dickschichtdrucker arbeiten im fehlerfreien
Zustand hochpräzise,
die erforderlichen hochgespannten Drucksiebe müssen jedoch mit sehr teuren,
massiven Rahmen versehen werden und die bekannten Dickschichtdrucker
sind auch vergleichsweise empfindlich gegenüber Schwankungen von Prozessparametern,
beispielsweise in Bezug auf Schwankungen des Anpressdrucks der Rakel
oder Abweichungen der Parallelität
zwischen Oberseite und Unterseite der Solarzelle. Ein Dickschichtdrucker
nach dem Stand der Technik und ein Drucksieb hierfür sind in den 1a und 1b dargestellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bedrucken
von Solarzellen mittels Siebdruck bereitzustellen, das für die Großserienfertigung
geeignet ist und unempfindlich auf Veränderungen von Prozessparametern
reagiert.
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Erfindungsgemäß ist hierzu
ein Verfahren zum Bedrucken von Solarzellen mittels Siebdruck vorgesehen,
bei dem ein Drucksieb während
einer Druckbewegung der Rakel an dem in Bezug auf eine Bewegungsrichtung
der Rakel beim Druck gesehen hinten liegenden Ende des Drucksiebs
angehoben wird, um einen Auslösewinkel
des Siebs zwischen Sieb und Solarzellen hinter der Rakel oberhalb
eines kritischen Werts zu halten.
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Die
Erfindung beruht auf der überraschenden
Erkenntnis, dass die bekannten Dickschichtsiebdruckverfahren, die
ursprünglich
für das
Drucken von Lotdepots im SMD-Bereich entwickelt wurden, für das Bedrucken
von Solarzellen zwar geeignet, aber weit überdimensioniert sind. So genannte
Dickschichtdrucker sind für
hohe Kräfte
im Drucksieb und dicke Schichten dimensioniert und entsprechen in Bezug
auf die erreichbare Druckpräzision
den Anforderungen der SMD-Technologie. Beim Bedrucken von Solarzellen
sind jedoch andere Randbedingungen entscheidend. Nachteilig ist
an den bekannten Dickschichtsiebdruckverfahren, dass diese sehr empfindlich
auf kleinste Veränderungen
der Siebdruckparameter reagieren, wozu beispielsweise auch die Dicke
der zu bedruckenden Solarzelle, die Parallelität der zu bedruckenden Oberfläche zum Drucksieb
sowie Oberflächenunebenheiten
der Solarzelle gehören.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist
hingegen tolerant gegenüber Änderungen
der Siebdruckparameter und auch bei unebenen, unterschiedlich hohen
Solarzellen oder Solarzellen mit zu bedruckenden Oberflächen, die
nicht genau parallel zum Drucksieb angeordnet sind, lässt sich
noch ein zufriedenstellendes und ausreichend präzises Druckbild erreichen.
Indem das Drucksieb einseitig am hinteren Ende während des Drucks angehoben
wird, wird der Auslösewinkel
des Siebs zwischen Sieb und gerade bedruckter Solarzelle oberhalb
eines kritischen Werts gehalten und es kann sichergestellt werden,
dass sich das Drucksieb rasch aus der gerade auf die Solarzelle
aufgebrachten Druckpaste oder Farbe herauslöst. Dieses rasche Auslösen des Drucksiebs
aus der gerade aufgebrachten Druckpaste erhöht die Druckqualität in Hinsicht
auf die Konturenschärfe
wesentlich und daher kann beispielsweise mit vergleichsweise gering
gespannten Sieben und sehr weichen Rakeln gearbeitet werden, wodurch
der Ausgleich von Unebenheiten oder Nichtparallelitäten der
Solarzellen überhaupt
erst ermöglicht wird.
Darüber
hinaus kann eine Belastung der gerade bedruckten Solarzelle durch
die Rakel sehr gering gehalten werden, so dass die Bruchrate auch
bei empfindlichen Solarzellen, beispielsweise sogenannten String-Ribbon-Wafern, sehr gering
gehalten werden kann. Das rasche Auslösen des Drucksiebs hinter der
Rakel, indem der Auslösewinkel
oberhalb eines kritischen Wertes gehalten wird, macht das erfindungsgemäße Verfahren
unempfindlich gegenüber Abweichungen
der Siebdruckparameter und ermöglicht
dadurch erst einen sogenannten Mehrfachnutzen, bei dem mit einem
Drucksieb mehrere nebeneinander liegende Solarzellen gleichzeitig
bedruckt werden. Mit der Erfindung können somit geringe Kräfte auf
den Wafer, eine sehr gute Druckqualität und eine geringe Bruchgefahr
erzielt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gut zum Aufdrucken
von Oberflächenkontakten
oder flächigen
Beschichtungen auf Solarzellen geeignet.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird der Auslösewinkel des Siebs während der
gesamten Druckbewegung der Rakel auf einem Wert von mehr als 0,8° gehalten.
