Покрытие с помощью света, более известное как покрытие, вызванное светом (LIP), — это метод нанесения покрытия, уникальный для фотоэлектрической (фотоэлектрической) промышленности. Метод LIP используется для нанесения покрытых металлов непосредственно на кремниевую поверхность фотоэлемента. LIP используется для нанесения покрытий на фотоэлектрические элементы с начала 2000-х годов и только недавно был внедрен в крупномасштабные производственные среды фотоэлектрических элементов.
LIP уникален в методах гальванического покрытия тем, что он использует фотоэлектрический эффект солнечного элемента для содействия осаждению металла на поверхность кремния. Фотоэлектрический эффект был открыт в 1839 году и определяется как создание напряжения или тока при воздействии света на материал. Что касается методов металлизации, то этот фотоэлектрический эффект значительно улучшает распределение покрытия по поверхности катода (фотоэлемента) и обеспечивает покрытие с более высокой плотностью тока.
Происхождение:
Подавляющее большинство солнечных элементов, производимых сегодня, изготовлены из необработанной кремниевой пластины площадью 156 мм2, которая была распилена из слитка кремния. Затем кремниевая пластина проходит ряд технологических этапов для формирования функционального солнечного элемента. Основные этапы включают текстуру поверхности, легирование, нанесение антибликового покрытия и, наконец, трафаретную печать металлических паст для формирования электрических проводников. Из-за присущих трафаретной печати ограничений ожидается, что методы нанесения покрытий заменят процессы металлизации трафаретной печати. Ограничения трафаретной печати включают поверхностное контактное сопротивление поверхности кремния, высокое объемное сопротивление, плохое соотношение сторон и высокую стоимость. Металлизация трафаретной печати на фотоэлементах, по оценкам, составляет примерно от 35% до 40% от общей стоимости изготовления фотоэлемента.
Процесс LIP может использоваться только на одной стороне солнечного элемента. Причина, по которой он ограничен одной стороной, заключается в том, что типичный солнечный элемент по сути является p-n диодом. Это означает, что генерация тока от фотоэлектрического эффекта распространяется в одном направлении в кремниевой решетке. Когда фотоны (свет) поглощаются кремнием, они возбуждают электроны в кремнии и позволяют электронам становиться подвижными внутри кремниевой полупроводниковой подложки. Эта подвижность позволяет образовывать “отверстия” там, где электрон ранее имел ковалентную связь. Затем соседние электроны перемещаются в созданные отверстия и, таким образом, приводят к образованию отверстий по всей решетке кремния. Задняя сторона солнечного элемента напечатана с полным покрытием алюминиевой пастой. Этот слой называется полем BSF или задней поверхностью. Поле обратной стороны поверхности помогает “подтолкнуть” электроны, генерируемые в кремниевой ячейке, к противоположной стороне, которая будет собираться проводниками. Покрытие LIP используется для формирования проводящей сетки на лицевой стороне (солнечной стороне) ячейки. Примеры кремниевого солнечного элемента p-типа с покрытием LIP показаны ниже на рисунке 1.
Формирование проводника:
Прежде чем наносить покрытие, необходимо сначала обнажить лежащий в его основе кремний. Как уже упоминалось ранее, на лицевую поверхность ячейки наносится антибликовый слой. Это антибликовое покрытие (ARC) обычно представляет собой тонкий слой нитрида кремния (SiNx). Дуговой слой уменьшает отражение поверхности, что позволяет большему количеству фотонов проникать в ячейку и в конечном итоге приводит к повышению эффективности преобразования ячейки. Слой SiNx не является электропроводящим, поэтому его можно использовать в качестве сопротивления на этапах нанесения покрытия LIP. В этом случае лазер используется для удаления SiNx, чтобы сформировать рисунок проводящей сетки и полностью обнажить кремний. Важно отметить, что процесс лазерной абляции имеет решающее значение для общего успеха процесса нанесения покрытия LIP. Слишком много или слишком мало лазерной энергии приведет к плохой адгезии покрытых металлов к кремнию. Также важно использовать правильный тип лазера, чтобы обеспечить полную абляцию слоя SiNx, но не вызвать повреждения поверхности кремния.
