太陽能電池埋柵電極制造新技術(shù)

歐 萌，靳志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太源030024)

自工業(yè)大發(fā)展以來，人們對(duì)能源的追求就從未中斷過，而地球上的各種能源均是直接或間接的來源于太陽。光伏現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，太陽能發(fā)電的研究就成為最具發(fā)展的研究領(lǐng)域。太陽能電池的研制和開發(fā)進(jìn)展神速，其中硅太陽能電池制造技術(shù)最為成熟，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)及應(yīng)用。

我國(guó)自20世紀(jì)五、六十年代開始發(fā)展光伏行業(yè)以來，通過四十多年的努力，在工藝技術(shù)和產(chǎn)能上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是近年來“光明工程”、“送電到鄉(xiāng)”等一些國(guó)家項(xiàng)目的啟動(dòng)，以及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)，使我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了更加迅猛的發(fā)展。至2008年底太陽能電池產(chǎn)量已突破200萬kW，光伏企業(yè)的增加，伴隨著激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，尤其是在去年的金融危機(jī)爆發(fā)后，全球市場(chǎng)迅速萎縮，競(jìng)爭(zhēng)加劇，對(duì)于每一個(gè)光伏企業(yè)而言，要想在如此嚴(yán)峻的形勢(shì)下繼續(xù)生存，并進(jìn)一步獲得發(fā)展，只有依靠技術(shù)的不斷創(chuàng)新。新技術(shù)的研發(fā)將決定著我國(guó)光伏企業(yè)的持續(xù)發(fā)展空間。

目前，已有許多國(guó)外光伏企業(yè)通過電鍍法來制造硅太陽能電池的埋柵電極，取代了常規(guī)的印刷法，這樣可有效降低柵線電極的制造成本，并提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，本文將對(duì)這一新技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

1 與傳統(tǒng)工藝相比較

電鍍電極工藝與絲網(wǎng)印刷電極工藝技術(shù)的對(duì)比如圖1所示。

圖1 電鍍電極與絲網(wǎng)印刷電極工藝技術(shù)之對(duì)比

與印刷法相比較，電鍍法的生產(chǎn)效率更高，另外其使用鎳-銅-錫組合工藝，達(dá)到了太陽能電池柵線電極的技術(shù)要求，在成本上比印刷銀漿有了大幅下降。最主要的是其柵線電極為埋槽嵌入式，增加了與硅片的接觸面積，降低了電極與硅片的接觸電阻，同時(shí)又增大了硅片的吸光面積，從而有效提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化率。印刷法電極結(jié)構(gòu)見圖2，埋柵電極結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 印刷法電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 埋柵電極結(jié)構(gòu)示意圖

2 電鍍法工藝技術(shù)流程

硅片進(jìn)行邊緣結(jié)刻蝕后，即可轉(zhuǎn)入埋柵電極電鍍法制造流程，具體工藝流程描述如下。

2.1 激光刻槽

激光刻槽即按設(shè)計(jì)好的梳狀電極圖形，刻出電鍍所需的溝槽，刻槽深度要根據(jù)太陽能電池設(shè)計(jì)工藝要求而定，如采用一次擴(kuò)散，則在電池設(shè)計(jì)上為了減小發(fā)射區(qū)表面淺層內(nèi)“死層”的厚度，降低發(fā)射區(qū)內(nèi)少子復(fù)合，提高電池短波響應(yīng)及開路電壓等諸多關(guān)聯(lián)參數(shù)，一般會(huì)采用淺結(jié)磷擴(kuò)散，因此也要求溝槽深度較淺，這樣一來，就會(huì)減小電鍍電極與硅片的接觸面積，降低其結(jié)合力，不利于后期的電池片互連焊接強(qiáng)度；另外，也使磷擴(kuò)散層橫向電阻功耗率增大，將影響整個(gè)電池片的效率提高空間，雖然采取增加電極數(shù)量，可以減少橫向電阻功耗，但又會(huì)減小電池片的有效吸光面積，同樣會(huì)影響到電池的轉(zhuǎn)化效率。因此，建議最好采用二次擴(kuò)散工藝，即刻槽后，再進(jìn)行一次擴(kuò)散，這樣將能很好地解決以上諸多問題，制造出高性能的硅太陽電池片。

2.2 化學(xué)鍍鎳

刻槽后硅片經(jīng)脫脂、水洗、活化后，即可進(jìn)行化學(xué)鍍鎳打底。化學(xué)鍍鎳采用堿性工藝，具體配制及操作工藝：硫酸鎳(NiSO4·7H2O)35 g/L，次亞磷酸鈉 (NaH2PO2·H2O)25 g/L，焦磷酸鈉 (Na3C6H5O7·2H2O)70 g/L，pH值9～10，溫度60℃。

化學(xué)鍍鎳時(shí)可通過設(shè)備對(duì)硅片進(jìn)行單面操作或單面保護(hù)來進(jìn)行，通過擴(kuò)散后的硅極對(duì)堿性化學(xué)鎳有著良好的催化作用，在硅片正面無須制作鍍覆窗口，鎳金屬可有選擇性地沉積在電極溝槽內(nèi)，化學(xué)鍍鎳主要是為了在硅極上沉積后續(xù)電鍍所需的導(dǎo)電層，另外，也是為了增加整個(gè)電極與硅片的結(jié)合力。堿性化學(xué)鎳的pH值，對(duì)沉積速度的均勻性有很大的影響，為了保證化學(xué)鎳的沉積質(zhì)量，需對(duì)操作過程中溶液的pH值進(jìn)行嚴(yán)格控制，可采用pH電極即時(shí)檢測(cè)，再通過控制計(jì)量泵對(duì)溶液進(jìn)行在線自動(dòng)添加氨水來解決，另外，氨水的揮發(fā)性很大，要注意通風(fēng)。