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Es
hat sich gezeigt, dass beim Bedrucken von Solarzellen, beispielsweise
mit Oberflächenkontakten,
ein Auslösewinkel
von mehr als 0,8° ein schnelles
Auslösen
des Drucksiebs aus der leitfähigen
Druckpaste und damit ein präzises
Druckbild begünstigt.
Der angestrebte Auslösewinkel
von mehr als 0,8° wird
zu Beginn der Druckbewegung der Rakel bei noch parallelem Drucksiebrahmen
und Solarzelle erreicht. Im Laufe der Bewegung der Rakel über die
gerade bedruckte Solarzelle würde
der Auslösewinkel
hinter der Rakel sonst zwangsläufig
flacher, was durch geeignetes Anheben des hinteren Endes des Drucksiebrahmens
kompensiert wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird der Auslösewinkel während der gesamten Druckbewegung der
Rakel auf einem Wert zwischen 0,8° und
1,2° gehalten.
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Es
hat sich herausgestellt, dass eine Variation des Auslösewinkels
zwischen 0,8° und
1,2° toleriert
werden kann und zu guten Druckergebnissen führt.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird der Auslösewinkel während der gesamten Druckbewegung der
Rakel auf einem konstanten Wert gehalten.
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Durch
Halten des Auslösewinkels
auf einem konstanten Wert lassen sich während der gesamten Druckbewegung
der Rakel und damit über
die gesamte Fläche
der gerade bedruckten Solarzelle gleiche Bedin gungen hinter der
Rakel erzielen, da das Drucksieb bei konstanter Rakelgeschwindigkeit
immer mit der gleichen Geschwindigkeit und immer im gleichen Winkel
aus der gerade aufgebrachten Druckpaste herausgelöst wird.
Infolgedessen können ein
gleichmäßig präzises Druckbild über die
gesamte Oberfläche
der Solarzelle und ein möglichst
großes Prozessfenster
der Siebdruckparameter, also ein Bereich, in dem die Siebdruckparameter
liegen können, ohne
den fehlerlosen Ablauf des Druckprozesses zu gefährden, sichergestellt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird das Drucksieb so angehoben, dass
ein zwischen Drucksieb und gerade bedruckter Solarzelle liegender Siebwinkel
von etwa 0° auf
etwa 0,5° ansteigt,
wobei das Drucksieb an seinem in Bezug auf die Bewegungsrichtung
der Rakel beim Druck gesehen vorderen Ende um einen Drehpunkt schwenkbar
gelagert ist. Beispielsweise kann das Drucksieb in einem Abstand
von etwa 650 mm bis 710 mm vom Drehpunkt während der Druckbewegung der
Rakel zwischen 0 mm und 5 mm pro 200 mm Rakelweg angehoben werden.
Bei einem Drucksiebformat von 600 mm × 700 mm, das für das Bedrucken üblicher
Solarzellengrößen gut
geeignet ist, lassen sich durch die angegebenen Maßnahmen
präzise
Druckbilder erzielen. Dies gilt insbesondere dann, wenn mit dieser
Drucksiebgröße gleichzeitig
zwei Solarzellen bedruckt werden, also ein so genannter Doppelnutzen
realisiert ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird eine Siebruhe des Drucksiebs allseitig
auf einen Wert von mindestens 150 mm eingerichtet.
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Die
sogenannte Siebruhe bezeichnet den Abstand von einem Druckbild auf
dem Drucksieb bis zum Innenrand des Siebrahmens. Letztendlich bezeichnet
die Siebruhe also einen ungenutzten Bereich des Siebs. Eine große Siebruhe
führt infolgedessen
zu einem weichen Sieb, da in größerem Abstand
vom Drucksiebrahmen das Sieb leichter in Richtung auf die zu bedruckende
Solarzelle gedrückt werden
kann als in unmittel barer Nähe
des Drucksiebrahmens. Eine Erhöhung
der Siebruhe führt üblicherweise
zu einer Verringerung der erreichbaren Präzision beim Drucken, da zwangsläufig mit
größerem Abstand
vom Drucksiebrahmen größere Längentoleranzen
beim Herunterdrücken
des Siebs auftreten können.
Dies ist beispielsweise der Grund dafür, dass konventionelle Dickschichtdrucker
zum Bedrucken von Solarzellen mit sehr geringen Siebruhen und hochgespannten
Sieben arbeiten. Überraschenderweise
hat sich aber gezeigt, dass eine Erhöhung der Siebruhe einen geringeren
Rakeldruck erlaubt, der wiederum eine geringere Belastung der gerade bedruckten
Solarzellenwafer ermöglicht,
ohne dass die Druckpräzision
in für
das Bedrucken von Solarzellen ungeeignete Bereiche gelangen würde. Dadurch
kann das Bruchrisiko beim Bedrucken von Solarzellen deutlich verringert
werden, insbesondere bei Solarzellen mit Abweichungen von der Parallelität von Oberseite
und Unterseite und mit Unebenheiten in der gerade bedruckten Oberseite.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird eine Siebspannung des Drucksiebs
auf einen Wert kleiner oder gleich 25 N/cm eingestellt.
