Контактная сетка гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя на основе кремния и способ ее изготовления Российский патент 2017 года по МПК H01L31/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области технологии изготовления солнечных фотоэлектрических преобразователей и может быть использовано для изготовления как солнечных фотоэлектрических преобразователей на основе гетероперехода, так и для классических кристаллических и поликристаллических фотоэлектрических преобразователей, при этом изобретение позволяет изготавливать контактную сетку, пригодную для пайки, без необходимости высокотемпературной обработки.

Уровень техники

В процессе производства гетероструктурных солнечных модулей возникает задача нанесения на отдельные ячейки фотоэлектрических преобразователей (ячеек ФЭП) контактной сетки. Необходимость контактной сетки обуславливается низкой проводимостью контактных слоев структуры ячеек ФЭП, роль которых выполняют, как правило, прозрачные проводящие оксиды, например индий-оловянный оксид (ITO) или оксид цинка (ZnO). В последующих этапах технологического процесса изготовления солнечных модулей к элементам контактной сетки производится контактирование коммутационных шин для соединения отдельных ячеек ФЭП в единую электрическую цепь. В области контакта между элементами контактной сетки и коммутационных шин желательно получение минимального контактного электрического сопротивления и максимальной прочности. То же требование выдвигается и к области контактирования между контактной сеткой и поверхностью ячейки ФЭП.

Схематичные примеры различных контактных сеток приведены на фигурах 1-4. Данные примеры не ограничивают возможный перечень контактных сеток. Как правило, при наличии у сетки продольных элементов, контактирование коммутационных шинок производится к ним. В случае отсутствия у сетки продольных элементов контактирование осуществляется к поперечным элементам.

Наилучшее соединение между элементами контактной сетки и коммутационными шинами может достигаться при условии их соединения при помощи пайки. Однако для возможности применения пайки элементы сетки должны обладать механической прочностью и высокой адгезией к поверхности ячейки ФЭП. В случае невыполнения данного условия возможен отрыв коммутационных шин от контактной сетки, что приведет к нарушению между ними электрического контакта. Отрыв может произойти по причине разрушения элементов контактной сетки или в области соединения контактной сетки и ячейки ФЭП как в процессе сборки солнечного модуля, так и в процессе его эксплуатации.

Для соединения контактной сетки и коммутационных шин нередко применяют различные токопроводящие клеи. При этом качество соединения между этими элементами, таким образом, ниже, чем при применении пайки, и не исключает механических и электрических нарушений контакта в процессе эксплуатации солнечного модуля (СМ).

Так же возможно формирование контактной сетки с применением металлокерамических паст высокотемпературных отжигов (порядка 900°C). Однако данный способ не возможен при работе с ячейками ФЭП на основе гетероперехода, так как при применении отжига с температурой выше 200°C происходит значительное ухудшение их параметров.

В связи с этим наиболее распространенным способом формирования контактной сетки является трафаретная печать (см., например, [1] патент РФ №2541698, МПК H01L 31/042, опубл. 20.02.2015; [2] патент РФ №2303830, МПК H01L 31/18, опубл. 27.07.2007; [3] патент РФ №2432639, МПК H01L 31/18, опубл. 27.10.2011). При использовании данного способа контактная сетка наносится на поверхность ячейки ФЭП в виде проводящей металлической пасты (например, на основе серебра) путем продавливания через специализированную маску (трафарет). После чего производится сушка контактной сетки в инфракрасной печи. Недостатками данного метода являются необходимость сушки контактной сетки (для ускорения процесса затвердевания пасты) и низкая адгезия элементов контактной сетки к поверхности пластины. В результате низкой адгезии нельзя получить высокое качество коммутации ячеек фотоэлектрических преобразователей при пайке. Решение проблемы пайки нанесенной трафаретной печатью контактной сетки можно решить путем высокотемпературного отжига и использования металлокерамических соединений. Однако, в связи с высокими температурами, этот способ недопустим для солнечных модулей на основе гетероперехода.

