Siebdruckanlage zum Bedrucken von flächigen Substraten, insbesondere Solarzellen

und Verfahren zum Bedrucken von Substraten

Die Erfindung betrifft eine Siebdruckanlage zum Bedrucken von flächigen Substraten, insbesondere Solarzellen, mit wenigstens einem Drucksieb, wenigstens einer entlang dem Drucksieb bewegbaren Rakel und wenigstens einem Drucknest. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bedrucken von flächigen Substraten mittels Siebdruck.

Mit der Erfindung soll eine Siebdruckanlage und ein Verfahren zum Bedrucken von Substraten verbessert werden.

Erfindungsgemäß ist hierzu eine Siebdruckanlage zum Bedrucken von flächigen Substraten, insbesondere Solarzellen, mit wenigstens einem Drucksieb, wenigstens einer entlang dem Drucksieb bewegbaren Rakel und einem Drucknest vorgesehen, bei der das Drucksieb und die Rakel zum Aufdrucken von leitfähigem Klebstoff auf das Substrat ausgebildet sind.

Mittels Siebdruckverfahren kann mit hoher Präzision unmittelbar auf Substrate, insbesondere Solarzellen, gedruckt werden. Das Aufbringen von leitfähigem Klebstoff ermöglicht es, Solarzellen untereinander mit entsprechenden Verbindern (Strings) zu verschalten. Dadurch kann das bisher übliche Löten ersetzt werden.. Der Einsatz von Siebdruck ist hier besonders vorteilhaft, da auch sehr feine Strukturen, sogenannte Busbars, aufgedruckt werden können und da eine sehr schonende Behandlung der Substrate, insbesondere Solarzellen, möglich ist. Werden solche Busbars aufgedruckt, so ist dies ein Ersatz für die sonst in der Metallisierung aufgedruckten Busbars. In Weiterbildung der Erfindung ist eine Wendestation für die Substrate vorgesehen.

Auf diese Weise können mit der Siebdruckanlage sowohl Oberseite als auch Unterseite der Solarzellen bedruckt werden. Dies ermöglicht es dann in sehr einfacher Weise, eine Kontaktierung von Solarzellen in Serie vorzunehmen, bei der also eine Solarzelle an ihrer Unterseite kontaktiert ist und der Verbindungsleiter dann zur Oberseite der nächsten Solarzelle läuft.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Siebdruckanlage wenigstens zwei Druckstationen auf, wobei eine erste Druckstation zum Bedrucken einer Vorderseite des Substrats und eine zweite Druckstation zum Bedrucken einer Rückseite des Substrats ausgebildet ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein Rundschalttisch vorgesehen, wobei sich wenigstens ein Drucknest auf dem Rundschalttisch befindet und von der ersten Druckstation zur zweiten Druckstation bewegbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung weist das wenigstens eine Drucknest Ausnehmungen in einer Auflagefläche für das Substrat auf, wobei die Ausnehmungen an den mit Klebstoff zu bedruckenden Bereich der Substrate angepasst sind.

Auf diese Weise kann ein bereits bedrucktes Substrat mit der bedruckten Seite auf das Drucknest aufgelegt werden. Der aufgedruckte Kleber befindet sich dann im Bereich der Ausnehmungen des Drucknests und es ist nicht zu befürchten, dass der Kleber das Drucknest beschmutzt oder die Solarzelle auf dem Drucknest festklebt. In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zum wenigstens einseitigen Anheben des Drucksiebs während der Bewegung der Rakel entlang dem Drucksieb vorgesehen.