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Eine
solche, gegenüber
konventionellen Dickschichtdruckern für Solarzellen sehr geringe Siebspannung
erlaubt es, auch mit weichen Druckrakeln und geringen Rakelkräften zu
arbeiten, mit denen die Rakel gegen das Drucksieb und die gerade bedruckte
Solarzelle gedrückt
wird. Aufgrund der vergleichsweise geringen Siebspannung kann sich
das Drucksieb unter dem Anpressdruck der Rakel an Oberflächenunebenheiten
der gerade bedruckten Solarzelle anpassen, obwohl nur eine vergleichsweise
geringe Rakelkraft aufgebracht werden muss. Auch unebene, hochempfindliche
Solarzellen, beispielsweise sogenannte String-Ribbon-Wafer, können dadurch präzise und
mit sehr geringer Bruchrate bedruckt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird eine Winkellage der Rakel an eine
Oberflächenneigung der
Solarzelle während
des Druckens angepasst, wobei die Rakel mittels wenigstens zweier
Druckzylinder mit einem Rakelbalken verbunden ist und wobei eine
Winkellage der Rakel um die Längsrichtung der
Bewegung der Rakel beim Druck einstellbar ist.
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Indem
die Winkellage der Rakel an eine Oberflächenneigung der Solarzelle
während
des Druckens angepasst wird, kann das präzise Bedrucken auch von Solarzellen
sichergestellt werden, deren zu bedruckende Oberfläche nicht
hundertprozentig parallel zum Drucksieb ist, indem Rakel und Waferoberfläche immer
parallel gehalten werden. Weiterhin wird durch das Anpassen der
Winkellage der Rakel eine gleichmäßige Belastung solcher nicht
paralleler Solarzellen sichergestellt. Würde die Winkellage der Rakel
nicht angepasst, so würde
die Solarzelle in dem Bereich, der näher am Drucksieb liegt, zwangsläufig sehr
hoch belastet und die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs der Solarzelle
beim Bedrucken wäre
sehr hoch. Diese Risiken können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vermieden werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird eine Rakelkraft, mit der die Rakel
während
des Drucks gegen das Drucksieb und das Substrat gedrückt wird,
auf einen Wert zwischen 2 N und 10 N pro cm Rakellänge, insbesondere
5 N/cm eingestellt.
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In
Verbindung mit einer geringen Siebspannung und einer großen Siebruhe
reichen Rakelkräfte zwischen
2 N und 10 N pro cm Rakellänge
aus, um einen ausreichenden Anpressdruck der Rakel bereitzustellen.
Dennoch kann die Belastung der gerade bedruckten Solarzelle durch
die Rakelkraft sehr gering gehalten werden und das Bruchrisiko sinkt
erheblich.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch eine Vorrichtung
zum Bedrucken von Solarzellen mittels Siebdruck gelöst, bei
der ein Drucksieb an einem in Bewegungsrichtung der Rakel beim Druck
gesehen vorderen Ende der Rakel schwenkbar gelagert ist und bei
der eine Vorrichtung zum Anheben des hinteren Endes des Drucksiebs während der
Druckbewegung der Rakel vorgesehen ist, wobei ein Rakelbalken und
wenigstens zwei Druckzylinder zum Verbinden der Rakel mit dem Rakelbalken
vorgesehen sind, und wobei die Rakel um eine Längsrichtung der Bewegung der
Rakel beim Druck schwenkbar an den Druckzylindern befestigt ist
und wobei die Druckzylinder und/oder eine Steuerung zum Beaufschlagen
der Druckzylinder so bemessen ist, dass eine Änderung des die Druckzylinder
beaufschlagenden Drucks von 1 bar eine Änderung einer Rakelkraft um
maximal 2,5 N/cm, insbesondere 1,8 N/cm, bewirkt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist damit unempfindlich gegenüber
Schwankungen des hydraulischen oder pneumatischen Drucks, mit dem
die Druckzylinder zum Anpressen der Rakel gegen das Drucksieb und
die bedruckte Solarzelle beaufschlagt werden. Schwankungen in dem
die Druckzylinder beaufschlagenden Druck führen somit lediglich zu einer geringen Änderung
der Rakelkraft pro Rakellänge,
so dass auch bei Schwankungen des Drucks kein erhöhtes Bruchrisiko
der gerade bedruckten Solarzelle zu befürchten ist. Eine solche Auslegung
der Druckzylinder kann beispielsweise durch Verringern des hydraulisch
wirksamen Querschnitts der Druckzylinder erreicht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird dadurch fehlertolerant und erlaubt das Bedrucken von Solarzellen
mit niedriger Bruchrate auch in Großserie. Zum Anheben des Drucksiebs
kann beispielsweise ein Steuernocken oder ein Stellmotor verwendet
werden. Die Rakelkraft pro Rakellänge, auch als Rakeldruck bezeichnet,
und der die Druckzylinder beaufschlagende Druck weisen somit ein großes Prozessfenster
auf, wodurch die Sicherheit des Druckprozesses deutlich erhöht werden
kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung besteht die Rakel aus einem schräg zum Drucksieb
angeordneten flexiblen Materialstreifen aus gummiähnlichem Material
mit einer Shorehärte
von weniger als 65 Shore.
