來源：連接器世界網 作者：德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所&國際太陽能研究中心

【大比特導讀】本文提出了一種在線電鍍液，其中電解液和接觸系統佈置在同一側。該概念可將ZEBRAIBC太陽能電池等相當大的表面積上電鍍到沒有現成籽晶金屬化的電池上。爲了在這些電池概念上進行電鍍，需要進行硅或局部金屬結構的局部接觸。

摘要

本文提出了一種在線電鍍液，其中電解液和接觸系統佈置在同一側。該概念可將ZEBRAIBC太陽能電池等相當大的表面積上電鍍到沒有現成籽晶金屬化的電池上。爲了在這些電池概念上進行電鍍，需要進行硅或局部金屬結構的局部接觸。RENA Technologies GmbH公司現有的在線電鍍工具中採用了一種新的接觸方案，其中包括不鏽鋼刷。它可以實現硅和金屬結構的局部接觸，而無需任何臨時掩模。我們成功證明了ZEBRA IBC太陽能電池上的電鍍接觸柵的初步結果。一個結果表明同時鍍金的n型BSF和p型發射極的觸指高度分別爲18μm±2μm和10μm±1μm。此外，還顯示了重要的工藝開發步驟，例如對齊，可以通過引入化學鍍鎳晶種來解決邊緣不均勻和同時在兩個極性上鍍覆的問題。此外，電鍍電壓限制也證明對電鍍均勻性有益，我們還對在線電鍍工具進行了修改。

簡介

到目前爲止，雖然工業上已經廣泛使用了叉指背接觸式(IBC)太陽能電池概念，因爲這種電池概念具有最高的效率潛力。但IBC太陽能電池的主要挑戰之一是降低金屬化的生產成本。 IBC太陽能電池上的金屬觸點通常通過絲網印刷來實現。如果代替開發新的工藝可以簡化已建立的工藝序列的複雜性，以降低金屬化成本。到目前爲止，SunPower已將IBC太陽能電池進行大規模生產電鍍。現在需要對IBC太陽能電池進行臨時掩模。本文提出了一種無需使用臨時掩模即可進行ZEBRA IBC太陽能電池電鍍的方法，以降低金屬化生產成本。爲此目的，我們使用RENA Technologies GmbH公司的現有工業在線電鍍系統，並對接觸系統進行了修改。

爲了在ZEBRA IBC太陽能電池上產生無掩模鍍層，必須實現一些要求，並且必須解決一些挑戰。

將激光燒蝕對準n型和p型摻雜區域

硅或金屬結構的局部接觸

n型摻雜區與p型摻雜區的同時金屬化

觸指高度均勻性/邊緣均勻性/觸指導電性

低接觸電阻率

觸指附着力強

在當今的激光系統中，激光燒蝕在硼和磷擴散區域上的對準在技術上是沒有問題的。第二個方面，硅或金屬結構的局部接觸以實現電鍍接觸柵，是我們工作中最大的挑戰之一。沒有可用於此類微結構的接觸系統。在本文中，我們開發了這種帶電刷的接觸系統。

圖1. ZEBRA IBC太陽能電池上的電鍍金屬觸點可以通過激光燒蝕和溼法化學金屬沉積相結合來實現。(I)通過鈍化層的局部激光燒蝕來定義接觸柵格。(II)預處理可進行HF浸漬，以去除激光開孔內的激光感應和自然氧化層。(III)將鎳籽晶層鍍在激光開孔區域上。隨後將銅鍍到鎳籽晶上。鍍層結構的金屬疊層由薄的銀層(<0.5μm)覆蓋。

ZEBRA IBC太陽能電池的金屬化要求與n型和p型摻雜表面要具有低接觸電阻的導電金屬指。鍍鎳/銅/銀的應用滿足了這些要求，與銀絲網印刷相比，它們可以降低材料成本。圖1顯示了Fraunhofer ISE在太陽能電池上形成鍍覆接觸指的工藝路線。n型和p型摻雜的接觸區域是通過鈍化層的局部激光燒蝕來定義的。爲了去除激光圖案化開孔中的氧化物層，需要進行氫氟酸(HF)預處理。隨後，將鎳、銅和銀鍍到激光開孔區域上。鎳層用作擴散阻擋層以防止銅擴散到硅中。主要的導電材料是銅層。爲了實現ZEBRA IBC太陽能電池的互連，需要銀封蓋。任選地，可以隨後進行退火步驟以通過在硅和鎳的界面中形成硅化物來改善鍍覆結構在硅上的粘附性。

