陳煬，單譯琳，楊倬波，李海，張憲民

(華南理工大學(xué)廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510000)

0 前言

激光誘導(dǎo)太陽能正面電極化是指利用激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移原理(Laser Induced Forward Transfer，LIFT)，將銀漿轉(zhuǎn)移至太陽能硅片正面形成柵線的過程。激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)是一種高精度、非接觸式、無需掩膜的數(shù)字化印刷技術(shù)，其激光誘導(dǎo)高黏度漿料轉(zhuǎn)移原理如圖1所示。目標(biāo)材料以薄膜的形式涂膜在透明基片上，以薄膜面朝硅片并使透明基片和硅片保持一定距離。激光透過透明基片聚焦于銀漿薄膜上，銀漿在吸收激光的能量后會(huì)形成高溫高壓的氣泡，該高壓氣泡會(huì)持續(xù)膨脹并推動(dòng)薄膜粘附至硅片，最終在銀漿薄膜和硅片間形成橋式結(jié)構(gòu)。待透明基片垂直移去后，銀漿橋式結(jié)構(gòu)會(huì)斷裂，并在硅片上獲得銀漿。作為一種非接觸式的轉(zhuǎn)印技術(shù)，LIFT能有效避免對(duì)硅片的施壓，從而避免硅片的破碎。另一方面，激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)印技術(shù)無需掩膜，也就不存在堵塞的問題。因此，將激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)印技術(shù)應(yīng)用于太陽能電池電極制備極具前景，是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖1 LIFT基本原理

目前國內(nèi)外針對(duì)激光誘導(dǎo)高黏度銀漿轉(zhuǎn)移的研究并不多，MUNOZ-MARTIN等研究了激光誘導(dǎo)高黏度漿料點(diǎn)轉(zhuǎn)移的機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)移以生成銀漿橋的模式進(jìn)行時(shí)，所獲得的轉(zhuǎn)移點(diǎn)形狀最規(guī)則，具有最高的高寬比。CHEN等討論了激光誘導(dǎo)高黏度漿料線轉(zhuǎn)移的可能性，并成功印刷了連續(xù)的銀漿線，但印刷銀漿線寬度為80～120 μm且呈現(xiàn)波浪狀。SHAN等通過大量實(shí)驗(yàn)，研究了激光能量密度、間隙距離、銀漿黏度、光斑尺寸以及光斑間距對(duì)柵線印刷質(zhì)量的影響，最終根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)成功印刷出寬度為44 μm、高寬比0.54的柵線。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，能量密度、間隙距離、銀漿黏度、光斑尺寸以及光斑間距等參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)最終的印刷結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。對(duì)于激光誘導(dǎo)太陽能電池電極印刷設(shè)備而言，能量密度、光斑尺寸以及光斑間距都能通過激光器系統(tǒng)來穩(wěn)定控制，而銀漿黏度也可以在進(jìn)行印刷生產(chǎn)前調(diào)整，間隙距離則可以通過墊片或是機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。然而，銀漿薄膜從成型到印刷至少需要經(jīng)歷3個(gè)步驟：噴料，刮涂，印刷。圖2所示為設(shè)備的兩種銀漿運(yùn)輸模式，在設(shè)備實(shí)際工作中，玻璃底部可貼一定厚度耐磨膠，與刮刀配合形成相應(yīng)厚度薄膜。但在運(yùn)輸過程中，薄膜的形貌會(huì)隨玻璃的運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，且薄膜兩側(cè)的耐磨膠形成的壁面厚度有限，玻璃運(yùn)動(dòng)時(shí)極有可能會(huì)使銀漿濺出。若玻璃通過如圖2(a)所示的多工位轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行工位切換，整體運(yùn)行效率會(huì)比圖2(b)所示的直線運(yùn)輸快很多，但此時(shí)銀漿薄膜會(huì)同時(shí)承受切向作用力和法向作用力,流變更復(fù)雜。而銀漿薄膜的形貌對(duì)激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移這一成型工藝而言影響巨大，探究不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下薄膜的變化情況非常必要。