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Konventionelle
Dickschichtdrucker zum Bedrucken von Solarzellen arbeiten aufgrund
der hohen Siebspannungen mit massiven Siebrahmen und konsequenter
Weise auch mit harten Rakeln, die stabil genug sind, um das hochgespannte
Drucksieb auszulenken und gegen die zu bedruckende Solarzelle zu
drücken.
Konventionelle Dickschichtdrucker verwenden daher eine sogenannte
Diamantrakel, bei der ein im Querschnitt quadratisches Profil mit
der Spitze gegen das Drucksieb gerichtet ist. Eine solche Diamantrakel
ist nur in sehr geringem Maße
in der Lage, elastisch zu federn und kann daher auch nur in sehr
geringem Maße
Oberflächenunebenheiten
der gerade beruckten Solarzelle ausgleichen. Erfindungsgemäß wird ein
flexibler Materialstreifen schräg
zum Drucksieb angeordnet, so dass sich bereits aus dieser geometrischen
Anordnung eine hohe Flexibilität
der Rakel ergibt. Darüber
hinaus wird ein gummiähnliches
Material mit geringer Shorehärte
gewählt,
so dass auch die Rakelkante Unebenheiten der gerade bedruckten Solarzelle
gut folgen und diese ausgleichen kann. In Verbindung mit einer vergleichsweise
geringen Siebspannung passt sich das Drucksieb dadurch unter dem
Druck der Rakel an die Oberflächenunebenheiten
der gerade bedruckten Solarzelle an, so dass ein zufriedenstellendes
Druckbild erreicht werden kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung beträgt
eine Siebruhe des Drucksiebs allseitig mindestens 150 mm und eine
Spannung des Drucksiebs wird kleiner oder gleich 25 N/cm gewählt.
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Weiter
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen der Erfindung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der beschriebenen
und gezeigten Ausführungsformen
lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne
den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.
In den Zeichnungen zeigen:
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1a eine
schematische Darstellung eines sogenannten Dickschichtdruckers zum
Bedrucken von Solarzellen nach dem Stand der Technik,
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1b eine
schematische Darstellung eines Drucksiebs für den Dickschichtdrucker der 1a,
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2a eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bedrucken von
Solarzellen mittels Siebdruck,
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2b ein
Drucksieb für
die Vorrichtung der 2a,
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3 eine
weitere schematische Seitenansicht der Vorrichtung der 2a,
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4 eine
weitere schematische Seitenansicht der Vorrichtung der 2a,
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5 eine
schematische Ansicht der Vorrichtung der 2a von
vorne, also entgegen der Bewegungsrichtung der Rakel beim Druck
und
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6 eine
Seitenansicht der Vorrichtung der 2a zur
Verdeutlichung einiger wichtiger Winkel bei der Erfindung.
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Die
Darstellung der 1a zeigt einen konventionellen
sogenannten Dickschichtdrucker 10 zum Bedrucken von Solarzellen.
Der Dickschichtdrucker 10 weist ein Drucknest 12 auf,
auf dem eine zu bedruckende Solarzelle 14 aufliegt. Parallel
zum Drucknest ist ein Drucksiebrahmen 16 gehalten, an dem
ein Drucksieb 18 im gespannten Zustand befestigt ist. Eine
Druckrakel 19 weist einen Rakelhalter 20 und ein
Rakelgummi 22 auf. Während
des Druckens wird die Rakel 19 gegen das Drucksieb 18 in
Richtung auf die Solarzelle 14 gedrückt und in Richtung des Pfeils 24 über die
Oberfläche
der Solarzelle hinwegbewegt. Hierzu muss ein Abstand a zwischen dem
Drucksieb im ebenen Zustand und der Oberfläche der zu bedruckenden Solarzelle 14 überwunden werden,
der auch als Siebdruckformdistanz oder Absprung bezeichnet wird.
Der konventionelle Dickschichtdrucker 10 arbeitet mit hohen
Siebspannungen, sehr massiven, stabilem Siebrahmen 16,
sehr harten Druckrakeln 19 und sehr geringer Formdistanz
a. Aufgrund der hohen Siebspannungen ist die Kraft, die mittels
der Rakel aufgebracht werden muss, um den Abstand a zu überwinden,
vergleichsweise hoch. Der Rakelgummi 22 muss daher aus elastischem
Material mit großer
Shorehärte
bestehen, um sicherzustellen, dass die gegen das Sieb drückende Kante
des Rakelgummis 22 nicht mit einer so großen Fläche auf
dem Sieb aufsteht, dass kein exakter Druck mehr möglich ist.