到目前爲止，在線電鍍解決方案集中在具有全面積金屬化後側的太陽能電池概念上，例如鈍化的發射極和後電池(PERC)。爲此要使用在線電鍍工具，該工具可將太陽能電池單側浸入電鍍電解液中。籽晶金屬化物在電鍍過程中保持乾燥，並用於接觸以施加過程電流。

本文演示了一種工藝解決方案，該工藝解決方案可實現電池概念的電鍍鎳/銅/銀金屬化，在IBC太陽能電池等電鍍過程中，沒有可用於大部分表面積的籽晶金屬化。通過修改通常用於PERC太陽能電池金屬化的現有在線電鍍系統，以實現ZEBRA IBC太陽能電池上的鎳/銅/銀電鍍工藝。ZEBRA IBC太陽能電池接觸系統的技術解決方案以及這一思想的原理證明將在156 x 156mm²n型Cz-硅基太陽能電池上進行演示。

實驗性方法

圖2a顯示了RENA Technologies GmbH公司的PERC太陽能電池的在線電鍍工具。金屬的鍍覆是通過從化學溶液(電解液)中還原帶正電的金屬離子來實現的，這可以通過從外部電流提供電子來實現。

電鍍過程中的電接觸是通過金屬化太陽能電池背面的電刷提供的。接觸刷的圖像部分在圖3a中示出。電鍍沉積是在太陽能電池另一側的電解質中實現的。

這意味着當施加電流時，乾燥的金屬化面是使用刷子接觸，並鍍覆了正對電解液的面。輥將太陽能電池移動通過嵌入式電鍍工具。這個簡單的在線工具概念(尤其是接觸系統)已經過修改，可以在ZEBRA IBC太陽能電池上實現在線電鍍工藝

圖2.在線電鍍系統。(a)在PERC細胞上進行電鍍的設置。接觸系統和電解質位於太陽能電池的相對兩側。接觸系統的電刷接觸金屬化太陽能電池的背面。(b)在ZEBRA IBC太陽能電池上進行局部直接電鍍的設置。接觸系統和電解液在同一側。陰極通過虹吸實現，虹吸包含用於傳輸過程電流的電刷。

圖3. 鎳在線電鍍系統的圖像部分。(a)安裝PERC太陽能電池的裝置。接觸刷將過程電流施加到金屬化層上(全面積接觸)。(b)電鍍ZEBRA IBC太陽能電池的設備。接觸刷必須將處理電流施加到浸有電解液的電池表面(硅或金屬結構的局部直接接觸)上。

爲了在ZEBRA IBC太陽能電池上實現局部直接接觸電鍍，接觸系統和電解質必須在同一側(圖2b)。接觸刷能夠在激光接觸孔內提供與硅表面的電接觸。局部直接接觸電鍍可實現製造電鍍的鎳籽晶層，以在p型和n型摻雜表面上實現低接觸電阻率。此外，鍍銅可提高觸指的導電性。開發的工具概念可以將鎳和銅沉積到激光開孔的接觸柵上。

圖3b顯示了RENA Technologies GmbH公司的在線電鍍工具的適配圖(方案圖2b)。鎳電解質通過接觸柵潤溼太陽能電池側。當電池接觸到虹吸的刷子時，接觸網就會鍍上。虹吸用聚合物丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)進行3D打印，幷包含不鏽鋼刷(圖4)。虹吸的寬度爲44毫米，長度爲170毫米。

接觸刷覆蓋了156 x 156mm²ZEBRA IBC太陽能電池的整個晶片寬度。虹吸的幾何形狀類似於肋的形狀，這確保了電池表面和電解質儘可能長的接觸。接觸刷旁邊沒有電解質，在這個區域中，電池表面不能被電解質潤溼。

圖4.通過局部接觸將ZEBRA IBC太陽能電池板鍍在板上的接觸系統的3D圖。接觸系統(虹吸)的框架是通過ASA聚合物的3D打印製成的。框架寬44毫米，長170毫米。虹吸的幾何形狀類似於肋骨。不鏽鋼電刷包含在框架的中心，以將過程電流施加到太陽能電池。