圖2 兩種銀漿薄膜運(yùn)輸方式

對(duì)銀漿薄膜建立有限元模型，然后分別對(duì)直線運(yùn)輸與旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸情況下的銀漿薄膜進(jìn)行仿真，觀測運(yùn)輸過程對(duì)薄膜均勻度的影響。進(jìn)一步，針對(duì)直線運(yùn)輸情況，選擇線性加速、指數(shù)形加速、S形加速3種常見電機(jī)加速曲線進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明：將同樣的速度施加在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于離心力的存在，法線方向上的影響比切向方向更加明顯；直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，線性加速曲線下薄膜的變化最小。因此，在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量采取直線運(yùn)動(dòng)下線性加速模式。

1 銀漿薄膜有限元模型及其均勻度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文作者采用有限元法對(duì)銀漿薄膜進(jìn)行流體分析，考慮到流體仿真的復(fù)雜性，需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡化，將長寬相等的立方體銀漿薄膜簡化為如圖3所示的運(yùn)動(dòng)模型，將薄膜四周設(shè)為壁面模擬耐磨膠。計(jì)算時(shí)采用流體體積法(Volume of Fluid，VOF)多相模型，以一定厚度的銀漿和空氣組成計(jì)算區(qū)域。 VOF方法是在整個(gè)流場中定義一個(gè)函數(shù)，在每個(gè)網(wǎng)格中，這個(gè)函數(shù)定義為一種流體的體積與網(wǎng)格體積的比值。只要求得每個(gè)網(wǎng)格上的值就可以構(gòu)造出運(yùn)動(dòng)界面，求解物理方程時(shí)可以在界面附近作特殊的精細(xì)處理以提高分辨率和精度。銀漿固含量較高，主要由銀或其化合物、助熔劑、黏合劑和稀釋劑配制而成，其流體性質(zhì)為非牛頓流體，并且是一種假塑性流體。假塑性流體的流變特性常用如下的指數(shù)函數(shù)方程描述：

圖3 三維仿真模型

(1)

在有限元軟件中進(jìn)行流體仿真時(shí)，對(duì)假塑性流體一般使用carreau黏性模型，采用式(2)計(jì)算流體黏度:

(2)

式中:為冪律指數(shù)；為時(shí)間常數(shù);為零剪切黏度；為無限剪切黏度。銀漿的相關(guān)參數(shù)選取數(shù)據(jù)由銀漿廠商提供，如表1所示?？紤]到實(shí)際工作中銀漿薄膜厚度相對(duì)薄膜長度數(shù)量級(jí)差距較大，為減少網(wǎng)格劃分與計(jì)算時(shí)的困難，在圖4所示的0.05 mm厚、1 mm×1 mm的銀漿薄膜上進(jìn)行仿真，網(wǎng)格劃分如圖4所示，軟件統(tǒng)計(jì)出模型共1 760 059個(gè)單元格，2 975 069個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過編譯用戶自定義功能文件(User Defined Functions，UDF)，讓區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方式。

表1 銀漿參數(shù)

圖4 網(wǎng)格劃分

當(dāng)區(qū)域進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可將模型簡化為如圖5所示的二維模型，此時(shí)可采用區(qū)域運(yùn)動(dòng)后薄膜基準(zhǔn)面與水平面夾角和薄膜相對(duì)基準(zhǔn)面的粗糙度兩個(gè)指標(biāo)來表征薄膜變化情況，圖5為薄膜運(yùn)動(dòng)后的示意。薄膜在運(yùn)動(dòng)時(shí)整體會(huì)發(fā)生傾斜并且表面產(chǎn)生不規(guī)則變化，通過擬合薄膜表面得出傾斜后的基準(zhǔn)面與水平面的夾角，能夠表征運(yùn)動(dòng)后銀漿薄膜相比運(yùn)動(dòng)前的狀態(tài)保持程度；通過公式(3)計(jì)算出相對(duì)于基準(zhǔn)面的算術(shù)平均高度，來表示粗糙度，以表征薄膜的均勻程度。為能夠相對(duì)精確地模擬薄膜表面并計(jì)算夾角和粗糙度，文中所有導(dǎo)出的銀漿薄膜表面坐標(biāo)指的都是銀漿體積分?jǐn)?shù)在(0.9,1)之間的點(diǎn)坐標(biāo)。