Darüber
hinaus wird die Querschnittsform des Rakelgummis 22 quadratisch
gewählt,
so dass auch bereits aufgrund dieser Formgebung und der Anordnung
als auf eine Kante gestelltes Quadrat der Rakelgummi 22 nur
wenig flexibel ist.
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Die
Darstellung der 1b zeigt den Siebrahmen 16 und
das Drucksieb 18 in einer schematischen Ansicht von oben.
Ein Bereich 26 des Drucksiebs 18 markiert den
Bereich, in dem das Druckbild auf die Solarzelle 14 aufgebracht
wird. Ein Abstand zwischen der Außenkante des Bereichs 26 und
der Innenkante des Siebrahmens 16 wird als Siebruhe R bezeichnet.
Um eine hohe Druckpräzision
sicherzustellen, wird bei Drucksieben für konventionelle Dickschichtdrucker
mit kleinen Siebru hen R gearbeitet. Mit der Bezugsziffer 16a ist
der sehr massive und große
Querschnitt des Siebrahmens 16 angedeutet.
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Die
schematische Seitenansicht der 2a zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zum
Bedrucken der Solarzelle 14 mittels Siebdruck. Die Vorrichtung 30 weist
ein Drucknest 32 auf, auf dem die Solarzelle 14 liegt.
Ein Siebrahmen 34 spannt ein Drucksieb 36 und
während
des Drucks wird eine Rakel 38 gegen das Drucksieb 36 und
die Solarzelle 14 gedrückt
und dann in Richtung des Pfeils 40 über die zu bedruckende Oberfläche der
Solarzelle 14 bewegt. Die Rakel 38 weist einen
in Bezug auf das Drucksieb 36 schräg gestellten flexiblen Materialstreifen
aus elastischem Material auf. Ein Rakelhalter, in dem der Materialstreifen
befestigt ist, ist der Übersichtlichkeit
halber in der 2a nicht dargestellt.
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Bei
einem Vergleich der Rakel 38 der 2a mit
der Rakel des Dickschichtdruckers der 1a wird
bereits deutlich, dass aufgrund der Form der Rakel 38 als
ein länglicher
Materialstreifen die Rakel 38 eine wesentlich höhere Flexibilität aufweist,
als die Rakel des Dickschichtdruckers der 1a. Darüber hinaus
wird für
das Material der Rakel 38 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein gummiähnliches Material
mit einer Shorehärte
von weniger als 65 gewählt.
Die Rakel 38 kann sich dadurch gut an Oberflächenunebenheiten
der Solarzelle 14 anpassen.
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Der
Siebrahmen 34 ist an seinem in der Bewegungsrichtung 40 der
Rakel 38 beim Druck gesehen vorderen Ende an einem Drehpunkt 42 schwenkbar
gelagert. Der Siebrahmen kann somit entlang einem Pfeil 44 mit
seinem hinteren Ende nach oben geschwenkt werden und beispielsweise
die in der 2a gestrichelt dargestellte
Position einnehmen.
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Die
Rakel 38 ist in der 2a in
zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt, einmal durchgezogen
in etwa zu Anfang der Druckbewegung und einmal gestrichelt bei etwa
zwei Drittel der Druckbewegung über
die Solarzelle 14. Durchgezogen dargestellt ist die Position
des Drucksiebs 36 in der durchgezogen dargestellten Lage
der Rakel 38. Gestrichelt dargestellt ist die Lage des
Drucksiebs 36, die dieses einnimmt, wenn sich die Rakel 38 in
ihrer gestrichelt dargestellten Position befindet und sich der Siebrahmen 34 in
seiner mittels des Sieblifts einseitig angehobenen Position befindet.
Eine strichpunktierte Linie deutet eine lediglich gedachte Lage des
Drucksiebs 36 an, wenn sich der Siebrahmen 34 in
der nach oben verschwenkten Position befindet.
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Während der
Druckbewegung der Rakel 38 über die Oberfläche der
Solarzelle 14 wird das hintere Ende des Siebrahmens 34 entlang
dem Pfeil 44 angehoben. Dies bewirkt, dass in Richtung
des Pfeils 40 gesehen hinter der Rakel sich das Drucksieb 36 schneller
von der Oberfläche
der Solarzelle 14 ablöst.