Так же имеет место распространение такого метода нанесения контактной сетки, как электрохимическое осаждение металлов из растворов солей (см., например, [4] патент РФ №2417481, МПК H01L 31/042, опубл. 27.04.2011; [5] патент США №8722142, МПК C23C 18/14, опубл. 13.05.2014; [6] заявка на патент Китая №102296344, МПК C25D 17/10, опубл. 28.12.2011). Для этого на поверхности пластины формируется маска, по которой будет протекать электролиз. После чего ячейки ФЭП помещаются в электролит и производится процесс электролиза, за счет чего осаждается металл. При этом процесс осаждения ограничен током, пропускаемым через ячейку ФЭП, и скоростью осаждения. Данным способом можно получить контактную сетку с высокими показателями прочности и проводимости. Тем не менее, данный метод обладает недостатками. Так как толщина контактной сетки составляет порядка 20 микрон и более, а плотность тока ограничена (большие плотности тока могут повредить структуру ячейки ФЭП и вывести ее из строя), процесс электролиза занимает довольно длительное время. При этом электролит представляет собой агрессивную химическую среду, способную повредить тонкие слои ячейки ФЭП. Решение проблемы пайки метод электрохимического осаждения не гарантирует.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, взятого за прототип, является фотоэлектрический преобразователь и способ его изготовления (см. [7] патент РФ №2417481, МПК H01L 31/042, опубл. 27.04.2011). Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя включает химическое травление и очистку поверхности базовой области, нанесение широкозонных n⁺ или (p⁺) слоев, легированных донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей, антиотражающей пленки, широкозонные слои наносят толщиной более 0,2 мкм, покрывают эти слои металлическими контактами из алюминия, меди или никеля, формируют контактную сетку, в промежутках контактной сетки химическим путем травят поверхность до базовой области, наносят пассивирующую просветляющую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, и наносят прозрачную защитную пленку, например двуокись кремния.

Недостатком прототипа является применение гальванического осаждения, которое занимает значительно большое время, и при этом элементы находятся в агрессивной химической среде, повышает риск повреждения структуры ФЭП, необходимость дополнительного травления. При этом формирование контактной сетки подразумевает нанесение резиста на поверхность металла с использованием импринт литографии, что подразумевает наличие дополнительных операций по нанесению и снятию резиста, что также усложняет процесс формирования контактной сетки.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является получение прочного механического соединения с низким контактным сопротивлением, без применения высокотемпературных процессов.

Техническим результатом является повышение прочности механического соединения при коммутации отдельных фотоэлектрических преобразователей в единую цепь, повышение надежности соединения, снижение контактного сопротивления, повышение срока эксплуатации фотоэлектрического преобразователя, ускорение процесса нанесения контактной сетки. Материалы, из которых изготовлена контактная сетка, позволяют осуществлять к ним пайку без дополнительной подготовки, т.к. выполнены из припоя.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет контактной сетки гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя на основе кремния, содержащей поперечные элементы сетки или поперечные и продольные элементы сетки, выполненные из металла, при этом элементы сетки состоят из антидиффузионного подслоя и слоя низкотемпературного припоя. Антидиффузионный подслой выполнен из никеля или его сплавов. Причем между антидиффузионным подслоем и слоем низкотемпературного припоя может быть расположен промежуточный слой, выполненный на основе серебра (Ag), или меди (Cu), или олова (Sn).

Технический результат также достигается за счет способа получения контактной сетки гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя на основе кремния, включающего нанесение на поверхность фотоэлектрического преобразователя антидиффузионного подслоя методом магнетронного распыления с применением масок и нанесение слоя низкотемпературного припоя из расплава. При наличии диэлектрического защитного слоя на поверхности фотоэлектрического преобразователя выполняют скрайбирование (нарезание рисок) диэлектрического защитного слоя, для вскрытия окон, с последующим электролитическим осаждением антидиффузионного подслоя, и нанесение слоя низкотемпературного припоя из расплава. На антидиффузионный подслой наносят промежуточный слой, для улучшения процесса нанесения слоя низкотемпературного припоя, тем же методом, что и антидиффузионный подслой.

Краткое описание чертежей

Фигура 1. Контактная сетка без продольных элементов.

Фигура 2. Контактная сетка с тонкими продольными элементами.

Фигура 3. Контактная сетка с зигзагообразными продольными элементами.

Фигура 4. Контактная сетка с широкими продольными элементами.

Фигура 5. Схематическое изображение структуры контактной сетки, получаемой методом нанесения из расплава с подслоем и слоем, нанесенными методом электролиза

Фигура 6. Схематическое изображение структуры контактной сетки, получаемой методом нанесения из расплава с подслоем и слоем, нанесенными методом магнетронного распыления с применением маски.

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 - фотоэлектрический преобразователь; 2 - поперечные элементы контактной сетки; 3 - продольные элементы контактной сетки; 4 - верхняя часть кремниевой пластины со сформированной структурой фотопреобразователя; 5 - слой прозрачного проводящего оксида (индий-оловянного оксида или оксида цинка); 6 - диэлектрический слой (оксид кремния, нитрид кремния, диэлектрические полимерные соединения); 7 - подслой никеля или сплавов никеля; 8 - слой промежуточный слой (Ag, Cu, Sn или их сплавы); 9 - припой (нанесенный из расплава).

