在线电镀溶液可通过局部接触实现ZEBRA IBC直接接触电镀
|
摘要 本文提出了一种在线电镀液，其中电解液和接触系统布置在同一侧。该概念可将ZEBRAIBC太阳能电池等相当大的表面积上电镀到没有现成籽晶金属化的电池上。为了在这些电池概念上进行电镀，需要进行硅或局部金属结构的局部接触。RENA Technologies GmbH公司现有的在线电镀工具中采用了一种新的接触方案，其中包括不锈钢刷。它可以实现硅和金属结构的局部接触，而无需任何临时掩模。我们成功证明了ZEBRA IBC太阳能电池上的电镀接触栅的初步结果。一个结果表明同时镀金的n型BSF和p型发射极的触指高度分别为18μm±2μm和10μm±1μm。此外，还显示了重要的工艺开发步骤，例如对齐，可以通过引入化学镀镍晶种来解决边缘不均匀和同时在两个极性上镀覆的问题。此外，电镀电压限制也证明对电镀均匀性有益，我们还对在线电镀工具进行了修改。 简介 到目前为止，虽然工业上已经广泛使用了叉指背接触式(IBC)太阳能电池概念，因为这种电池概念具有最高的效率潜力。但IBC太阳能电池的主要挑战之一是降低金属化的生产成本。 IBC太阳能电池上的金属触点通常通过丝网印刷来实现。如果代替开发新的工艺可以简化已建立的工艺序列的复杂性，以降低金属化成本。到目前为止，SunPower已将IBC太阳能电池进行大规模生产电镀。现在需要对IBC太阳能电池进行临时掩模。本文提出了一种无需使用临时掩模即可进行ZEBRA IBC太阳能电池电镀的方法，以降低金属化生产成本。为此目的，我们使用RENA Technologies GmbH公司的现有工业在线电镀系统，并对接触系统进行了修改。 为了在ZEBRA IBC太阳能电池上产生无掩模镀层，必须实现一些要求，并且必须解决一些挑战。 将激光烧蚀对准n型和p型掺杂区域 硅或金属结构的局部接触 n型掺杂区与p型掺杂区的同时金属化 触指高度均匀性/边缘均匀性/触指导电性 低接触电阻率 触指附着力强 在当今的激光系统中，激光烧蚀在硼和磷扩散区域上的对准在技术上是没有问题的。第二个方面，硅或金属结构的局部接触以实现电镀接触栅，是我们工作中最大的挑战之一。没有可用于此类微结构的接触系统。在本文中，我们开发了这种带电刷的接触系统。
图1. ZEBRA IBC太阳能电池上的电镀金属触点可以通过激光烧蚀和湿法化学金属沉积相结合来实现。(I)通过钝化层的局部激光烧蚀来定义接触栅格。(II)预处理可进行HF浸渍，以去除激光开孔内的激光感应和自然氧化层。(III)将镍籽晶层镀在激光开孔区域上。随后将铜镀到镍籽晶上。镀层结构的金属叠层由薄的银层(<0.5μm)覆盖。 ZEBRA IBC太阳能电池的金属化要求与n型和p型掺杂表面要具有低接触电阻的导电金属指。镀镍/铜/银的应用满足了这些要求，与银丝网印刷相比，它们可以降低材料成本。图1显示了Fraunhofer ISE在太阳能电池上形成镀覆接触指的工艺路线。n型和p型掺杂的接触区域是通过钝化层的局部激光烧蚀来定义的。为了去除激光图案化开孔中的氧化物层，需要进行氢氟酸(HF)预处理。随后，将镍、铜和银镀到激光开孔区域上。镍层用作扩散阻挡层以防止铜扩散到硅中。主要的导电材料是铜层。为了实现ZEBRA IBC太阳能电池的互连，需要银封盖。任选地，可以随后进行退火步骤以通过在硅和镍的界面中形成硅化物来改善镀覆结构在硅上的粘附性。 到目前为止，在线电镀解决方案集中在具有全面积金属化后侧的太阳能电池概念上，例如钝化的发射极和后电池(PERC)。为此要使用在线电镀工具，该工具可将太阳能电池单侧浸入电镀电解液中。籽晶金属化物在电镀过程中保持干燥，并用于接触以施加过程电流。 本文演示了一种工艺解决方案，该工艺解决方案可实现电池概念的电镀镍/铜/银金属化，在IBC太阳能电池等电镀过程中，没有可用于大部分表面积的籽晶金属化。通过修改通常用于PERC太阳能电池金属化的现有在线电镀系统，以实现ZEBRA IBC太阳能电池上的镍/铜/银电镀工艺。ZEBRA IBC太阳能电池接触系统的技术解决方案以及这一思想的原理证明将在156 x 156mm²n型Cz-硅基太阳能电池上进行演示。 