CN102870509A - 形成在基板上的金属接触部的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在基板上获得金属接触部的方法，包括以下步骤：(a)沉积由金属粉末和溶剂的混合物形成的浆料形式的金属图形，(b)加热步骤(a)中形成的组件以蒸发所述溶剂，以及(c)退火所述组件以在所述金属图形和所述基板之间形成金属接触部。本发明的特征在于所述方法包括步骤(d)，在步骤(d)中通过能量密度在0.5J/cm²和15J/cm²之间的激光加热所述金属接触部。

Description

形成在基板上的金属接触部的处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于处理产生在基板上的金属接触部的方法，在基板和金属之间可提供有介电层。

背景技术

根据本发明的方法可尤其用于太阳能电池生产中。

具体地说，在这类应用中，为了能聚集基板中通过光电效应产生的电子，在基板的正面和背面沉积金属接触部。

在光伏产业中通常使用的生产方法包括以下步骤。

首先将基板(例如由p-型硅制成)切割成所需的尺寸。

然后，为了改善以这种方式切割出的表面的质量，例如用碱金属进行化学蚀刻。

通常，为了形成能够捕获基板中入射光的光子的光学结构，进行正面的织构化步骤，以便于提高电池的效率。这可例如为通过氢氧化钠的化学蚀刻产生的金字塔形的光学结构。

然后，基板的表面为例如通过磷的扩散的掺杂n-型。由于基板的表面在进行掺杂前必须是洁净的，之前的步骤可包括进行酸蚀刻以便于中和任何残余的碱且消除任何杂质。

接下来，去除垂直边缘的n-型掺杂以分离这些边缘。这可通过例如等离子体蚀刻来实现。

然后，在基板的整个正面上沉积介电层，以便于提供防反射功能。该介电层可通过氮化硅(NiS)的气相沉积产生。

然后，金属接触部产生在基板的正面和背面上。

尤其是，沉积在背面的浆料包括与溶剂混合的铝粉末。这种沉积通常通过丝网印刷得到。浆料以网或均匀层的形式沉积在所选的图形中。

接下来，加热浆料以去除溶剂且只留下铝。加热通常在100℃至200℃间的温度的烘炉中进行，以便于去除溶剂和有机化合物。

这种金属图形的沉积技术在成本和所述图形相对于基板的对齐上是非常有利的。

最后，进行将配置有介电层及正面金属图形和背面金属图形的基板退火的高温步骤。

通常“退火”在冶金学中的定义是其温度曲线包括高于所研究的材料的熔点的至少一个时期的热处理。

该步骤允许在所述图形和基板之间形成耐用的金属接触部并同时去除最后的非金属残余物。

该步骤是精密步骤，因为该步骤必须取决于金属浆料的组成和性质控制加热操作的热曲线。具体地，如果退火太长和/或在太高的温度下进行是有风险的，光伏电池将退化，接触部可能穿透电池的活化区域。

尽管通过上述方法，在金属图形和基板之间可得到高质量的金属接触部，然而金属接触部的导电性仍然受限。这尤其是用于沉积金属的方法的结果，该方法是基于通过所研究的金属的粉末和溶剂混合形成的金属浆料的沉积。

具体地，当浆料已干燥时，金属图形具有颗粒结块组成的结构，这就使得在金属接触部中不易于获得低电阻。通过图1的实施例方法的扫描电子显微镜的横截面图示出了，由铝制成的金属图形10沉积在由硅制成的基板11上。