Speziell ist ein Auslösewinkel,
den der Abschnitt des Drucksiebs hinter der Rakel 38 mit
der Oberfläche
der Solarzelle 14 einschließt, für eine gegebene Rakelposition
größer als
dann, wenn das Drucksieb 34 während der Druckbewegung der
Rakel 38 nicht nach oben geschwenkt wird. Ohne Anheben
des Drucksiebs wird der Auslösewinkel
mit zunehmendem Rakelweg kleiner. Dieses Anheben des Drucksiebs 34 im
Bereich seines hinteren Endes sorgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dafür,
dass sich das Drucksieb 36 hinter der Rakel rasch von der Oberfläche der
Solarzelle 14 abhebt und damit auch rasch von der mittels
der Rakel 38 durch das Drucksieb 36 hindurchgedrückten und
hinter der Rakel 38 auf der Solarzelle 14 befindlichen
Druckpaste abhebt. Dadurch kann während der gesamten Druckbewegung
der Rakel 38 über
die Oberfläche
der Solarzelle 14 ein präzises Druckbild erreicht werden,
da auch am Ende der Druckbewegung der Rakel 38 sich das
Drucksieb 36 rasch aus der aufgebrachten Druckpaste heraus bewegt,
indem der Auslösewinkel oberhalb
eines vorbestimmten Werts oder auf einem konstanten Wert gehalten
wird.
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Im
Vergleich zum konventionellen Dickschichtdrucker der 1a zeigt
die Darstellung der 2b, dass der Drucksiebrahmen 34 einen
wesentlichen geringeren Querschnitt 34a aufweist, als der Querschnitt 16a des
Siebrahmens 16 des Dickschichtdruckers 10. Die
erfindungsgemäß verwendeten
Siebspannungen sind deutlich geringer als bei konventionellen Dickschichtdruckern,
so dass leichter gebaute Siebrahmen 34 verwendet werden
können.
Wesentlich sind dabei im Vergleich zu konventionellen Dickschichtdruckern
nicht die absoluten Querschnittsmaße, sondern das Verhältnis von
Siebrahmenquerschnitt zu Siebrahmengröße, das beim konventionellen
Dickschichtdrucker deutlich größer ist
als bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Darüber hinaus
ist im Vergleich zum Dickschichtdrucker der 1a festzustellen,
dass der Drucksiebrahmen 34 bedeutend größer ist
als der Drucksiebrahmen 16 der 1a und 1b.
Insbesondere ist die Siebruhe R zwischen dem Bereich 26 des
Drucksiebs 36, der das Druckbild aufweist, und der Innenseite
des Siebrahmens 34 wesentlich größer als bei dem Drucksieb gemäß 1b.
Speziell beträgt
die Siebruhe R bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung allseitig mindestens
150 mm. Der Bereich 26 mit dem Druckbild des Drucksiebs 36 lässt sich
daher wesentlich leichter in Richtung auf die Solarzelle 14 bewegen,
als dies bei dem Drucksieb der 1b der
Fall ist. Dies deshalb, da die Siebruhe R größer ist und auch eine Siebspannung
von 25 N/cm oder weniger gewählt
wird. Infolgedessen können
bei der Erfindung wesentlich geringere Rakelkräfte gewählt werden.
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Die
Darstellungen der 3 und 4 zeigen
die Vorrichtung der 2a in zwei unterschiedlichen
Stellungen. Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 bevor
mit dem Druck begonnen wird und das Druck sieb 36 parallel
zu der zu bedruckenden Oberfläche
der Solarzelle 14 ausgerichtet ist. Ein Abstand zwischen
dem Drucksieb 36 und der zu bedruckenden Oberfläche der
Solarzelle wird, wie erwähnt,
als Absprung oder Formdistanz a bezeichnet. Im Vergleich zum konventionellen
Dickschichtdrucker 10 der 1a wird
die Formdistanz wesentlich größer gewählt und
liegt beispielsweise bei 4 mm. In dem Zustand der 3 berührt die
Rakel 38 das Drucksieb 36, drückt dieses aber noch nicht
in Richtung der Solarzelle 14 nach unten.
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Der
in der 4 schematisch dargestellte Zustand zeigt den Beginn
des Drucks auf der Solarzelle 14. Mittels der Rakel 38 ist
das Drucksieb 36 nach unten gedrückt worden, bis das Drucksieb 36 die
Solarzelle 14 berührt.
Im weiteren Verlauf wird die Druckrakel 38 nun in der Darstellung
der 4 nach rechts über
die zu bedruckende Oberfläche
der Solarzelle 14 bewegt.
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Die
schematische Darstellung der 5 zeigt
eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 der 2a,
also entgegen dem Pfeil 40. Es ist zu erkennen, dass die
zu bedruckende Solarzelle 14 eine unebene Oberfläche aufweist.
Das Drucksieb 36, das der Übersichtlichkeit der Darstellung
halber in einem gewissen Abstand über der zu bedruckenden Oberfläche der
Solarzelle 14 dargestellt ist, ist aufgrund der gewählten geringen
Siebspannung und der gewählten
großen
Siebruhe aber in der Lage, sich unter dem Druck der Rakel 38 im Bereich
der Rakelkante 46 an die Oberflächenunebenheiten der Solarzelle 14 anzupassen.
