在线电镀溶液可通过局部接触实现ZEBRA IBC直接接触电镀
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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 |
