TWI549833B - Screen printing with mesh components and screen printing version - Google Patents

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TWI549833B
TWI549833B TW102121734A TW102121734A TWI549833B TW I549833 B TWI549833 B TW I549833B TW 102121734 A TW102121734 A TW 102121734A TW 102121734 A TW102121734 A TW 102121734A TW I549833 B TWI549833 B TW I549833B
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Keigo Takaoka
Takayasu DAINICHI
Kazuo Yoshikawa
Takashi Kobori
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Kobelco Res Inst Inc
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Description

網版印刷用網目構件及網版印刷版
本發明係有關太陽能電池的表面電極之網版印刷所使用之網版印刷版及用來構成此種網版印刷版之網目構件(網版印刷用網目構件)，特別是有關在太陽能電池的表面電極印刷所使用之網版印刷中，能夠不減低太陽能電池中的變換效率，而削減所使用的表面電極用銀膏之使用量，促進貴金屬資源的有效活用，且抑制製造成本之網版印刷用網目構件及網版印刷版。
在太陽能電池胞的表面電極中，有集電用主電極(稱為「母線電極」(bus bar electrode))與集電用柵電極(grid electrode)(稱為「指狀電極」(finger electrode))。這些表面電極，是在太陽能電池胞的製造工程中藉由將導電性銀膏網版印刷而形成。圖1(a)~(b)(照片代替圖面)揭示太陽能電池胞的表面電極(母線電極及指狀電極)構成例。圖1(b)為圖1(a)中主要部分A的擴大圖。
網版印刷所使用之網版印刷版中，廣泛使用 由金屬或樹脂(例如聚酯)構成之細線所編製成的網目構件(以下稱為「細線網目構件」)，在該細線網目構件的周緣，使其與聚酯細線所編製成的網目編織物接合(亦稱為組合式遮罩(combination mask))，最後固定於鋁框，再形成印刷圖樣而作為網版印刷版(以下或略稱為「印刷版」)(圖2)。又，最近亦開始使用對壓延金屬箔以蝕刻法開孔而成之金屬箔網目構件(例如專利文獻1)。
圖3(a)~(b)為網版印刷所使用之汎用印刷版的部分擴大說明圖。將細線網目構件〔圖3(a)〕或金屬箔網目構件〔圖3(b)〕貼在版框(未圖示)之後，於全面塗佈樹脂(感光性乳劑)後以遮罩覆蓋，僅對未印刷的部分(例如圖3(a)~(b)的「4」部分)曝光，使感光性乳劑硬化，接著除去欲印刷的部分(例如圖3(a)~(b)的「3」部分)的感光性乳劑，僅留下4的一部分而製作出網版印刷版5(圖中，1表示線部、2表示網目構件的開口部(孔))。該除去感光性乳劑的部分3，稱為印刷圖樣部。
圖4揭示利用細線網目構件或金屬箔網目構件來進行網版印刷時的狀態模型。使刮板(squeegee)6從圖右側往左側移動，如此一來，在印刷圖樣部3(參照前述圖3(a)~(b))的開口部(孔)2會充填膏7，且使膏7附著於印刷對象物8。刮板6通過後，藉由印刷版的張力，網版印刷版5(參照前述圖3(a)~(b))與印刷對象物8會分離，但膏7會留在印刷對象物8上， 按照除去感光性乳劑的印刷圖樣而被印刷。