Mittels eines solchen sogenannten Sieblifts ist es möglich, Klebersorten mit unterschiedlichster Rheologie mit der erfindungsgemäßen Siebdruckanlage zu verarbeiten. Je nach Viskosität und sonstiger Beschaffenheit des zu druckenden Klebstoffs wird das Drucksieb während der Bewegung angehoben, um das Drucksieb unmittelbar nach dem Auftrag des Klebstoffes auf das Substrat durch die Rakel rasch aus dem aufgedruckten Klebstoff herauszubewegen. Das Ausmaß eines solchen Sieblifts wird in Abhängigkeit der Rheologie der verwendeten Klebersorte eingestellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den unterschiedlichen Zeichnungen dargestellte Einzelmerkmale können dabei in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße

Siebdruckanlage gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Druckstation,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen

Drucknests von schräg oben, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Siebdruckanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Die erfindungsgemäße Siebdruckanlage ist zum Bedrucken von Substraten, speziell Solarzellen, mit pastösen, elektrisch leitenden Klebstoffen vorgesehen. Mit diesen Klebstoffen werden Zellverbinder, sogenannte Strings, auf der Vorderseite und Rückseite der Solarzellen verklebt und die Zellverbinder werden dann von Solarzelle zu Solarzelle für den Solarmodulbau verbunden. Dieses Verfahren des Aufklebens der Zellverbinder ersetzt den bisher üblichen Lötvorgang.

- Mit der erfindungsgemäßen Siebdruckanlage werden die Klebstoffe mit dem Siebdruckverfahren direkt auf die Solarzelle aufgebracht.

- Die Klebstoffe werden innerhalb eines Zyklus zeitgleich auf Vorder- und Rückseite der Solarzelle aufgetragen.

- Die Siebdruckanlage kann im Einfachnutzen, d.h. Bedrucken nur einer Solarzelle pro Druckvorgang, oder im Mehrfachnutzen, d.h. Bedrucken von zwei oder mehr Solarzellen pro Druckvorgang, betrieben werden.

- Durch Mehrfachnutzen kann innerhalb eines Zyklus zeitgleich auf mehreren Solarzellen gedruckt werden. Dadurch kann ein höherer Durchsatz von bedruckten Substraten pro Stunde erzielt werden oder die Anzahl der erforderlichen Druckwerke kann reduziert werden.

- Durch Mehrfachnutzen können in einem Druckvorgang zeitgleich eine Vorderseite und eine Rückseite mit Kleber beschichtet werden. Dies beispielsweise so, dass das linke Sieblayout die Vorderseite einer ersten Solarzelle bedruckt und das rechte Sieblayout die Rückseite einer zweiten Solarzelle bedruckt.

- Die Layouts für den Kleberauftrag können für Vorder- und Rückseite der Solarzelle individuell ausgeführt sein. - Die Solarzelle mit bereits aufgebrachter und aktiver Klebefläche kann nach unten liegend auf dem Drucknest positioniert werden und von der Oberseite her einen weiteren Kleberauftrag erhalten.

- Die Kleberdruckposition der Oberseite und der Rückseite der Solarzelle sind durch geeignete Positioniersysteme maßhaltig zueinander positioniert.

- Die Druckstation ist mit einer automatischen Solarzellenübergabe und Wendestation ausgestattet. Diese sorgt dafür, dass die auf einer Seite bereits bedruckte Solarzelle von der einen Drucknestseite abgenommen, gewendet und wieder ohne Verlust der Positionsgenauigkeit auf der zweiten Drucknestseite abgelegt wird.

- Es ist ein Rundschalttisch vorgesehen und mit jedem 90° Takt des Rundschalttisches wird mindestens eine Solarzelle, beidseitig mit Kleber bedruckt, an den Folgeprozess weitergegeben.

- Alle erforderlichen Funktionen verteilen sich auf vier Stationen auf einem Rundschalttisch, nämlich die Beladeposition, Druckposition, Entladeposition und Wendeposition. Das Be- und Entladen erfolgt mittels Handlingsystemen und/oder mittels Transportbändern.