ZEBRA IBC太陽能電池

通過使用圖2b中所示的嵌入式電鍍工具，按照圖1中的處理順序對ZEBRA IBC太陽能電池前體進行處理，以形成電鍍金屬化層。激光燒蝕是通過ps脈衝UV激光完成的，以通過局部去除氮化硅鈍化層來構造接觸柵。使用ps脈衝UV激光器可確保由於粗糙的表面形貌而產生的附着力。接觸柵僅由觸指組成，沒有匯流排被激光照射。

爲了去除激光接觸柵中的自然氧化層，需要進行30秒HF浸入的預處理。鎳籽晶層是在兩個工藝步驟中製造的。首先使用化學鍍鎳電解液，在激光開孔區域上沉積含1%磷的鎳籽晶，然後再鍍鎳。化學鎳電解液是pH值爲9.6，工作溫度爲88℃的含氨電解液。電鍍的鎳電解質在50°C和4.0的pH下運行。施加的電流爲185 mA(取決於開孔的激光柵格區域)，電壓限制爲5V。

硝酸基銅電解質的pH值小於0，工作溫度爲30°C。使用的電流爲340 mA，限制爲5 V(取決於開孔的激光柵格區域)。通過將銅原子交換爲銀原子，用無電電解質進行銀封端。

我們使用了尺寸爲156.75 x 156.75mm²且直徑爲210 mm的n型Cz硅晶片，並且n型摻雜區和p型摻雜區彼此相鄰。n型摻雜區域的表面摻雜濃度Ns爲1.5×1020 cm-3，p型摻雜區域的表面摻雜濃度Ns分別爲1.5×1019 cm-3和4.0×1019 cm-3。每個極性分別具有109個或110個觸指，激光開孔寬度爲12μm。

結果和討論

在這項工作的介紹中列出了在具有本地觸點的ZEBRA IBC太陽能電池上實現直接串聯電鍍的要求。在本節中，將討論關於實現這些需求的不同要求，並在必要時討論它們的挑戰和解決方案。

對準

爲了在ZEBRA IBC太陽能電池上實現電鍍接觸，需要在硼和磷擴散區域上使用激光接觸柵。在這種情況下，僅必須創建觸指。所用的ps脈衝UV激光器必須對準ZEBRA IBC太陽能電池的n型和p型摻雜區域。n型摻雜區的寬度爲400μm。p摻雜區的寬度是900μm。激光開孔的接觸柵可以在每種情況下在交替區域的中間對齊(圖5)。根據所選的激光能量，激光張開的指狀物的寬度爲10μm至15μm。

圖5. ZEBRA IBC太陽能電池的激光對準觸點在交替的n型和p型摻雜區的共聚焦顯微鏡圖像。 激光開孔觸指的寬度爲10μm至15μm。

連接局部硅或金屬結構

圖6示出了在激光開孔的接觸柵上的電鍍鎳層。在n型摻雜區和p型摻雜區均獲得電鍍鎳沉積，這是通過硅的直接局部接觸實現的。我們發現在ZEBRA IBC太陽能電池上，沉積到磷擴散區域(hfinger 3μm)比硼擴散區域(hfinger> 1μm)更可取。具有改進的性能和局部接觸系統的鎳電解質可以實現在硅上鍍鎳。

圖6.ZEBRAIBC太陽能電池(1000 x)的電鍍鎳沉積交替n型(a)和p型(b)摻雜區域的共聚焦顯微鏡圖像。與p型摻雜區相比，在n型摻雜區上電鍍是優選的。

爲了產生更均勻的鎳層並確保同時在n型和p型摻雜區域上進行鍍覆，還可以通過兩個工藝步驟來實現鎳沉積-化學鍍鎳籽晶沉積和電鍍鎳沉積。與硅相比，原則上化學鍍鎳籽晶和接觸刷之間的接觸電阻率應更低。圖7顯示了在ZEBRA IBC太陽能電池的n型摻雜和p型摻雜區域成功沉積了含1%磷的化學鍍鎳籽晶。SEM圖像顯示了典型的鎳籽晶圓形。激光開孔區域和非激光開孔鈍化層之間的清晰邊界可以通過鎳籽晶沉積來確定(圖7b和7d)。化學鍍鎳籽晶沉積在激光開孔的接觸柵上。