太陽能電池的表面電極形成時所使用之印刷版，是在網目構件塗佈感光性乳劑後，將指狀電極與母線電極的配線形狀曝光、顯影，接著除去銀膏透過的電極部分的感光性乳劑，製作出印刷圖樣。於壓延金屬箔網目構件形成指狀電極與母線電極的印刷圖樣之印刷版構成例，如圖5(a)~(b)所示。圖5(b)為圖5(a)中主要部分B的擴大圖。
太陽能電池的變換效率(從光能變為電能之變換效率)，會因表面電極的面積與電阻值而大幅受到影響。亦即，電極面積(俯視面積)愈小，或電阻值愈小，變換效率愈會提升。
指狀電極的條數多，且電極部分會遮蔽太陽光，故為了增大受光面積而提高太陽能電池的變換效率，必須印刷得更細。又，一旦將電極變細而電極的電阻值下降，太陽能電池的變換效率便會降低，故必須設法將寬度變窄的部分轉變成厚度，保持電極的截面積一定，以免使電阻值降低。
母線電極比指狀電極更要求低電阻值，故會在母線電極上銲接銅製的帶(ribbon)(稱為「舌片」)，將全體做成低電阻的電極體。舌片寬度係每隔母線電極條數而呈近乎一定寬度，例如以4條構成的情形下每片的寬度設定在1000μm左右，以3條構成的情形下每片1500μm左右，以2條構成的情形下每片1800μm左 右，母線電極的寬度會配合舌片寬度而印刷。
在母線電極，為了藉由舌片實現低電阻，其不需要印刷厚度，只要有足夠舌片銲接的最低限度厚度即可。該舌片，在將太陽能電池彼此串聯連接而構成太陽能電池模組時，亦發揮將相鄰太陽能電池間連接之作用。在母線電極裝上舌片，連接至相鄰太陽能電池胞的背面電極之狀態模型，如圖6(a)~(b)所示。圖6(b)為圖6(a)中主要部分C的擴大圖。
為了將指狀電極印刷得細且更厚，必須將印刷版的指狀電極對應部(前述圖5(a)~(b)中示意為「指狀電極部」)中的開口面積率提高，使用細線網目構件的印刷版，其指狀電極對應部的開口面積率係設定在60%左右(例如專利文獻2)。如果在細線網目構件將開口面積率增大到此值以上，那麼寬度較大的母線電極對應部(前述圖5(a)~(b)中示意為「母線電極部」)中的網目構件強度會不足，印刷時會發生網目破裂。因此，細線網目構件中一般而言是將開口面積率抑制在最大60%左右。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1：日本特開2011-194885號公報
專利文獻2：日本特開2007-62079號公報
細線網目構件是將細線以一定間隔編製而成，故網目構件的所有區域之開口面積率為一定，開口面積率不因區域而變化。因此，若要增大指狀電極對應部的開口面積率而將指狀電極增厚，則必然地母線電極亦會變厚。母線電極係銲接舌片，故厚度不必太厚，如果在開口面積率大的印刷版印刷母線電極，那麼會徒增銀的使用量。目前，太陽能電池中使用的銀膏所含的銀量，據稱有全世界銀產量的約10%，若將來太陽能電池的損益分歧量(break-even quantity)達現在的10倍以上，那麼銀資源會有枯竭之虞。
從有效活用貴金屬資源的觀點看來，如何減少銀膏的使用量，亦即如何抑制母線電極的厚度進而減少銀膏的使用量，將成為新的課題。減少銀膏的使用量，也意味著太陽能電池製造成本的減低，故也期盼藉由發電成本的減低，對太陽能電池的普及帶來重大貢獻。太陽能電池的製造成本(於矽晶圓裝配電極而成的太陽能電池胞之製造成本)中，銀膏所佔比率據稱有10%左右。
本發明係有鑑於此一狀況而研發，目的在於提供一種網版印刷用網目構件及網版印刷版，作為太陽能電池時能夠不減低其性能，而削減所使用的表面電極用銀膏之使用量，促進貴金屬資源的有效活用，且抑制製造成本。