实验性方法 图2a显示了RENA Technologies GmbH公司的PERC太阳能电池的在线电镀工具。金属的镀覆是通过从化学溶液(电解液)中还原带正电的金属离子来实现的，这可以通过从外部电流提供电子来实现。 电镀过程中的电接触是通过金属化太阳能电池背面的电刷提供的。接触刷的图像部分在图3a中示出。电镀沉积是在太阳能电池另一侧的电解质中实现的。 这意味着当施加电流时，干燥的金属化面是使用刷子接触，并镀覆了正对电解液的面。辊将太阳能电池移动通过嵌入式电镀工具。这个简单的在线工具概念(尤其是接触系统)已经过修改，可以在ZEBRA IBC太阳能电池上实现在线电镀工艺
图2.在线电镀系统。(a)在PERC细胞上进行电镀的设置。接触系统和电解质位于太阳能电池的相对两侧。接触系统的电刷接触金属化太阳能电池的背面。(b)在ZEBRA IBC太阳能电池上进行局部直接电镀的设置。接触系统和电解液在同一侧。阴极通过虹吸实现，虹吸包含用于传输过程电流的电刷。
图3. 镍在线电镀系统的图像部分。(a)安装PERC太阳能电池的装置。接触刷将过程电流施加到金属化层上(全面积接触)。(b)电镀ZEBRA IBC太阳能电池的设备。接触刷必须将处理电流施加到浸有电解液的电池表面(硅或金属结构的局部直接接触)上。 为了在ZEBRA IBC太阳能电池上实现局部直接接触电镀，接触系统和电解质必须在同一侧(图2b)。接触刷能够在激光接触孔内提供与硅表面的电接触。局部直接接触电镀可实现制造电镀的镍籽晶层，以在p型和n型掺杂表面上实现低接触电阻率。此外，镀铜可提高触指的导电性。开发的工具概念可以将镍和铜沉积到激光开孔的接触栅上。 图3b显示了RENA Technologies GmbH公司的在线电镀工具的适配图(方案图2b)。镍电解质通过接触栅润湿太阳能电池侧。当电池接触到虹吸的刷子时，接触网就会镀上。虹吸用聚合物丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)进行3D打印，并包含不锈钢刷(图4)。虹吸的宽度为44毫米，长度为170毫米。 接触刷覆盖了156 x 156mm²ZEBRA IBC太阳能电池的整个晶片宽度。虹吸的几何形状类似于肋的形状，这确保了电池表面和电解质尽可能长的接触。接触刷旁边没有电解质，在这个区域中，电池表面不能被电解质润湿。
图4.通过局部接触将ZEBRA IBC太阳能电池板镀在板上的接触系统的3D图。接触系统(虹吸)的框架是通过ASA聚合物的3D打印制成的。框架宽44毫米，长170毫米。虹吸的几何形状类似于肋骨。不锈钢电刷包含在框架的中心，以将过程电流施加到太阳能电池。 ZEBRA IBC太阳能电池 通过使用图2b中所示的嵌入式电镀工具，按照图1中的处理顺序对ZEBRA IBC太阳能电池前体进行处理，以形成电镀金属化层。激光烧蚀是通过ps脉冲UV激光完成的，以通过局部去除氮化硅钝化层来构造接触栅。使用ps脉冲UV激光器可确保由于粗糙的表面形貌而产生的附着力。接触栅仅由触指组成，没有汇流排被激光照射。 为了去除激光接触栅中的自然氧化层，需要进行30秒HF浸入的预处理。镍籽晶层是在两个工艺步骤中制造的。首先使用化学镀镍电解液，在激光开孔区域上沉积含1%磷的镍籽晶，然后再镀镍。化学镍电解液是pH值为9.6，工作温度为88℃的含氨电解液。电镀的镍电解质在50°C和4.0的pH下运行。施加的电流为185 mA(取决于开孔的激光栅格区域)，电压限制为5V。 硝酸基铜电解质的pH值小于0，工作温度为30°C。使用的电流为340 mA，限制为5 V(取决于开孔的激光栅格区域)。通过将铜原子交换为银原子，用无电电解质进行银封端。 我们使用了尺寸为156.75 x 156.75mm²且直径为210 mm的n型Cz硅晶片，并且n型掺杂区和p型掺杂区彼此相邻。n型掺杂区域的表面掺杂浓度Ns为1.5×1020 cm-3，p型掺杂区域的表面掺杂浓度Ns分别为1.5×1019 cm-3和4.0×1019 cm-3。每个极性分别具有109个或110个触指，激光开孔宽度为12μm。 