- Die Solarzellen werden auf den Drucknestern über Vakuum in Position gehalten. Die Drucknester sind je nach Layout und Lage der aufzudruckenden Struktur, des sogenannten Busbars, so ausgeführt, dass die Bereiche der bereits aufgedruckten Struktur in der Vakuumauflage, also in dem Drucknest, freigestellt sind. Für unterschiedliche Anzahl und Lage der Busbars, mithin also für unterschiedlich aufzudruckende Strukturen, können die Drucknesteinlagen einfach gewechselt werden. Die Drucknester können auch für unterschiedliche Busbarabstände ausgeführt werden, so dass ein Wechsel der Drucknester bei Änderung auf ein anderes Buslayout nicht erforderlich ist. Dadurch können Solarzellen mit zwei, drei, vier oder fünf Busbars ohne Wechsel der Drucknester in der Druckstation bedruckt werden. - Eine erhöhte Bruchgefahr für die Solarzellen, welche sich aus der unterbrochenen Drucknestauflage ergibt, wird durch entsprechende Einstellung der die Bruchgefahr beeinflussenden Parameter, speziell geringe Siebspannung, große Siebe und Siebliftfunktion, reduziert. Die Ausrichtung der Busbars kann sowohl in Druckrichtung, also in Bewegungsrichtung der Rakel, als auch senkrecht zur Druckrichtung sein.

- Die Siebliftfunktion der Druckstation erlaubt es, alle Klebersorten mit unterschiedlichster Rheologie auf der Anlage zu verarbeiten.

- Die Druckstation kann automatisch oder manuell beladen und entladen werden.

- Die Druckstation kann autark arbeiten und beidseitig bedruckte Solarzellen an den Nachfolgeprozess bereitstellen.

- Die Siebdruckanlage kann als eigenständige Prozessmaschine oder zur Integration in einen Gesamtanlage für verschiedene Anwendungen vorgesehen werden.

- Der Rundschalttisch kann im Uhrzeigeersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn arbeiten.

Die Darstellung der Fig. 1 zeigt in schematischer Draufsicht eine erfindungsgemäße Siebdruckanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Siebdruckanlage 10 weist einen Rundschalttisch 12 auf, der sich gemäß dem Pfeil 14 um jeweils 90° gegen den Uhrzeigersinn drehen kann. Der Rundschalttisch 12 ist mit insgesamt vier Drucknestern 16A, 16B, 16C, 16D versehen. Auf der 6-Uhr-Position ist eine Belade- und Entladestation vorgesehen, die schematisch durch zwei Pfeile 18 und 20 symbolisiert ist.

Auf der 3-Uhr-Position ist eine erste Druckstation 22 mit einem ersten Drucksieb vorgesehen. Mittels der ersten Druckstation wird eine Oberseite einer Solarzelle mit leitfähigem Klebstoff bedruckt. Auf der 12-Uhr-Position ist eine lediglich schematisch dargestellte Wendestation 24 für die Solarzellen angeordnet. Mittels der Wendestation 24 werden die bereits in der Druckstation 22 einseitig bedruckten Substrate gewendet und wieder auf dem Drucknest 16 abgelegt. Das Drucknest 16 kann hierzu, siehe Fig. 3, mit Ausnehmungen versehen sein, die an die Lage der Busbars auf den Solarzellen abgestimmt sind. Die aufgedruckte Struktur, also die Busbars, kommen damit nicht in Kontakt mit einer Oberfläche des Drucknests 16 und können dadurch nicht auf dem Drucknest 16 festkleben.

Auf der 9-Uhr-Position ist eine zweite Druckstation 26 mit einem zweiten Drucksieb angeordnet. Mittels der zweiten Druckstation 26 wird eine Rückseite der Solarzellen mit dem leitfähigen Klebstoff bedruckt. Nachdem Vorderseite und Rückseite der Solarzelle mit dem leitfähigen Klebstoff bedruckt sind, wird das Drucknest 16 wieder in die 6-Uhr-Position verfahren und die Substrats 28A, 28B werden vom Drucknest 16A abgenommen.