達成上述目的的本發明之網版印刷用網目構件，係為以網版印刷來形成作為太陽能電池的表面電極之指狀電極及母線電極時所使用的網版印刷用網目構件，其特徵為：該網目構件係為對壓延金屬箔以蝕刻做開孔加工而成，在指狀電極對應部，形成為橫長型的各個孔，是朝與該孔的橫長方向正交之方向排列設置，該孔的橫長方向的長度，是比印刷圖樣預定部的寬度還大，其端部形成為延伸至印刷圖樣預定部的外側，在母線電極對應部，係有同一形狀的孔朝縱方向及橫方向複數並排配列設置，且指狀電極對應部之開口面積率，比母線電極對應部之開口面積率還大。
本發明之網版印刷用網目構件中，較佳是，指狀電極對應部的開口面積率為65~85%，母線電極對應部的開口面積率為25~70%。此外，較佳是，相對於指狀電極對應部的開口面積率，母線電極對應部的開口面積率的比值為0.30~0.80。
依照具備上述網版印刷用網目構件的網版印刷版，於太陽能電池的表面電極印刷所使用之網版印刷當中，作為太陽能電池時便能夠不減低其性能，而削減所使用的表面電極用銀膏之使用量，促進貴金屬資源的有效活用，且抑制製造成本。該網版印刷版中，較佳是，指狀電極對應部的印刷圖樣的寬度為35~75μm。
按照本發明之網目構件，是將壓延金屬箔以蝕刻做開孔加工，且規定了指狀電極對應部及母線電極對應部之開口面積率關係，故作為太陽能電池時不減低其性能，能夠完成一種實現膏使用量的削減之網版印刷用網目構件、及具備該種網版印刷用網目構件而構成之網版印刷版。
1‧‧‧線部
2‧‧‧孔(開口部)
3‧‧‧印刷圖樣部
5‧‧‧網版印刷版
6‧‧‧刮板
8‧‧‧印刷對象物
[圖1]圖1(a)~(b)為太陽能電池胞的表面電極(母線電極及指狀電極)構成例示意照片代替圖面。圖1(b)為圖1(a)中主要部分A的擴大圖。
[圖2]圖2為網版印刷中使用的網版印刷版構成例示意概略說明圖。
[圖3]圖3(a)~(b)為網版印刷所使用之汎用印刷版的部分擴大說明圖。
[圖4]圖4為利用細線網目構件或金屬箔網目構件來進行網版印刷時的狀態模型示意說明圖。
[圖5]圖5(a)~(b)為於壓延金屬箔網目構件形成指狀電極對應部與母線電極對應部的印刷圖樣之印刷版構成例示意概略說明圖。圖5(b)為圖5(a)中主要部分B的擴大圖。
[圖6]圖6(a)~(b)為在母線電極裝上舌片，連接至相鄰太陽能電池胞的背面電極之狀態模型示意說明圖。圖6(b)為圖6(a)中主要部分C的擴大圖。
[圖7]圖7(a)~(b)為在指狀電極對應部形成之孔形狀例示意概略說明圖。
[圖8]圖8(a)~(d)為在母線電極對應部形成之孔形狀例示意概略說明圖。
[圖9]圖9(a)~(b)為用來說明開口面積率之圖(圖7(a)~(b)對應說明圖)。
[圖10]圖10為開口率比(開口面積率比)與膏重量之關係示意圖表。
本發明團隊為達成上述目的，從各種角度進行檢討。其結果發現，將網目構件中指狀電極對應部的開口面積率設計成比母線電極對應部的開口面積率還大，亦即提高銀膏的透過量而將指狀電極印刷得較細且厚，同時控制銀膏從母線電極對應部的透過量，不使其高過必要以上的量，藉此，作為太陽能電池時便能不減低其性能，實現膏使用量的削減，進而完成本發明。
為了改變指狀電極與母線電極的印刷厚度，必須在網目構件的階段便改變指狀電極對應部與母線電極對應部之開口面積率。亦即，將指狀電極對應部的開口面積率形成為比母線電極部的開口面積率還大。對壓延金屬 箔以蝕刻開孔而得到之網目構件中，由於蝕刻圖樣可自由設定，故在指狀電極對應部與母線電極對應部可改變開口面積率。如前所述，若是細線網目構件，則無法部分地改變開口面積率，要在指狀電極對應部與母線電極對應部改變開口面積率，唯有使用利用壓延金屬箔網目構件的網版印刷版才有可能辦到。