Осуществление изобретения

Для решения проблем и недостатков аналогов предложено заявленное изобретение, заключающееся в формировании контактной сетки из расплава металлических сплавов, применяемых для низкотемпературной пайки. Примеры структуры такой контактной сетки приведены на фигурах 5 и 6. На кремниевую пластину со сформированной структурой фотопреобразователя нанесен слой прозрачного проводящего оксида, например индий-оловянного оксида (ITO) или оксида цинка (ZnO). На проводящий оксид нанесена контактная сетка, которая состоит из обязательного антидиффузионного подслоя на основе никеля или его сплавов и слоя низкотемпературного припоя, нанесенного из расплава.

Антидиффузионный слой обеспечивает адгезию контактной сетки к поверхности ФЭП. В частности, в случае если антидиффузионный слой не нанесен, затруднительно сформировать контактную сетку на поверхности индий-оловянного оксида из материала припоя. В качестве материала антидиффузионного слоя не могут использоваться любые металлы, в связи с тем что толщина данного слой составляет сотни нанометров. В связи с этим в процессе нанесения низкотемпературного припоя может происходит растворение слоя в припое в результате диффузии материалов друг в друга. Данный эффект, в частности, наблюдался на серебряных и медных сплавах, температура плавления которых значительно превышал температуру процесса. Использование никеля или его сплавов исключало данную проблему.

Однако для формирования полноценной контактной сетки недостаточно толщин металла в несколько сотен нанометров, необходимо формирование более толстых слоев. При применении для этих целей тех же процессов, что и формирование антидиффузионного слоя, процессы могут занимать значительное время, увеличивать расход материалов, негативно воздействовать агрессивной средой на структуру ФЭП. Для исключения данных негативных факторов предлагается утолщать элементы контактной сетки за счет нанесения материала припоя из расплава, например, методом волновой пайки.

Для улучшения процесса нанесения низкотемпературного припоя и во избежание образования оксида на поверхности антидиффузионного подслоя при нанесении припоя, между антидиффузионным подслоем и слоем низкотемпературного припоя, расположен промежуточный слой, выполненный на основе серебра (Ag), или меди (Cu), или олова (Sn).

Слой низкотемпературного припоя представляет из себя сплавы с низкой температурой плавления (ниже 200°C), такие как:

- Висмут, таллий;

- Олово, цинк;

- Висмут, свинец, таллий;

- Олово, свинец;

- Кадмий, олово;

- Висмут, свинец, олово;

- Висмут, кадмий;

- Висмут, свинец;

- Висмут, олово, цинк;

- Олово, индий;

- Висмут, олово, кадмий;

- Висмут, индий, олово;

- и пр.

В случае использования данной технологии для производства солнечных модулей из классических фотоэлектрических преобразователей (для который применение высоких температур не является критичным) могут быть применены сплавы с температурой плавления выше 200°C.

Пример 1.

Формирование структуры, представленной на фигуре 5, происходит по следующим этапам:

1. На поверхность ячейки ФЭП, с нанесенными слоями прозрачного проводящего оксида 5 наносится тонкий слой диэлектрического покрытия 6. В качестве диэлектрического покрытия может быть нанесен оксид или нитрид кремния, нанесенный методом плазмохимического осаждения из газовой фазы, или другие пленки, полученные любыми способами (например, полимерные, нанесенные методом центрифугирования).

2. С помощью лазерного скрайбирования производится вскрытие окон в диэлектрическом покрытии 6, открываются «окна» (технологические отверстия). Лазерное скрайбирование может быть заменено механическим скрайбированием.

3. Проводится процесс электролитического осаждения металлического антидиффузионного подслоя 7. За счет наличия диэлектрического слоя рост металла путем электролиза будет происходить только в областях «окон». В качестве металла используется никель или никелевые сплавы. Никель и его сплавы обладают высокой адгезией к кремнию и высокой температурой плавления, что позволяет впоследствии утолщать контактную сетку нанесением металлов из расплава. Так как для формирования подслоя необходима толщина всего около 100 нм, то продолжительность нахождения ячейки ФЭП в электролите минимизируется.

4. Так же методом электролиза наносится промежуточный слой 8 серебра, или меди, или олова, или их сплавов (в том числе возможны сплавы с другими металлами). Данный слой не является обязательным и направлен на защиту слоя никеля от окисления, затрудняющего нанесение металлов из расплава. В случае если промежуточной слой не используется, может потребоваться использование флюсов.

5. Из расплава наносится слой низкотемпературного припоя 9. Нанесение можно осуществить путем погружения ФЭП в расплав.

Пример 2.

Формирование структуры, представленной на фигуре 6, происходит согласно следующим этапам:

1. На поверхность ячейки ФЭП, с нанесенными слоями прозрачного проводящего оксида 5, методом магнетронного распыления наносится подслой 7 никеля или сплавов никеля. Для локализации нанесения металла на поверхность ячейки ФЭП, согласно необходимой схемы контактной ячейки, могут быть использованы маски.