Die Rakel 38 ist aufgrund der geringen Härte von
maximal 65 Shore sowie aufgrund der gewählten Rakelform wiederum so
elastisch, dass die Rakelkante 46 ebenfalls dem Oberflächenverlauf
der Solarzelle 14 folgen kann und somit ein durchgehender
linienförmiger Kontakt
zwischen Drucksieb 36 und Oberfläche der Solarzelle 14 entsteht.
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Die
Druckrakel 38 ist mittels eines Rakelhalters 48 gehalten.
Der Rakelhalter 48 ist mittels zweier Druckzylinder 50, 52 an
einem Rakelbalken 54 befestigt. Die Druckzylinder 50, 52 werden über nicht
dargestellte Druckleitungen beispielsweise mit Druckluft beaufschlagt
und bewirken, dass die Rakel 38 gegen das Drucksieb 36 und
die Solarzelle 14 gedrückt wird.
Der Rakelbalken 54 ist seitlich entlang nicht dargestellter
Schienen bewegbar, in der Darstellung der 5 also in
die Zeichenebene hinein und aus dieser heraus. Kolbenstangen der
Druckzylinder 50, 52 sind mittels Gelenken 56, 58 schwenkbar
am Rakelhalter 48 befestigt.
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Die
Druckrakel 38 kann somit ihre Winkellage relativ zum Rakelbalken 54 ändern, dass
also der Rakelhalter 48 nicht mehr parallel sondern in
einem Winkel zum Rakelbalken 54 angeordnet ist. Diese Änderung
der Winkellage der Rakel 38 erfolgt automatisch beim Aufsetzen
auf die Solarzelle 14. Falls die zu bedruckende Oberfläche der
Solarzelle 14 schräg
zum Rakelbalken 54 angeordnet ist, stellt sich die Druckrakel 38 automatisch
parallel zu der zu bedruckenden Oberfläche der Solarzelle 14 ein.
Da beide Druckzylinder 50, 52 mit dem gleichen
Druck beaufschlagt werden, wird über
die Länge
der Rakelkante 46 eine konstante Anpresskraft, die sogenannte
Rakelkraft erzielt.
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Um
eine Anpassung an verschiedene Rakellängen in einfacher Weise vornehmen
zu können, sind
die Druckzylinder 50, 52 entlang dem Rakelbalken 54 verstellbar
und an diesem lediglich durch Klemmschrauben gesichert. Nicht dargestellte Klemmschrauben
oder Klemmhebel sind ebenfalls vorgesehen, um den Rakelhalter 48 schnell
und werkzeuglos an den Druckzylindern 50, 52 befestigen
zu können.
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Die
Druckzylinder 50, 52 sind so bemessen, dass eine Änderung
des beaufschlagenden Drucks nur zu einer geringen Änderung
der Rakelkraft führt, mit
der die Rakel 38 gegen das Drucksieb 36 und die Solar zelle 14 gedrückt wird.
Speziell werden die Druckzylinder so ausgelegt, dass bei einer Änderung des
die Druckzylinder 50, 52 beaufschlagenden Drucks
von 1 bar eine Änderung
einer Rakelkraft um maximal 2,5 N/cm und speziell 1,8 N/cm bewirkt
wird. Dies wird durch eine Verringerung der Zylinderbohrungen der
Druckzylinder erreicht, die beispielsweise lediglich einen Durchmesser
von 20 mm oder 12 mm aufweisen.
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Die
Darstellung der 6 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 der 2a in
einer weiteren schematischen Darstellung, wobei, um Winkelverhältnisse
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu verdeutlichen, eine Schrägstellung
des Siebrahmens 34 stark übertrieben dargestellt ist.
Im Vergleich mit 2a ist festzustellen, dass sich
der Drehpunkt 42 in der Darstellung der 2a rechts befindet,
in der Darstellung der 6 befindet sich der Drehpunkt
dahingegen links. Der Siebrahmen 34 mit dem Drucksieb 36 ist
um den Drehpunkt 42 schwenkbar angelenkt. Der Siebrahmen 34 ist
durchgezogen in einer verschwenkten, mit seinem hinteren Ende angehobenen
Stellung dargestellt. Gestrichelt ist eine Position des Siebrahmens 34 dargestellt,
in der das Drucksieb 36 parallel zu der zu bedruckenden
Oberfläche
der Solarzelle 14 angeordnet ist. Während des Drucks bewegt sich
die Rakel 38 in Richtung des Pfeils 40, in der
Darstellung der 6 also nach links. Ein Auslösewinkel α, den das
Drucksieb 36 mit der gerade bedruckten Oberfläche der Solarzelle 14 hinter
der Rakel 38 einschließt,
wird gemäß der Erfindung
oberhalb eines kritischen Werts gehalten. Es hat sich als vorteilhaft
erwiesen, den Auslösewinkel α während des
gesamten Druckvorgangs oberhalb von 0,8° und speziell konstant bei etwa
1° zu halten.