作為壓延金屬箔的素材，除不鏽鋼以外，凡是鈦合金、鎳合金、銅合金等可做成箔狀之物均可，舉例來說，若是不鏽鋼則有SUS304H等、若是鈦合金則有JISH4600 80種等、若是鎳合金則有JISCS2520(1986)NCHRW1等、若是銅合金則有JISH3130 C1720R-H等。此外，此類壓延金屬箔在市面上均普遍販售，可容易取得。
網目構件的厚度(壓延金屬箔的厚度)並無特別限定，但較佳為5μm以上30μm以下。從強度的觀點看來，更佳為10μm以上。
另，所謂指狀電極對應部，係指網版印刷之後，與成為指狀電極的部分相對應之網目構件部分，而母線電極對應部則是指網版印刷之後，與成為母線電極的部分相對應之網目構件部分。又，所謂印刷圖樣預定部，係指在網版印刷階段，與設定為印刷圖樣的部分相對應之網目構件部分，但此部分為便於說明，有時會稱為「印刷圖樣部」。
為了達成高開口面積率，在印刷圖樣部內(即印刷圖樣預定部內)，必須做成儘可能不存在網目線 部的形狀。依照本發明的網目構件，在指狀電極對應部的孔形狀形成為橫長型的各個孔，是設計成朝與該孔的橫長方向正交之方向排列設置，該橫長方向的長度形成為比印刷圖樣預定部的寬度還大，其端部形成為延伸至印刷圖樣預定部的外側，藉此，成功得到65~85%的高開口面積率。這樣的孔形狀(開口形狀)如圖7(a)~(b)所示〔圖7(a)揭示略長方形者、圖7(b)揭示橢圓形者〕。另，在指狀電極對應部的孔形狀，只要滿足上述要件即可，並不限定於圖示之略長方形或橢圓形。
圖7(a)~(b)所示之孔形狀，於印刷圖樣的長邊方向(圖7(a)~(b)的上下方向)不存在網目線部，故網目容易變形，僅能使用在線部寬度為75μm以下的較細印刷圖樣部寬度。但，如果指狀電極對應部的印刷圖樣部寬度在35μm以下，那麼膏的吐出會受到抑制，其結果，電極的斷線在實用上會造成問題，故指狀電極對應部的印刷圖樣部寬度較佳是設計成35~75μm。更佳為40μm以上、70μm以下。
另一方面，在母線電極對應部，係有同一形狀的孔朝縱方向及橫方向複數並排排配列設置。此時，孔形狀可使用一般網目構件所使用的正方形、長方形、六角形或圓形，但並不限定於該些。這樣的孔形狀(開口部形狀)的例子如圖8(a)~(d)所示。在圖8(a)~(d)，分別揭示代表性的孔形狀，即上述正方形、長方形、六角形及圓形。
依照在母線電極對應部具有上述孔形狀的網目構件，能夠滿足強度上的需要，故即使將開口面積率設計成25~70%(更佳為30~65%)，製作成一般的母線電極寬度1000~2000μm左右，也可使用而不產生問題。在母線電極對應部的開口面積率若比70%還大，則印刷時便容易發生網目構件破裂。又，若開口面積率比25%還小，則印刷後的母線電極會發生印刷模糊，與指狀電極的連接會變得不穩定，且舌片的銲接亦會發生問題。
上述所謂開口面積率，例如如圖9(a)~(b)(圖7(a)~(b)對應說明圖)所示，係指以孔的端部作為基準，來設定形成有孔(開口部)的區域與除此以外區域之間的交界(以虛線表示)之情形下，孔(開口部)在被虛線包圍的區域內的面積比例(俯視面積率：%)。另，圖9(a)~(b)中雖揭示在指狀電極對應部(圖中示意為「指狀電極部」)的開口面積率之情形，但在母線電極對應部的開口面積率之情形，亦以同樣方式計算。
依照本發明之網目構件，是將指狀電極對應部的開口面積率設計成比母線電極對應部的開口面積率還大，但相對於指狀電極對應部的開口面積率，母線電極部的開口面積率的比值(「母線/指狀」，以下或略稱為「開口率比」)較佳為0.30~0.80。此開口率比若比0.30還小，則在網版印刷時，銀膏的量便會過少，容易發生印刷模糊。又，若開口率比比0.80還大，則便不容易獲得 銀膏量減低之效果。開口率比更佳為0.40以上、更佳為0.70以下。