Die Darstellung der Fig. 2 zeigt schematisch eine Druckstation 30 zum Bedrucken einer Solarzelle 28 mittels Siebdruck. Die Druckstation 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 schräg gestellten flexiblen Materialstreifen aus elastischem Material auf. Ein Rakelhalter, in dem der Materialstreifen befestigt ist, ist der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt.

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 34 kann somit entlang einem Pfeil 44 mit seinem hinteren Ende nach oben geschwenkt werden und beispielsweise in die in der Fig. 2 gestrichelt dargestellte Position bewegt werden.

Die Rakel 38 ist in der Fig. 2 in zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt, einmal durchgezogen in etwa zu Anfang der Druckbewegung und einmal gestrichelt bei etwa Zweidrittel der Druckbewegung über die Solarzelle 28. 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 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.

Während der Druckbewegung der Rakel 38 über die Oberfläche der Solarzelle 28 wird das hintere Ende des Siebrahmens 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 28 ablöst. Speziell ist ein Auslösewinkel, den der Abschnitt des Drucksiebs hinter der Rakel 38 mit der Oberfläche der Solarzelle 28 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. Diese Anheben des Drucksiebs 34 im Bereich seines hinteren Endes sorgt bei der erfindungsgemäßen Druckstation dafür, dass sich das Drucksieb 36 hinter der Rakel rasch von der Oberfläche der Solarzelle 28 abhebt und damit auch rasch von der mittels der Rakel durch das Drucksieb 36 hindurchgedrückten und hinter der Rakel 38 auf der Solarzelle 14 befindlichen Kleberpaste abhebt. Dadurch kann während der gesamten Druckbewe- gung der Rakel 38 über die Oberfläche der Solarzelle 28 ein präzises Druckbild erreicht werden, da auch am Ende der Druckbewegung der Rakel 38 sich das Drucksieb 36 rasch aus dem aufgebrachten Klebstoff herausbewegt, indem der Auslösewinkel oberhalb eines vorbestimmten Wertes oder auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Die Darstellung der Fig. 3 zeigt das Drucknest 32 der Fig. 2 schematisch von schräg oben. Das Drucknest 32 ist mit zahlreichen Öffnungen 46 in seiner Auflagefläche versehen. Die Öffnungen 46 stehen mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe in Verbindung. Durch Anlegen eines Unterdrucks an die Öffnungen 46 kann die Solarzelle 28 während des Druckvorgangs sicher auf dem Drucknest 32 gehalten werden.

Das Drucknest 32 weist weiter zwei Ausnehmungen 48 in seiner Auflagefläche auf. Die Ausnehmungen 48 sind an die auf die Solarzelle aufgedruckte Struktur angepasst. Durch die Ausnehmungen 48 kann eine einseitig bedruckte Solarzelle 28 mit der bedruckten Seite auf die Auflagefläche des Drucknests 32 gelegt werden ohne dass der aufgedruckte Klebstoff dann die Auflagefläche des Drucknests 32 kontaktiert. Auf diese Weise kann auch die Rückseite der Solarzelle bedruckt werden, ohne dass ein Festkleben der Solarzelle 28 auf dem Drucknest 32 zu befürchten ist oder dass der aufgedruckte Klebstoff beschädigt oder verwischt wird.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Siebdruckanlage gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Siebdruckanlage 50 weist den Rundschalttisch 12 mit insgesamt vier Drucknestern 16A, 16B, 16C und 16D auf. An der 12-Uhr-Station ist eine Druckstation 52 mit einem Drucksieb angeordnet. Die Druckstation 52 ist zum gleichzeitigen Bedrucken von zwei Solarzellen geeignet. In der Fig. 4 liegen auf dem Drucknest 16C zwei Solarzellen 54A und 54B auf, die mittels der Druckstation 52 gleichzeitig bedruckt werden. Dabei wird bei der Solarzelle 54A die Rückseite mit leitfähigem Kleber bedruckt und bei der Solarzelle 54B die Vorderseite mit leitfähigem Kleber bedruckt.