Ein Winkel β,
den das Drucksieb 36 mit der noch zu bedruckenden Oberfläche der
Solarzelle 14 vor der Rakel 38 einschließt, steigt
während
des Druckens an, gemäß einer
realisierten Ausführungsform
von etwa 0,3° auf
annähernd
1°. Ein Winkel γ, um den
der Drucksiebrahmen 34 ausgehend von seiner gestrichelten
Lage in die durchgezogen darge stellte Lage verschwenkt wird, beträgt zu Anfang
des Druckvorgangs 0° und
steigt dann bis auf etwa 0,5° an.
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Eine
Länge S
bezeichnet den sogenannten Sieblift in mm, die Länge also, um die der Drucksiebrahmen 34 am
Ende einer Verlängerung 60 angehoben
wird. Der Abstand a, also der sogenannte Absprung oder die Siebdruckformdistanz
kann bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform zwischen 2 mm und
5 mm liegen. Der sogenannte Sieblift S ist im Zusammenhang mit dem
Weg zu sehen, den die Rakel 38 während des eigentlichen Druckvorgangs
zurücklegt.
Bei der dargestellten Ausführungsform
wird die Verlängerung 60 des
Drucksiebs 34 um 4,2 mm pro 200 mm Rakelweg angehoben,
wobei der Sieblift zwischen 0 mm pro 200 mm Rakelweg und 5 mm pro
200 mm Rakelweg eingestellt werden kann.
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Die
Länge L1
bezeichnet den Abstand des Angriffspunkts einer nicht dargestellten
Vorrichtung zum Anheben des Siebrahmens 34 an der Verlängerung 60.
Die Länge
L1 beträgt
bei der dargestellten Ausführungsform
689 mm. Die Länge
L2 bezeichnet den Abstand der hinteren Innenkante des Siebrahmens 34 vom
Angriffspunkt der Siebliftvorrichtung. L2 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform
85 mm. L3 bezeichnet die Sieblänge,
also den Abstand von der hinteren Innenkante des Siebrahmens 34 zur vorderen
Innenkante des Siebrahmens. Die Länge L3 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform 520
mm. X bezeichnet die Position der Rakel 38. Zu Beginn des
eigentlichen Druckvorgangs beträgt
der Abstand X der Rakel zur hinteren Innenkante des Siebrahmens 34 108
mm, am Ende des Druckvorgangs beträgt dieser Abstand 362 mm.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
wird es durch das Anheben des Drucksiebrahmens 34 ermöglicht,
den Auslösewinkel
a während
des gesamten Druckvorgangs konstant auf einem Wert von etwa 1° zu halten.
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Insgesamt
wird durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Bedrucken von Solarzellen mittels Siebdruck geschaffen, das sich durch
eine hohe Toleranz gegenüber
Veränderungen von
Siebdruckparametern auszeichnet. Zu diesen Siebdruckparametern gehört beispielsweise
die Formdistanz oder der Absprung a, der bereits aufgrund von Unebenheiten
der zu bedruckenden Solarzellen oder aufgrund von Dickenunterschieden
der zu bedruckenden Solarzellen von einem Sollwert abweichen kann.
Ein weiterer Siebdruckparameter ist die Ebenheit der zu bedruckenden
Oberfläche.
Gerade bei String-Ribbon-Wafern, die sich durch eine sehr unebene
Oberfläche
auszeichnen, können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Gerade String-Ribbon-Wafer-Solarzellen sind
darüber
hinaus extrem bruchempfindlich, wobei auch hier mit der Erfindung
sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Die geringe Siebspannung, die große Siebruhe,
der flexibel aufgehängte
und weiche Rakelgummi sowie vor allem das einseitige Anheben des
Drucksiebs an seinem hinteren Ende während des Druckvorgangs erlauben
es, eine sehr gute Druckqualität
bei gleichzeitig sehr geringer Belastung der bedruckten Solarzellen
zu erzielen. Die Bruchrate ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
daher äußerst gering
und Stillstandszeiten, die sich zwangsläufig ergeben, wenn Splitter
von Wafern vom Drucksieb oder dem Drucknest entfernt werden müssen, können sehr
gering gehalten werden. Zu der sehr guten Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
trägt auch
bei, dass die Rakelkraft, mit der die Rakel gegen das Drucksieb
und die Solarzelle gedrückt
wird, zum einen absolut gering ist und zum anderen auch nur sehr
geringen Schwankungen unterworfen ist. Weiterhin trägt die um
eine Längsrichtung
der Bewegung der Druckrakel beim Druck schwenkbare Aufhängung der
Rakel dazu bei, dass Abwei chungen von der Parallelität zwischen
zu bedruckender Oberfläche
und Drucksieb leicht ausgeglichen werden können. Das Vorsehen von wenigstens
zwei Druckzylindern zum Aufbringen der Rakelkraft sorgt gleichzeitig
dafür,
dass auch schräge Oberflächen mit über die
gesamte Breite der Rakel konstanter Rakelkraft beaufschlagt werden.