改變指狀電極對應部的開口面積率與母線電極對應部的開口面積率，製作出網目構件，並構成具備它們的印刷版，利用此印刷版來進行印刷試驗，測定此時形成於電極的銀膏重量。
此時，網目構件是使用厚度25μm的不鏽鋼壓延箔(日本金屬公司製，SUS301)來作為壓延金屬箔。於壓延金屬箔塗佈光阻劑，將孔排列成在指狀電極對應部與母線電極對應部的孔形狀及開口面積率不同，並使用描繪有印刷後圖樣的玻璃光罩，於曝光後顯影。其後藉由蝕刻，溶解開孔部分的壓延金屬箔，於壓延金屬箔製作出開孔的網目構件。
網目構件的孔形狀，於指狀電極對應部是做成角隅部帶有圓弧的略長方形(參照前述圖7(a))、於母線電極對應部則是做成角隅部帶有圓弧的正方形。孔與孔的間隔(間距)，在指狀電極對應部與母線電極對應部均為100μm。分別獨立地改變指狀電極對應部的開口面積率與母線電極對應部的開口面積率，製作出複數個網目構件(壓延金屬箔網目構件)。此時，在指狀電極對應部的孔大小(圖7(a)所示略長方形的長邊長度)，係設定在75~350μm的範圍，使其比在指狀電極對應部的印刷圖樣寬度(後述表1、2)還大。
網目構件的刮板面側與印刷面側之開口面 積，是以顯微鏡(KEYENCE公司製、型號VHX-2000)測定(依孔的形態不同，開口面積率在兩面會相異)，將各面的開口面積率加以平均，作為開口面積率。此外，開口面積率之測定，是在任一區域(指狀電極對應部及母線電極對應部)，以均等的方式針對5處(例如在指狀電極對應部，是中央1處與四隅的4處)如同上述般測定並平均化。
將樹脂網目裝至網目構件的周邊做成組合式遮罩，並塗佈感光性乳劑後，在指狀電極對應部與母線電極對應部形成印刷圖樣部，製作出印刷版。利用該些印刷版進行網版印刷，測定被印刷的膏重量。膏是使用太陽能電池的表面電極用銀膏(KYOTO ELEX公司製，品名DD-1200M-200)。印刷是使用東海精機公司製網版印刷裝置(型號SSA-PC250)，印刷條件設為印壓10kgf、餘隙1mm、印刷速度200mm/sec，印刷出太陽能電池用多晶型晶圓(外形尺寸156×156mm)。
在網版印刷前及印刷後，以電子天秤(研精工業公司製，型號HR-120)測定太陽能電池晶圓的重量，求出被印刷的膏重量。印刷版中的指狀電極對應部及母線電極對應部的印刷圖樣部寬度，是以顯微鏡(KEYENCE公司製，型號VHX-2000)測定。
此時，為了確保膏的透過性，在指狀電極對應部的開口面積率要儘可能的大，而設定為66~84%之範圍。又，指狀電極對應部的印刷圖樣部寬度設定為30~ 71μm。指狀電極的條數，是設定為太陽能電池中標準使用之範圍，即72~100條。
在母線電極對應部的開口面積率要儘可能的小，由此觀點出發，設定為20%以上、72%以下。在母線電極對應部的印刷圖樣部寬度，當母線電極的條數為2條的情形下每條設定為1700~1800μm、母線電極的條數為3條的情形下每條設定為1450~1500μm。
其結果如下述表1、2所示。下述表1、2中，相對於指狀電極對應部的開口面積率，母線電極對應部的開口面積率的比值(開口率比)依序標上試驗No.。此外，依據此結果，將開口率比與膏重量之關係揭示於圖10。另，表1中以「-」表示的欄位，係指在母線電極對應部(圖10中示意為「母線電極部」)發生了網目破裂。
從該些結果，可做出如下觀察。開口率比從1至0.80為止，膏重量幾乎呈一定值，但當開口率比小於0.80則膏重量會減少，能夠期待成本下降效果。又，較佳是將開口率比設計成0.70以下，藉此可獲得很大的成本 下降效果。但，若開口率比小於0.30(試驗No.40、41)，則在母線電極會看出有印刷模糊。試驗No.40中母線電極對應部的開口面積率為20%、試驗No.41中母線電極對應部的開口面積率為21%，若是該些開口面積率，則印刷模糊難以避免。