2. Методом магнетронного распыления наносится промежуточный слой 8 серебра, или меди, или олова, или их сплавов (в том числе возможны сплавы с другими металлами). Данный подслой не является обязательным и направлен на защиту слоя никеля от окисления, затрудняющего нанесение металлов из расплава. В случае если промежуточной слой не используется, может потребоваться использование флюсов.

3. Из расплава наносится легкоплавкий сплав 9. Нанесение можно осуществить путем погружения ФЭП в расплав.

Антидиффузионный слой обеспечивает адгезию контактной сетки к поверхности ФЭП. В частности, в случае если антидиффузионный слой не нанесен, затруднительно сформировать контактную сетку на поверхности индий-оловянного оксида из материала припоя. В качестве материала антидиффузионного слоя не могут использоваться любые металлы, в связи с тем что толщина данного слой составляет сотни нанометров. В связи с этим в процессе нанесения низкотемпературного припоя может происходить растворение слоя в припое в результате диффузии материалов друг в друга. Данный эффект, в частности, наблюдался на серебряных и медных сплавах, температура плавления которых значительно превышала температуру процесса. Использование никеля или его сплавов исключало данную проблему.

Однако, для формирования полноценной контактной сетки, недостаточно толщин металла в несколько сотен нанометров, необходимо формирование более толстых слоев. При применении для этих целей тех же процессов, что и формирование антидиффузионного слоя, процессы могут занимать значительное время, увеличивать расход материалов, негативно воздействовать агрессивной средой на структуру ФЭП. Для исключения данных негативных факторов предлагается утолщать элементы контактной сетки за счет нанесения материала припоя из расплава, например, методом волновой пайки. Кроме того, процесс нанесения материала из расплава является очень быстрым, что в значительной мере ускоряет процесс нанесения контактной сетки. Также полученная контактная сетка обладает рядом преимуществ, таких как повышенная механическая прочность, по сравнению с классической сеткой нанесенной трафаретной печати, в связи с высокой адгезией никеля и его сплавов и отсутствием пор. Также такая контактная сетка позволяет получить качественный электрический контакт. Повышение механической прочности и качества электрического контакта повышают срок эксплуатации солнечных модулей.

Для улучшения процесса нанесения низкотемпературного припоя и во избежание образования оксида на поверхности антидиффузионного подслоя при нанесении припоя, между антидиффузионным подслоем и слоем низкотемпературного припоя, расположен промежуточный слой, выполненный на основе серебра (Ag), или меди (Cu), или олова (Sn).

Использование: для изготовления как солнечных фотоэлектрических преобразователей на основе гетероперехода, так и для классических кристаллических и поликристаллических фотоэлектрических преобразователей. Сущность изобретения заключается в том, что контактная сетка гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя на основе кремния содержит поперечные элементы сетки или поперечные и продольные элементы сетки, выполненные из металла, при этом элементы сетки состоят из антидиффузионного подслоя и слоя низкотемпературного припоя. Технический результат: обеспечение возможности повышения прочности механического соединения при коммутации отдельных фотоэлектрических преобразователей в единую цепь, повышение надежности соединения, снижение контактного сопротивления и повышение срока эксплуатации фотоэлектрического преобразователя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Контактная сетка гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя на основе кремния, содержащая поперечные (2) элементы сетки или поперечные (2) и продольные (3) элементы сетки, выполненные из металла, отличающаяся тем, что элементы сетки состоят из антидиффузионного подслоя (7) и слоя низкотемпературного припоя (9).

2. Контактная сетка по п. 1, отличающаяся тем, что антидиффузионный подслой выполнен из никеля или его сплавов.

3. Контактная сетка по п. 1, отличающаяся тем, что между антидиффузионным подслоем (7) и слоем низкотемпературного припоя (9) расположен промежуточный слой (8), выполненный на основе серебра (Ag), или меди (Cu), или олова (Sn).

4. Способ получения контактной сетки гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя на основе кремния, включающий нанесение на поверхность фотоэлектрического преобразователя антидиффузионного подслоя методом магнетронного распыления с применением масок и нанесение слоя низкотемпературного припоя из расплава.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при наличии диэлектрического защитного слоя на поверхности фотоэлектрического преобразователя выполняют скрайбирование (нарезание рисок) диэлектрического защитного слоя, для вскрытия окон, с последующим электролитическим осаждением антидиффузионного подслоя, и нанесение слоя низкотемпературного припоя из расплава.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что на антидиффузионный подслой наносят промежуточный слой, для улучшения процесса нанесения слоя низкотемпературного припоя, тем же методом, что и антидиффузионный подслой.