Zu bedruckende Solarzellen 54C werden in der 3-Uhr-Position auf das Drucknest 16B übergeben. Dabei wird in der 3-Uhr-Position lediglich eine Solarzelle 54C auf das Drucknest 16B übergeben. Die Solarzelle 54D ist bereits auf dem Drucknest 16B angeordnet und ist auf ihrer Unterseite, die auf dem Drucknest 16B aufliegt, bereits bedruckt.

Nach dem Bedrucken der beiden Solarzellen 54A, 54B in der Druckstation 52 wird der Rundschalttisch 12 entgegen dem Uhrzeigersinn um 90° weiterbewegt in die 9-Uhr-Position. In der 9-Uhr-Position ist das Drucknest 16D dargestellt, auf dem zwei Solarzellen 54E und 54F liegen. Von diesen beiden Solarzellen wird lediglich die Solarzelle 54F von dem Drucknest 16D entfernt und beispielsweise zur Weiterbearbeitung abtransportiert. Die Solarzelle 54F ist auf ihrer Oberseite und Unterseite bereits mit Klebstoff bedruckt.

Das Drucknest 16D wird dann um 90° in die 6-Uhr-Position weiterbewegt. In der 6-Uhr-Position ist in Fig. 4 das Drucknest 16A angeordnet. Auf dem Drucknest 16A befindet sich lediglich eine Solarzelle 54G. Die Solarzelle 54G ist auf ihrer Vorderseite bereits bedruckt worden. Mittels einer lediglich schematisch dargestellten Umlade- und Wendestation 58 wird die Solarzelle 54G vom Drucknest 16A abgehoben und im danach folgenden Zyklus mit ihrer Oberseite nach unten wieder auf dem Drucknest 16A abgelegt, allerdings in der in Fig. 4 gestrichelt rechts dargestellten Position. Im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Abheben der Solarzelle 54G wird eine im vorhergehenden Zyklus abgehobene Solarzelle 54H, die zwischenzeitlich gewendet wurde, in der gestrichelt rechts dargestellten Position abgelegt. Das Drucknest 16A wird dann in die 3-Uhr- Position entgegen dem Uhrzeigersinn weitergetaktet und der freie Platz auf dem Drucknest wird, wie bereits beschrieben wurde, mit einer noch unbedruckten Solarzelle 54C belegt.

Die Umlade- und Wendestation 58 arbeitet pro Solarzelle mit zwei Saugeinheiten. Eine erste Saueinheit saugt die Solarzelle 54G auf der Oberseite an, hebt sie vom Drucknest 16A ab und dreht sie um 90°. Ein zweiter Sauger saugt die Solarzelle 54G dann auf ihrer Rückseite an, übernimmt die Solarzelle 54G vom ersten Sauger und legt die Solarzelle 54G dann im nachfolgenden Zyklus mit der Oberseite auf die Auflagefläche des Drucknests 16A.

Die Umlade- und Wendestation 58 nimmt eine Solarzelle auf, speichert die Solarzelle während des Weitertaktens des Rundschalttisches und legt die Solarzelle erst wieder im darauffolgenden Zyklus auf einem Drucknest ab. Dadurch können sich zeitweise zwei Solarzellen gleichzeitig in der Umlade- und Wendestation 58 befinden. Das Aufnehmen einer ersten Solarzelle, beispielsweise der Solarzelle 54G, und das Ablegen einer Solarzelle aus dem vorangegangenen Zyklus, beispielsweise die Solarzelle 54H, kann dadurch zeitgleich erfolgen. Durch diese Maßnahmen entsteht ein Mehrgewinn an Zeit, was eine besonders schonende Handhabung der Solarzellen ermöglicht. Speziell können die Taktzeiten des Rundschalttisches kurz gehalten werden, da das Aufnehmen einer ersten Solarzelle und das Ablegen einer zweiten Solarzelle gleichzeitig erfolgen, das Handling der Solarzellen kann aber vergleichsweise langsam und damit schonend erfolgen.