2.3 電鍍鎳

化學(xué)鍍鎳后，可選擇高溫?zé)Y(jié)，這樣可以大大提高電極與硅片結(jié)合力。然后再進(jìn)行電鍍鎳，具體配制及操作工藝：氨基磺酸鎳[Ni(NH2SO3)2·4H2O]300 g/L，硼酸(H3BO3)40 g/L，去應(yīng)力劑 40 m l/L，陽極活化劑5m l/L，潤(rùn)濕劑1m l/L，pH值3.0，溫度90℃，電流密度2 A/dm2，攪拌強(qiáng)度中等。

由于化學(xué)鍍鎳速度較慢，需要電鍍鎳進(jìn)行加厚，鍍鎳層是為了隔離銅層與硅片的接觸，因?yàn)殂~離子對(duì)硅極有著強(qiáng)烈的毒化作用。電鍍鎳采用的氨基磺酸鎳體系沉積速度快,結(jié)晶細(xì)致,鍍液分散性好,可獲得低應(yīng)力的柔韌性鍍層,廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)中的底層電鍍。

2.4 電鍍銅

銅與銀一樣有著良好的介電性能，在價(jià)格上銅與銀的優(yōu)勢(shì)不言而喻，但在制作各種導(dǎo)電漿料上，銅因?yàn)楹苋菀籽趸?dǎo)電性，所以很難應(yīng)用，用電鍍法可獲得純度極高的銅層，而充分發(fā)揮其優(yōu)良的性價(jià)比，因此在各類導(dǎo)電布線工藝中，電鍍銅無可替代。在硅太陽能電池電極電鍍層結(jié)構(gòu)中，銅層的作用就是導(dǎo)電，其具體配制及操作工藝：硫酸銅(CuSO4·5H2O)200 g/L，硫酸(H2SO4)80 g/L，氯離子(Cl-)70mg/L，抑制劑 12m l/L，光亮劑 30m l/L，整平劑 20m l/L，溫度20～25℃，電流密度5 A/dm2，攪拌強(qiáng)度強(qiáng)烈。

因?yàn)橐M(jìn)行溝槽填充電鍍，電鍍銅工藝必須具有各向異性，因此加入抑制劑，對(duì)溝槽側(cè)壁的鍍銅速度進(jìn)行相對(duì)抑制，這樣才能獲得均勻、致密的銅層。

2.5 電鍍錫

電鍍錫的作用，首先是對(duì)電鍍銅層起到良好的保護(hù)，防止其氧化，第二是提供良好的可焊性，為電池片的連接打好基礎(chǔ)。具體配制及操作工藝：甲基磺酸錫[Sn(CH3SO3)2]110 g/L，其中金屬錫40 g/L，絡(luò)合劑 70mg/L，補(bǔ)充劑12m l/L，溫度18～25℃，電流密度2 A/dm2，攪拌強(qiáng)度中等。

電鍍錫采用甲基磺酸工藝，該工藝是近年來才發(fā)展起來的新工藝，其相比于傳統(tǒng)的硫酸、氟硼酸體系有著明顯的特點(diǎn)。甲基磺酸屬有機(jī)酸，其鍍液性能十分穩(wěn)定，水解產(chǎn)物少，錫鹽的溶解性高，可在高濃度下進(jìn)行電鍍操作，允許高電流、高鍍速，配合相應(yīng)的添加劑，可得到平整性良好的鍍層，并且鍍液腐蝕性相對(duì)較小，對(duì)設(shè)備的腐蝕性低。

3 結(jié)束語

2009年3月我國(guó)財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部推出“太陽能屋頂計(jì)劃”，對(duì)50萬kW以上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，每瓦最高可支付20元人民幣。該補(bǔ)貼的力度比較大，可抵消制造成本的30%以上，雖然用于補(bǔ)貼的資金總額并不多，但對(duì)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的影響深遠(yuǎn)，體現(xiàn)了我國(guó)政府對(duì)太陽能發(fā)電的日益重視，相信在不久的將來，將一改我國(guó)光伏行業(yè)90%市場(chǎng)依賴出口的局面，使我國(guó)不僅是生產(chǎn)制造方面的大國(guó)，也是使用太陽能的巨大市場(chǎng)。技術(shù)的不斷更新，必將使我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)走向世界之顛。

參考資料：

[1]M.A.Green,C.M.Chong,F.Zhang,A.Sproul,J.C.Zolper,and S.R.Wenham,Conference Record[A].20th IEEEPhotovoltaic Specialists Conference[C].Las Vegas,September,1988(IEEE,New York,1988),p.411.

[2]D.Carlson.Proceedings of the 4th International Photovoltic Science and Engineering Conference[C].Sydney,February 1989(IREE,Sydney,1989),p.529.

[3]Y.Tamaki,S.Isomae,K.Sagara,and T.Kure,J.Elec trochem[J].Soc.135,726(1988),p.67.