Как только кремний подвергнут воздействию и сформирован рисунок проводника, ячейка готова к нанесению покрытия. В большинстве конструкций фотоэлементов металлические слои из никеля, меди и серебра покрыты осадком, образующим рисунок проводящей сетки. Каждый металл играет определенную роль в общей структуре. На рис.2 показана обычная последовательность процессов для кремниевых солнечных элементов, в которых используется формирование покрытого проводника. Важно отметить, что в процессе, описанном ниже, только никель и медь используют технологию нанесения покрытия LIP. Этап серебрения, как правило, представляет собой процесс “погружения” или перемещения, который не требует электрического контакта или освещения для нанесения металла на поверхность меди.
Первым шагом является удаление любых оксидов кремния, которые могли образоваться на поверхности кремния. Этот этап предварительной очистки необходим для обеспечения хорошего омического контакта и адгезии последующего никелирования.
Слой никеля не только действует как омический контакт металлической проводящей сетки с кремнием, он также действует как барьерный слой для меди, покрытой поверх никеля. При определенных условиях медь может мигрировать в кремний и потенциально разрушать p-n-переход ячейки, поэтому между кремнием и медью необходимо использовать барьерный слой из никеля. 1 толщина никелированного покрытия составляет около 1 микрона.
Медь используется в качестве объемного проводника, образующего проводниковую сетку фотоэлемента. Толщина покрытия меди будет варьироваться в зависимости от количества проводников, используемых в конструкции ячейки. Как правило, чем больше проводников в схеме, тем меньше толщина покрытой меди. Медь является предпочтительным объемным проводящим металлом из-за ее низкого удельного сопротивления и низкой стоимости.
Покрытие LIP
Как описано ранее, процесс LIP использует преимущества фотоэлектрического эффекта внутри подложки. Для достижения этой цели используется специализированное оборудование для нанесения покрытий, которое включает источники излучения света внутри инструмента для нанесения покрытий. Источниками света, как правило, являются светодиодные трубки или массивы с высокой выходной мощностью, которые погружены в химию покрытия. Источники света направлены в сторону катода (фотоэлемента) и находятся в непосредственной близости от поверхности катода, поэтому элемент может поглощать максимальное количество световой энергии. В зависимости от производителя инструмента для нанесения покрытий конвейерная система может транспортировать ячейки горизонтальным или вертикальным способом. На рисунке 3 изображен инструмент для нанесения горизонтального покрытия на губы, изготовленный компанией RENA GmbH. В инструментах этого типа ячейки транспортируются на горизонтальных роликах через различные этапы нанесения покрытия, промывки и сушки. Уникальный для этого инструмента для нанесения покрытий, только нижняя сторона ячейки смачивается химией, а верхняя сторона остается сухой на протяжении всего процесса нанесения покрытия. Электрический контакт осуществляется с помощью щеток, которые контактируют с обратной стороной ячейки, которая не покрывается покрытием. Интенсивность света является очень важным аспектом покрытия LIP, так как более яркий свет приведет к увеличению тока, генерируемого внутри ячейки. В конечном счете более яркий свет обеспечивает покрытие с более высокой плотностью тока и уменьшает размер инструмента для нанесения покрытий.
Было исследовано соответствие длины волны между источниками света и длиной волны химического поглощения, но оказалось, что это мало полезно. Идея подбора длины волны заключается в использовании источников света, которые излучают свет с длиной волны, имеющей наименьшие потери из-за соответствующего поглощения химического состава покрытия. Все коммерческие системы покрытия губ в настоящее время используют белый свет, а типичная плотность тока для меднения находится в диапазоне 20 ASD.