圖7. ZEBRA IBC太陽能電池的激光開式接觸柵化學鍍鎳籽晶的SEM表徵。(a)在n型摻雜區中的金字塔上的鎳籽晶。(b)鎳籽晶位於激光開孔區域，非激光開孔區域沒有鎳籽晶(n型摻雜區域)。(c)p型摻雜區中金字塔上的鎳籽晶。(d)鎳籽晶位於激光開孔區域，非激光開孔區域沒有鎳籽晶(p型摻雜區域)。

圖8顯示了在磷擴散(圖8a)和硼擴散(圖8b)上通過化學沉積和電鍍沉積得到的鎳堆疊的共焦圖像。接觸刷和化學鍍鎳籽晶之間的接觸改善，可以在p型摻雜區域上優化電鍍鎳沉積。該鎳層的觸指高度爲1μm。在n型摻雜區域，觸指的高度爲4μm。但是，兩個擴散區域之間的觸指高度仍然不同。這種現象尚未完全瞭解。

圖8.ZEBRAIBC太陽能電池(1000 x)的化學鍍鎳和電鍍鎳沉積的交替n型(a)和p型(b)摻雜區域的共聚焦顯微鏡圖像。與p型摻雜區相比，電鍍n型摻雜區是優選。

同時進行p型和n型金屬化

在ZEBRA IBC太陽能電池上實現同時電鍍是非常具有挑戰性的，這意味着要同時在電池背面電鍍n型摻雜區和p型摻雜區。由於前端處理的不同，兩個區域不在同一z軸水平上，並且接觸電阻率也可能不同，所以優選鍍n型摻雜區。爲了確保同時在ZEBRA IBC太陽能電池上進行電鍍，需要將化學鍍的鎳籽晶沉積到接觸柵上。另外，化學鍍的鎳籽晶的沉積降低了n型摻雜區和p型摻雜區之間觸指高度的不均勻性。

觸指高度均質性/邊緣均質性/觸指導電性當施加最大32 V(無電壓限制)的電流進行沉積電鍍鎳層時，觸指高度和邊緣均質性的電鍍結果是不均勻的。第一次將刷子與晶片接觸時，電壓迅速增加到32V。這是由於高電阻使電鍍電流通過溼潤的電解液到達晶片表面的一部分所致，這可能會產生熱量，導致鎳電解質在電池表面部分蒸發。

然後，在剩餘的電鍍過程中，電壓再次大幅下降並接近恆定的電壓值(水平漸近曲線)。爲了實現更均勻的金屬沉積和更低的電流擴散電阻，可通過化學鍍鎳籽晶沉積來擴展工藝流程。但是即使在這種情況下，如果不限制隨後的電鍍過程中的電壓，則沉積仍然是不均勻的。觀察還可以發現，電壓急劇增加也會導致邊緣不均勻。同樣，在n型摻雜區和p型摻雜區之間，觸指的高度也有顯著差異。

最後，本文開發的成功直接接觸鍍覆步驟包括化學鍍鎳籽晶沉積和電壓限制的電鍍鎳鍍膜。我們已發現合理的電壓限制爲5 V，這仍然能夠達到施加的電流。在這種情況下可以實現邊緣均勻性。爲了再次減小n型和p型摻雜區之間的觸指高度差，並確保接觸刷和太陽能電池之間的局部良好接觸，在電鍍過程中要調節接觸壓力。該壓力通過ZEBRA IBC太陽能電池頂部的反作用力來實現。如果接觸壓力過高，那麼由於過高的機械應力，鍍覆觸指會被虹吸的刷子去除。

邊緣不均勻性是源自鎳電解液中的第一個虹吸效應，其中ZEBRA IBC電池在傳輸方向上的第一個接觸區域未鍍在n型摻雜和p型摻雜區域上(圖9)。如果在第一次與刷子接觸時形成邊緣不均勻性，則在整個電鍍過程中將不再電鍍該區域。我們的假設是，由於可能的表面改性，例如氧化，那麼與其餘的晶種接觸柵格相比，該非鍍層區域的接觸電阻過高。ZEBRA IBC電池的非電鍍區域對應於虹吸的一半寬度或整個寬度。該非電鍍區域也導致不均勻的電鍍結果。