结果和讨论 在这项工作的介绍中列出了在具有本地触点的ZEBRA IBC太阳能电池上实现直接串联电镀的要求。在本节中，将讨论关于实现这些需求的不同要求，并在必要时讨论它们的挑战和解决方案。 对准 为了在ZEBRA IBC太阳能电池上实现电镀接触，需要在硼和磷扩散区域上使用激光接触栅。在这种情况下，仅必须创建触指。所用的ps脉冲UV激光器必须对准ZEBRA IBC太阳能电池的n型和p型掺杂区域。n型掺杂区的宽度为400μm。p掺杂区的宽度是900μm。激光开孔的接触栅可以在每种情况下在交替区域的中间对齐(图5)。根据所选的激光能量，激光张开的指状物的宽度为10μm至15μm。
图5. ZEBRA IBC太阳能电池的激光对准触点在交替的n型和p型掺杂区的共聚焦显微镜图像。 激光开孔触指的宽度为10μm至15μm。 连接局部硅或金属结构 图6示出了在激光开孔的接触栅上的电镀镍层。在n型掺杂区和p型掺杂区均获得电镀镍沉积，这是通过硅的直接局部接触实现的。我们发现在ZEBRA IBC太阳能电池上，沉积到磷扩散区域(hfinger 3μm)比硼扩散区域(hfinger> 1μm)更可取。具有改进的性能和局部接触系统的镍电解质可以实现在硅上镀镍。
图6.ZEBRAIBC太阳能电池(1000 x)的电镀镍沉积交替n型(a)和p型(b)掺杂区域的共聚焦显微镜图像。与p型掺杂区相比，在n型掺杂区上电镀是优选的。 为了产生更均匀的镍层并确保同时在n型和p型掺杂区域上进行镀覆，还可以通过两个工艺步骤来实现镍沉积-化学镀镍籽晶沉积和电镀镍沉积。与硅相比，原则上化学镀镍籽晶和接触刷之间的接触电阻率应更低。图7显示了在ZEBRA IBC太阳能电池的n型掺杂和p型掺杂区域成功沉积了含1%磷的化学镀镍籽晶。SEM图像显示了典型的镍籽晶圆形。激光开孔区域和非激光开孔钝化层之间的清晰边界可以通过镍籽晶沉积来确定(图7b和7d)。化学镀镍籽晶沉积在激光开孔的接触栅上。
图7. ZEBRA IBC太阳能电池的激光开式接触栅化学镀镍籽晶的SEM表征。(a)在n型掺杂区中的金字塔上的镍籽晶。(b)镍籽晶位于激光开孔区域，非激光开孔区域没有镍籽晶(n型掺杂区域)。(c)p型掺杂区中金字塔上的镍籽晶。(d)镍籽晶位于激光开孔区域，非激光开孔区域没有镍籽晶(p型掺杂区域)。 图8显示了在磷扩散(图8a)和硼扩散(图8b)上通过化学沉积和电镀沉积得到的镍堆叠的共焦图像。接触刷和化学镀镍籽晶之间的接触改善，可以在p型掺杂区域上优化电镀镍沉积。该镍层的触指高度为1μm。在n型掺杂区域，触指的高度为4μm。但是，两个扩散区域之间的触指高度仍然不同。这种现象尚未完全了解。
图8.ZEBRAIBC太阳能电池(1000 x)的化学镀镍和电镀镍沉积的交替n型(a)和p型(b)掺杂区域的共聚焦显微镜图像。与p型掺杂区相比，电镀n型掺杂区是优选。 同时进行p型和n型金属化 在ZEBRA IBC太阳能电池上实现同时电镀是非常具有挑战性的，这意味着要同时在电池背面电镀n型掺杂区和p型掺杂区。由于前端处理的不同，两个区域不在同一z轴水平上，并且接触电阻率也可能不同，所以优选镀n型掺杂区。为了确保同时在ZEBRA IBC太阳能电池上进行电镀，需要将化学镀的镍籽晶沉积到接触栅上。另外，化学镀的镍籽晶的沉积降低了n型掺杂区和p型掺杂区之间触指高度的不均匀性。 触指高度均质性/边缘均质性/触指导电性当施加最大32 V(无电压限制)的电流进行沉积电镀镍层时，触指高度和边缘均质性的电镀结果是不均匀的。第一次将刷子与晶片接触时，电压迅速增加到32V。这是由于高电阻使电镀电流通过湿润的电解液到达晶片表面的一部分所致，这可能会产生热量，导致镍电解质在电池表面部分蒸发。 然后，在剩余的电镀过程中，电压再次大幅下降并接近恒定的电压值(水平渐近曲线)。为了实现更均匀的金属沉积和更低的电流扩散电阻，可通过化学镀镍籽晶沉积来扩展工艺流程。但是即使在这种情况下，如果不限制随后的电镀过程中的电压，则沉积仍然是不均匀的。观察还可以发现，电压急剧增加也会导致边缘不均匀。同样，在n型掺杂区和p型掺杂区之间，触指的高度也有显著差异。 最后，本文开发的成功直接接触镀覆步骤包括化学镀镍籽晶沉积和电压限制的电镀镍镀膜。