1. 研究背景
为了提高太阳能电池的效率，尤其是硅-III-V串联太阳能电池，减少前接触网格（即接触栅线）的宽度至关重要。减小接触栅线宽度可以减少前面遮挡的太阳光，从而提高整体的能量转换效率。传统的丝网印刷技术虽然已经在减少接触栅线宽度方面取得了显著进展，但当栅线宽度小于10 μm时，传统技术难以有效实现。
因此，研究者提出了利用玻璃模板进行超细线印刷的概念，以克服传统印刷方法的限制，尤其是在打印宽度小于10 μm的金属接触栅线时。这一方法通过采用低温金属化工艺，使用经过激光深刻蚀刻的玻璃模板，能够实现更精确的金属接触印刷，从而优化太阳能电池的性能。
2. 研究思路
本研究主要采用了激光诱导深刻蚀刻（LIDE）工艺制造玻璃模板，通过这一工艺在玻璃模板上形成复杂的印刷通道几何结构。接下来，使用这种玻璃模板进行超细线印刷，目标是实现宽度小于10 μm的金属接触栅线。
2.1 玻璃模板制造
研究中采用的玻璃模板是通过LIDE工艺制造的，该工艺能够创建具有高纵横比（最大可达1:100）的复杂三维通道几何形状。通过调整激光脉冲和化学蚀刻的参数，可以实现不同宽度（如10 μm、7.5 μm和5 μm）的孔口，且能够提高印刷过程的效率和结构的精确度。
2.2 玻璃模板印刷
实验采用手动印刷设备，通过使用特制的玻璃模板来印刷金属浆料。印刷过程中，使用聚氨酯刮刀将低温银浆料强行通过模板的孔口，形成太阳能电池接触栅线。使用不同粒径分布的银浆进行印刷测试，并通过显微镜观察和测量打印的栅线几何形状。
3. 结果与讨论
3.1 玻璃模板分析
通过对不同模板的孔口进行测量，研究发现模板的实际孔口宽度普遍比标称宽度小约6%，但这个偏差是可以通过调整激光和蚀刻参数进行修正的。通过这种高稳定性和高重复性的制造过程，可以生产出非常精确的超细线模板，适合用于光伏组件的印刷。
3.2 孔口宽度与涂层变化
研究结果表明，印刷的接触栅线的核心宽度与模板孔口的宽度呈正比关系。对于孔口宽度分别为7.5 μm和10 μm的模板，得到的栅线核心宽度分别为8.4 ± 1.3 μm和10.8 ± 1.3 μm。研究还发现，不同的涂层（如疏水性和亲水性涂层）对栅线的几何形状影响不大。
3.3 孔口长度与模板厚度变化
进一步的实验表明，通过减少孔口通道长度（从50 μm减少到25 μm），可以显著提高接触栅线的高度，并改善纵横比。通过使用较薄的玻璃模板（190 μm），栅线高度进一步增加，纵横比也得到了改善。
3.4 纳米银浆的应用
在实验中使用了纳米银浆进行印刷，并发现使用纳米银浆的接触栅线表现出更均匀的高度和表面质量，相比于传统的微粒银浆，纳米银浆能够有效避免交叉截面面积的变化，从而提高电气性能。
4. 研究结论
本研究首次证明了通过玻璃模板印刷可以实现宽度小于10 μm的超细线接触栅线。通过LIDE工艺制造的玻璃模板，成功地实现了打印栅线宽度为8.4 ± 1.3 μm和10.8 ± 1.3 μm的接触栅线。通过优化模板的孔口长度和玻璃模板的厚度，栅线的纵横比得到了显著提升，达到了ARopt = 0.45 ± 0.1。
研究还表明，使用基于纳米银浆的低温银浆可以显著改善接触栅线的均匀性和表面质量。未来的工作将涉及过渡到半自动化的印刷设备，并进一步优化印刷参数，以实现更高精度的超细线印刷。
图1：SEM图像对比