若開口率比超過0.80，且母線電極對應部的開口面積率超過70%，則網版印刷時，在印刷版的母線電極對應部的網目構件會發生破裂(試驗No.2、5)，係為無法進行印刷實驗之印刷版。從此觀點看來，母線電極對應部的開口面積率設計成70%以下較佳。
相對於此，開口率比設計成0.30~0.80範圍之網目構件(試驗No.10~39)中，在指狀電極對應部未觀察到網目斷線，且亦未觀察到母線電極模糊，為良好的電極。再者，印刷時在母線電極對應部亦未發現網目構件破裂。
〔實施例〕
以下藉由實施例進一步詳細說明本發明，但下述實施例之性質並非用來限定本發明，在可迎合前後述要旨之範圍內，亦可適當變更而實施，它們均包含在本發明之技術範圍內。
利用下述表3所示規格之網版印刷版(試驗No.42、43)，實際製作出太陽能電池，測定變換效率。製作出的太陽能電池的指狀電極及母線電極之實際寬度與 厚度，是藉由雷射顯微鏡(KEYENCE公司製，型號VK9700)測定。其結果如下述表4所示。
試驗No.42中利用開口率比0.91的印刷版來形成各電極(指狀電極及母線電極)，試驗No.43中利用開口率比0.57的印刷版來形成各電極。膏重量分別為232.0mg(試驗No.42)、190.1mg(試驗No.43)有很大的不同，而變換效率分別為16.4%、16.5%近乎相同水準，可以看出在膏重量被削減的狀態下，作為太陽能電池仍維持其性能。
之所以能實現此情形，是因兩者當中指狀電極的寬度、厚度幾乎相同，而母線電極的寬度幾乎相同但厚度大不相同。亦即，能夠明確看出，利用在指狀電極對應部與母線電極對應部能夠改變孔形狀及開口面積率之壓延金屬箔網目構件所做成之印刷版具有有用性。
以上已參照特定之實施態樣詳細說明了本申請案，但所屬技術領域者當然瞭解，在不脫離本發明精神與範圍內，可施加各種變更或修正。
本申請案是基於2012年6月19日申請之日本專利申請案(特願2812-138165)，其內容被取用於此以作為參照。
〔產業利用性〕
按照本發明之網目構件，是將壓延金屬箔以蝕刻做開孔加工，且規定了指狀電極對應部及母線電極對應部之開口面積率關係，故作為太陽能電池時不減低其性能，能夠完成一種實現膏使用量的削減之網版印刷用網目構件、及具備該種網版印刷用網目構件而構成之網版印刷版。

Claims (6)

  1. 一種網版印刷用網目構件，係為以網版印刷來形成作為太陽能電池的表面電極之指狀電極及母線電極時所使用的網版印刷用網目構件，其特徵為：該網目構件係為對壓延金屬箔以蝕刻做開孔加工而成，在指狀電極對應部，形成為橫長型的各個孔，是朝與該孔的橫長方向正交之方向排列設置，該孔的橫長方向的長度，是比印刷圖樣預定部的寬度還大，其端部形成為延伸至印刷圖樣預定部的外側，在母線電極對應部，係有同一形狀的孔朝縱方向及橫方向複數並排配列設置，且指狀電極對應部之開口面積率，比母線電極對應部之開口面積率還大。
  2. 如申請專利範圍第1項之網版印刷用網目構件，其中，指狀電極對應部的開口面積率為65~85%，母線電極對應部的開口面積率為25~70%。
  3. 如申請專利範圍第1項之網版印刷用網目構件，其中，相對於指狀電極對應部的開口面積率，母線電極對應部的開口面積率的比值為0.30~0.80。
  4. 如申請專利範圍第2項之網版印刷用網目構件，其中，相對於指狀電極對應部的開口面積率，母線電極對應部的開口面積率的比值為0.30~0.80。
  5. 一種網版印刷版，其特徵為：具備申請專利範圍 第1至4項任一項之網版印刷用網目構件。
  6. 如申請專利範圍第5項之網版印刷版，其中，指狀電極對應部的印刷圖樣的寬度為35~75μm。
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