我们已发现合理的电压限制为5 V，这仍然能够达到施加的电流。在这种情况下可以实现边缘均匀性。为了再次减小n型和p型掺杂区之间的触指高度差，并确保接触刷和太阳能电池之间的局部良好接触，在电镀过程中要调节接触压力。该压力通过ZEBRA IBC太阳能电池顶部的反作用力来实现。如果接触压力过高，那么由于过高的机械应力，镀覆触指会被虹吸的刷子去除。 边缘不均匀性是源自镍电解液中的第一个虹吸效应，其中ZEBRA IBC电池在传输方向上的第一个接触区域未镀在n型掺杂和p型掺杂区域上(图9)。如果在第一次与刷子接触时形成边缘不均匀性，则在整个电镀过程中将不再电镀该区域。我们的假设是，由于可能的表面改性，例如氧化，那么与其余的晶种接触栅格相比，该非镀层区域的接触电阻过高。ZEBRA IBC电池的非电镀区域对应于虹吸的一半宽度或整个宽度。该非电镀区域也导致不均匀的电镀结果。
图9.边缘不均匀的非镀层区域。接触刷和ZEBRA IBC太阳能电池首次接触的非镀层面积。 在156 x 156mm²ZEBRA IBC太阳能电池上成功演示了图2b的局部直接接触电镀工艺。图10是将在线电镀工艺设置为获得镍(1-3μm)/ 铜(10-15μm)/ 银(0.5μm)的电镀高度后，激光接触开孔的示例性共聚焦显微镜图像以及共聚焦显微镜图像。
图10. 156 x 156mm²ZEBRA IBC太阳能电池的电镀结果。n型掺杂区和p型掺杂区的激光开孔的共聚焦显微镜图像(1000 x，左)。镍 / 铜 / 银镀指在n型掺杂和p型掺杂区域上的共聚焦显微镜图像(1000 x，右)。该图显示了所测量的镀覆结构的触指高度。n型掺杂区域的平均高度为18μm±2μm，p型掺杂区域的平均高度为10μm±1μm。 共焦显微镜图像是沿156 mm的整个触指长度拍摄的。n型掺杂区域上的电镀指高度为14μm到22μm不等。平均来看，测量的高度为18μm±2μm，宽度为48μm±3μm。磷扩散的目标高度达到15μm至20μm。p型发射器的值范围为8μm至11μm。电镀指的平均高度为10μm±1μm，平均宽度为41μm±3μm。通常，优选在n型BSF上进行电镀。进一步的工艺优化旨在使p型掺杂和n型掺杂的金属化触指的高度比相等。 结果表明，可以在ZEBRA IBC太阳能电池上获得厚镀的接触指。层厚度的均匀性必须提高。观察到的一种效果是触指的高度沿着晶片的长度增加。另外，在n型和p型掺杂区域之间的触指高度也不同。仍然使用所获得的金属分布系列，可将电阻限制保持在较低水平。值得一提的是，这可以制造出具有高导电性的非常窄的触指，它们也非常适合于双面光收集。 接触电阻率 在不同的磷掺杂和硼掺杂曲线上执行镀镍/铜/银线的传输线测量。所选的掺杂曲线是由ISC Konstanz针对ZEBRA IBC太阳能电池所开发的。曲线的薄层电阻在20Ω/ sq之间变化。和100Ω/ sq。金属化顺序与图10所示的样品类似。在p型掺杂和n型掺杂表面上均可显示出小于1mΩcm²的低接触电阻率。结果如图11所示。
图11. 直接接触镀指在硼扩散和磷扩散表面上的接触电阻率结果。 预定义的表面掺杂浓度Ns通过参考样品上的电化学电容电压(ECV)测量确定。Ns为2.4x1019 cm-3至1.1x1020 cm-3。 结论 通过结合工业在线电镀工具和快速原型制作，我们可以实现一种简单适用的在线电镀工具，从而无需使用任何临时掩模，即可在ZEBRA IBC太阳能电池的本地触点上实现直接在线电镀。在这种方法中，接触系统和电解质在同一侧，这可满足成功金属化的所有定义要求。化学镀镍籽晶可确保同时在ZEBRA IBC太阳能电池的接触栅上进行电镀。 我们的下一步将是定量测量触指的附着力，并证明ZEBRA IBC太阳能电池的第一效率。另外，还将通过使用多层金属化概念来实现互连。到目前为止，结果表明，直接在线电镀可以作为ZEBRA IBC太阳能电池的替代金属化工艺，以简化电镀工艺流程，并有可能降低金属化成本，同时具有提高效率的潜力，这可能会使ZEBRA IBC太阳能电池的变得更加经济实惠。另外，该技术在双面太阳能电池概念的金属化方面也具有潜力。 |