图1通过扫描电子显微镜（SEM）图像对比了使用网版打印的栅线（右侧）与传统丝网印刷栅线（左侧）的质量。网版印刷的栅线显示出更均匀的形态，而传统丝网印刷的栅线则存在网纹痕迹，这些痕迹来源于网丝交叉影响印刷通道。网版打印能够有效减少这些网纹痕迹，从而提高电气性能。
图2：打印过程示意图
图2左侧为传统网版印刷过程的示意图，右侧为本研究中使用的微结构印刷通道的三维对比图。图中的通道几何结构展示了传统和微结构化印刷通道的不同，微结构化通道能够提供更精确的印刷结果，特别是在打印超细栅线时。
图3：单层与双层模板示意图
图3展示了两种模板的结构示意图：
- 单层模板（A）
仅由金属箔和开口构成，在印刷过程中不可避免地存在栅线和母线交错的情况，通常需要双重印刷工艺来解决这一问题。 - 双层模板（B）
结合了金属箔和稳定桥架，并加上乳胶层，能够一次性同时打印交叉的栅线和母线，并且在边缘的均匀性和对准精度上表现优于单层模板。
图4：实验方法简化过程依赖图
图4是简化的过程依赖图，展示了实验中使用的玻璃模板制造过程和实验打印过程的三个主要组成部分。该图清晰地指出了不同过程之间的相互依赖关系，并标出了在本研究中未变动的影响因素（以灰色标示）。
图5：玻璃模板制造过程示意图
图5展示了通过激光诱导深刻蚀刻（LIDE）工艺制造玻璃模板的过程。左侧是模板的生产步骤示意图，右侧是玻璃模板的最终形态，包括了所选测试图案和微结构化印刷通道的剖视图。该过程通过局部激光修改玻璃，并通过湿化学蚀刻移除不需要的区域，从而形成精确的微结构通道。
图6：成品玻璃模板的示例
图6A展示了完成的玻璃模板，显示了选定的测试图案。图6B则提供了模板通道几何结构的剖视图。该图展示了通过LIDE工艺精确形成的微结构印刷通道，这些通道用于超细线金属接触的打印。
图7：玻璃模板孔口宽度测量
图7A展示了通过LIDE工艺制造的玻璃模板的实际孔口宽度与标称孔口宽度的对比。实际孔口宽度比标称值小约6%，这一系统性偏差可以通过调整激光和蚀刻参数来进行修正。图7B展示了不同孔口宽度的显微镜图像，显示了不同宽度孔口的形态和激光蚀刻所形成的波状结构。
图8：栅线核心宽度、表面高度与光学纵横比
图8展示了通过不同宽度的模板（7.5 μm和10 μm）打印的栅线的核心宽度、表面高度以及光学纵横比（ARopt）。这些结果表明，模板涂层对打印结果影响不大，栅线的宽度和高度与模板孔口宽度成正比，且所有栅线的光学纵横比均在0.19±0.05范围内。
图9：印刷缺陷的宏观和显微图像
图9展示了使用不同宽度的模板（10 μm和7.5 μm）打印的栅线的宏观图像和显微图像。随着孔口宽度的减小，印刷质量逐渐下降，尤其在较小孔口宽度下，出现更多的印刷缺陷。该图揭示了手动印刷过程中产生的局部不均匀压力分布、快离距离控制不足和刮刀速度不一致等因素如何影响印刷质量。
图10：栅线尺寸、表面高度与光学纵横比
图10展示了使用具有不同孔口宽度和孔口长度（25 μm、35 μm、50 μm）的模板打印的栅线的尺寸、表面高度及光学纵横比。该图表明，减少孔口长度可以显著提高栅线的表面高度，特别是在短孔口长度（25 μm）下，栅线的纵横比得到了显著提升。
图11：低温银浆和纳米银浆的SEM图像
图11展示了使用低温银浆和纳米银浆打印的栅线的扫描电子显微镜（SEM）图像。通过对比两种浆料，发现低温银浆由于粒径较大，导致了较大的不均匀性和截面面积变化，从而影响了电气性能。相反，纳米银浆打印的栅线具有更均匀的表面质量，显示出较好的打印效果和电气性能。