圖9.邊緣不均勻的非鍍層區域。接觸刷和ZEBRA IBC太陽能電池首次接觸的非鍍層面積。

在156 x 156mm²ZEBRA IBC太陽能電池上成功演示了圖2b的局部直接接觸電鍍工藝。圖10是將在線電鍍工藝設置爲獲得鎳(1-3μm)/ 銅(10-15μm)/ 銀(0.5μm)的電鍍高度後，激光接觸開孔的示例性共聚焦顯微鏡圖像以及共聚焦顯微鏡圖像。

圖10. 156 x 156mm²ZEBRA IBC太陽能電池的電鍍結果。n型摻雜區和p型摻雜區的激光開孔的共聚焦顯微鏡圖像(1000 x，左)。鎳 / 銅 / 銀鍍指在n型摻雜和p型摻雜區域上的共聚焦顯微鏡圖像(1000 x，右)。該圖顯示了所測量的鍍覆結構的觸指高度。n型摻雜區域的平均高度爲18μm±2μm，p型摻雜區域的平均高度爲10μm±1μm。

共焦顯微鏡圖像是沿156 mm的整個觸指長度拍攝的。n型摻雜區域上的電鍍指高度爲14μm到22μm不等。平均來看，測量的高度爲18μm±2μm，寬度爲48μm±3μm。磷擴散的目標高度達到15μm至20μm。p型發射器的值範圍爲8μm至11μm。電鍍指的平均高度爲10μm±1μm，平均寬度爲41μm±3μm。通常，優選在n型BSF上進行電鍍。進一步的工藝優化旨在使p型摻雜和n型摻雜的金屬化觸指的高度比相等。

結果表明，可以在ZEBRA IBC太陽能電池上獲得厚鍍的接觸指。層厚度的均勻性必須提高。觀察到的一種效果是觸指的高度沿着晶片的長度增加。另外，在n型和p型摻雜區域之間的觸指高度也不同。仍然使用所獲得的金屬分佈系列，可將電阻限制保持在較低水平。值得一提的是，這可以製造出具有高導電性的非常窄的觸指，它們也非常適合於雙面光收集。

接觸電阻率

在不同的磷摻雜和硼摻雜曲線上執行鍍鎳/銅/銀線的傳輸線測量。所選的摻雜曲線是由ISC Konstanz針對ZEBRA IBC太陽能電池所開發的。曲線的薄層電阻在20Ω/ sq之間變化。和100Ω/ sq。金屬化順序與圖10所示的樣品類似。在p型摻雜和n型摻雜表面上均可顯示出小於1mΩcm²的低接觸電阻率。結果如圖11所示。

圖11. 直接接觸鍍指在硼擴散和磷擴散表面上的接觸電阻率結果。

預定義的表面摻雜濃度Ns通過參考樣品上的電化學電容電壓(ECV)測量確定。Ns爲2.4x1019 cm-3至1.1x1020 cm-3。

結論

通過結合工業在線電鍍工具和快速原型製作，我們可以實現一種簡單適用的在線電鍍工具，從而無需使用任何臨時掩模，即可在ZEBRA IBC太陽能電池的本地觸點上實現直接在線電鍍。在這種方法中，接觸系統和電解質在同一側，這可滿足成功金屬化的所有定義要求。化學鍍鎳籽晶可確保同時在ZEBRA IBC太陽能電池的接觸柵上進行電鍍。

我們的下一步將是定量測量觸指的附着力，並證明ZEBRA IBC太陽能電池的第一效率。另外，還將通過使用多層金屬化概念來實現互連。到目前爲止，結果表明，直接在線電鍍可以作爲ZEBRA IBC太陽能電池的替代金屬化工藝，以簡化電鍍工藝流程，並有可能降低金屬化成本，同時具有提高效率的潛力，這可能會使ZEBRA IBC太陽能電池的變得更加經濟實惠。另外，該技術在雙面太陽能電池概念的金屬化方面也具有潛力。

本文爲大比特資訊原創文章，如需轉載請在文前註明來源

相關文章