圖5 銀漿薄膜示意

(3)

2 不同轉(zhuǎn)運(yùn)模式及速度下的銀漿均勻度變化仿真研究

2.1 仿真方案介紹

考慮到銀漿薄膜的自愈特性，需在它停止運(yùn)動(dòng)后一定時(shí)間內(nèi)觀察薄膜的變化情況，得出合適的薄膜觀測時(shí)間。對(duì)直線運(yùn)輸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸兩種運(yùn)輸方式在三維模型中進(jìn)行仿真，觀察銀漿薄膜的變形，選擇出合適的運(yùn)輸方式。對(duì)該運(yùn)動(dòng)方式在3種不同的加速曲線(線性加速，指數(shù)形加速，S形加速)下進(jìn)行仿真，觀察銀漿薄膜的變形，選擇合適的電機(jī)加速規(guī)律。

2.2 銀漿薄膜自愈性仿真

由于黏性流體的自愈特性，銀漿薄膜運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變形后靜置的一段時(shí)間內(nèi)，銀漿會(huì)有恢復(fù)其原本薄膜形態(tài)的趨勢(shì)而產(chǎn)生的小變形，因此需待它完全停止變形后，再觀察形貌。為得出合適的薄膜觀察時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)行以下仿真實(shí)驗(yàn)：給二維模型一個(gè)不同大小的速度令它進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，并在經(jīng)過0.1 s后線性減速為0，從運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)刻起導(dǎo)出銀漿表面坐標(biāo)并計(jì)算其夾角和粗糙度隨時(shí)間的變化情況如圖6所示?？梢钥吹剑罕M管由于速度越大導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)停止后的變化越大，但銀漿薄膜變化都集中在0.1～0.2 s之間，即運(yùn)動(dòng)停止后的0.1 s內(nèi)；其中=5 m/s時(shí)夾角的變化達(dá)到12.01%，粗糙度的變化達(dá)到16.00%，而在0.2 s之后，兩者都趨于平穩(wěn)，夾角和粗糙度幾乎沒有變化。綜合考慮，文中所有仿真將直接采用運(yùn)動(dòng)停止后0.1 s時(shí)刻作為薄膜停止變形的時(shí)刻并進(jìn)行觀察比較。

圖6 在不同速度運(yùn)動(dòng)停止后薄膜隨時(shí)間變化情況

2.3 不同轉(zhuǎn)運(yùn)模式對(duì)比仿真研究

令速度=3 m/s，使三維模型沿軸正方向進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以模型下壁面中點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，令薄膜中心的切向速度=3 m/s作用于三維模型進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)1 s后將兩者仿真結(jié)果沿軸每隔0.1 mm取一截面，將每個(gè)截面的薄膜表面點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出，并將所有點(diǎn)擬合曲面作為薄膜表面，如圖7所示。

圖7 薄膜表面擬合結(jié)果

由圖7可知:對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，由于方向正方向速度的影響，銀漿厚度沿軸負(fù)方向整體呈略微上升趨勢(shì)，薄膜大部分厚度在0.049～0.051 mm之間，整體均勻性較好，而沿軸方向整體無明顯變化，同時(shí)也驗(yàn)證了將三維模型簡化為二維模型的合理性；對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，薄膜受離心力影響明顯，法向方向的變化遠(yuǎn)大于切向方向的變化,而且在距離旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的薄膜外層呈現(xiàn)凸起狀，最大厚度約為0.09 mm，說明中間受到的影響比兩側(cè)要明顯。但薄膜中間部分整體相對(duì)均勻，厚度在0.04～0.06 mm之間，可以考慮增大薄膜面積，對(duì)中間相對(duì)均勻的部分進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