Одним из уникальных аспектов нанесения покрытий LIP является то, что содержание металла в химии покрытия обычно находится в более низких концентрациях, чем обычно при обычном нанесении гальванических покрытий. Как для никелевого, так и для медного покрытия LIP содержание металла поддерживается на уровне около 20 г/л. Эта более низкая концентрация металла уменьшает “блокировку света” от металлов в химии покрытия, что уменьшает количество света, достигающего ячейки. Все другие химические компоненты, такие как кислотная нормальность, температура, концентрации добавок и борная кислота, поддерживаются на уровне, который считается нормальным рабочим уровнем в типичной системе гальванического покрытия.
Одним из главных преимуществ нанесения покрытия с помощью света является значительно улучшенное распределение покрытия по поверхности катода. Поскольку катод имеет однородное электрическое поле, которое генерируется изнутри светом, питающим ячейку, эффекты изменения высокой и низкой плотности тока значительно уменьшаются. Это особенно важно при нанесении покрытий на металлы непосредственно на кремний, поскольку кремний по своей природе обладает высоким электрическим сопротивлением. Без технологии нанесения покрытий с помощью света равномерное образование зародышей металлических отложений на кремнии было бы проблематичным, и возникали бы большие различия в толщине покрытия.
Как только металлические слои из никеля, меди и серебра будет покрыта, ячейки пройдут процесс “отжига». Этот процесс отжига обычно состоит из ленточной печи, которая нагревает и охлаждает ячейки контролируемым образом. Целью процесса отжига является формирование интерметаллического слоя силицида никеля (NiSi) между кремнием и никелем. Этот слой силицида никеля выполняет две функции. Во-первых, это улучшает контактное сопротивление между кремнием и никелем, а во-вторых, улучшает адгезию между никелем и кремнием. 2 Хотя некоторые исследования показали хорошие результаты с устранением стадии отжига, ее выполнение после нанесения покрытия по-прежнему является отраслевым стандартом.
Солнечная промышленность уникальна по сравнению со многими другими электронными рынками, поскольку ожидается, что срок службы производимого ими продукта составит не менее 20 лет. Для достижения такого высокого уровня надежности требуется, чтобы любые технологические или материальные изменения тщательно изучались и тестировались, чтобы гарантировать соответствие ожиданиям надежности. Для обеспечения надежности солнечные элементы, использующие технологию нанесения покрытий и, в частности, LIP, прошли все стандартизированные испытания EIS на надежность. Тестирование состоит из изготовления ячеек с использованием технологии нанесения покрытий на губы, ламинирования этих ячеек в полноразмерные модули, а затем тестирования модулей с использованием различных стандартизированных испытаний на удар и термоциклирование. Тестирование модулей обычно проводится в независимой сторонней лаборатории. Модули, изготовленные с использованием покрытия LIP, прошли все испытания, проведенные как производителями клеток, так и многими независимыми исследовательскими институтами. ³
В то время как нанесение покрытий на проводящие схемы солнечных элементов практикуется с конца 1990-х годов, все еще существует относительно небольшое число производителей солнечных элементов, которые используют покрытие для формирования проводящих сеток на поверхности солнечного элемента. Сегодня производится пять основных типов солнечных элементов, и тип элемента определяет, требуется ли технология нанесения покрытия или она является альтернативой обычным проводникам с трафаретной печатью. Из-за различных ограничений, присущих трафаретной печати, ожидается, что в будущем доля покрытых проводников на солнечных элементах будет продолжать расти. ⁴
- Modanese et al “On copper diffusion in silicon measured by glow discharge mass spectrometry”
- A. Mondon et al “Microstructure analysis of the interface situation and adhesion of thermally formed nickel silicide for plated nickel–copper contacts on silicon solar cells”
- Bartsch et al “Simple and reliable processes for creating fully plated nickel–copper contacts”
- 2017 ITRI PV Technology Roadmap page 30