2.4 不同速度曲線下的仿真研究

如圖 8所示，在相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與位移下，以電機(jī)常用的3種速度變化曲線(線性加速、指數(shù)形加速、S形加速)來規(guī)劃區(qū)域的相同位移的直線運(yùn)動(dòng)，箭頭方向?yàn)閰^(qū)域運(yùn)動(dòng)方向，將其施加于模型，觀察薄膜隨增加的形貌變化，選擇合適的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

圖8 3種加速曲線

將銀漿薄膜在3種不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下隨著增大的仿真結(jié)果導(dǎo)出，并計(jì)算其夾角、粗糙度，繪制成圖9。

圖9 不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下薄膜的變化情況

可以看到：薄膜的變化受加速度影響明顯：3種加速曲線運(yùn)動(dòng)后的夾角和粗糙度整體都隨著的增大而增大，當(dāng)最大速度為[1,5] m/s時(shí)，3條曲線的加速度都較小，區(qū)別不明顯，因此薄膜在三者的作用下變形相似；當(dāng)為[5,9] m/s時(shí)，三者的夾角變化仍然無明顯差別，但線性加速曲線下的薄膜粗糙度明顯小于其他2條曲線，原因是指數(shù)形加速曲線與S形加速曲線的加速度會(huì)隨著時(shí)間變化，且兩者的最大加速度都高于線性加速曲線的恒定加速度，且薄膜粗糙度相比夾角更易受加速度影響；如果繼續(xù)增大到9 m/s以上，在指數(shù)形加速和S形加速曲線下銀漿薄膜的夾角和粗糙度急劇增大，并有部分薄膜出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，無法繼續(xù)保持薄膜狀，甚至?xí)胁糠帚y漿飛濺出來，此時(shí)繼續(xù)用這二者作為指標(biāo)衡量薄膜變形已無實(shí)際意義，如圖中紅色×標(biāo)記點(diǎn)；線性加速曲線下的銀漿薄膜夾角和粗糙度增長相對(duì)緩慢，但也開始逐漸出現(xiàn)斷裂的趨勢(shì)。可以斷定，薄膜運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度大小和加速規(guī)律對(duì)薄膜形貌有非常大的影響，而在同樣的位移下，線性加速曲線加速過程中加速度始終保持恒定且小于其余2種曲線的最大加速度，使得線性加速運(yùn)動(dòng)對(duì)薄膜影響最小。

3 結(jié)論

在激光誘導(dǎo)硅片正面電極化設(shè)備運(yùn)輸銀漿薄膜過程中，對(duì)于微米級(jí)別厚度的薄膜，運(yùn)輸過程的加速度越大，薄膜的變形越大，且線性加速、指數(shù)形加速、S形加速3種加速規(guī)律對(duì)它運(yùn)動(dòng)后的形貌均有不同程度的影響，其中線性加速運(yùn)動(dòng)的變形最小。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)銀漿薄膜形貌影響更大，且法向變形比切向大，但中間部分整體相對(duì)均勻。為使激光誘導(dǎo)正面電極化設(shè)備能夠成功轉(zhuǎn)印，電機(jī)可以考慮采用線性加速的方式，或考慮增大玻璃涂膜面積，對(duì)中部薄膜相對(duì)均勻部分進(jìn)行印刷。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該設(shè)備在印刷大面積光伏硅片正面柵線時(shí)，銀漿薄膜能夠保持良好形貌，為后續(xù)激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移的可行性打好基礎(chǔ)。