此外，该颗粒结块尤其易于氧化，因为颗粒结块组成的结构具有较大的表面积。

这点尤其在一定程度上不利于生产光伏电池的应用。然而，假如是利用通过沉积混合金属粉末和溶剂形成的浆料的步骤在基板上形成金属接触部，在其他应用中存在类似的问题。

发明内容

因此本发明的一个目的是提高产生在基板上的金属接触部的导电性，在基板和金属图形之间可提供有介电层。

本发明的另一个目的是提高金属接触部的抗氧化作用的能力，通过混合金属粉末和溶剂形成的浆料得到该接触部的金属部分。

为了实现这些目的中的至少一个，本发明提供了一种用于在基板上得到金属接触部的方法，包括下列步骤：

(a)沉积由金属粉末和溶剂混合形成的浆料形式的金属图形；

(b)加热步骤(a)中形成的组件以蒸发所述溶剂；以及

(c)进行退火以在金属图形和基板之间形成金属接触部，

其特征在于，所述方法进一步包括步骤(d)：利用能量密度在0.5J/cm²和15J/cm²之间的激光加热所述金属接触部。

无论单独还是结合，根据本发明的方法将可具有根据本发明的其他技术特征，也就是：

步骤(a)是丝网印刷步骤；

所述金属图形的厚度至少为1μm；

所述金属接触部采用网的形式；

所述金属接触部采用层的形式；

所述金属接触部包括银、铝或银-铝合金；

所述方法包括在步骤(a)之前在基板上沉积介电层的步骤；

所述激光器在红外范围内例如以1064nm的波长发射；

所述激光器是激光二极管泵浦激光器(laser-diode-pumped laser)，由激光二极管引起(draw)的峰值电流在20A和30A之间，优选在25A和28A之间；

所述激光器发射的脉冲频率在30kHz和60kHz之间，优选在40kHz和60kHz之间；

两个脉冲之间的所述金属接触部面积的覆盖率至少为95％，且优选为至少97％；

所述激光器的扫描速率低于10m/s，例如在1m/s和10m/s之间；

所述激光器发射长度在1ns和1μs之间的脉冲，例如在100ns和1μs之间；以及

所述激光器为在红外范围内发射的脉冲激光二极管泵浦激光器，所述激光器在以下条件下使用：

脉冲的频率在40kHz和60kHz之间；

两个脉冲之间的所述金属接触部面积的覆盖率是97％或更高；

所述激光器在金属接触部面积上的扫描速率在1m/s和10m/s之

间，优选在1m/s和5m/s之间；以及

上述激光二极管引起25A和28A之间的峰值电流。

附图说明

由以下参照下列附图提供的详细说明将揭示本发明的其他特征、目的和优点：

图1示出了以已知方法通过沉积由混合粉末和溶剂形成的金属浆料得到的金属图形的横截面图；

图2示出了用于实施根据本发明的方法的装置；

图3示出了对于以1m/s的速率在金属接触部面积上扫描的激光器，在两个脉冲辐射金属接触部面积的不同覆盖率下，金属接触的薄层电阻作为激光器发射的光脉冲的重复频率的函数变化；

图4示出了对于以3m/s的速率在金属接触部面积上扫描的激光器，在两个脉冲辐射金属接触部面积的不同覆盖率下，金属接触部的薄层电阻作为激光器发射的光脉冲的重复频率的函数变化；

图5示出了对于以5m/s的速率在金属接触部面积上的扫描激光器，在两个脉冲照亮金属接触部面积的不同覆盖率下，金属接触部的薄层电阻作为激光器发射的光脉冲的重复频率的函数变化；

图6包括图6(a)和6(b)，图6(a)为用已知方法通过沉积由混合铝粉末和溶剂形成的铝浆料得到的铝金属图形的横截面图，图6(b)为根据本发明的方法处理后的图6(a)中的金属图形；以及

图7包括图7(a)至7(c)，均示出了在不同二极管电流下根据本发明的方法得到的铝金属图形的横截面图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于处理基板上产生的金属接触部的方法，其中，利用下述步骤(a)、(b)以及(c)得到该接触部：

(a)沉积由金属粉末和溶剂混合形成的浆料形式的金属图形；

(b)加热步骤(a)中形成的组件以蒸发溶剂；以及

(c)进行退火以在金属图形和基板之间的形成金属接触部。

步骤(a)可为丝网印刷步骤。

步骤(a)中沉积的金属图形的厚度可至少为1μm。如图1所示，步骤(a)至(c)之后得到的金属图形为颗粒结块。由于金属颗粒之间存在空间，这种金属图形也可描述为多孔的。

金属图形可为网的形式或层的形式。金属图形可尤其包括银、铝、或银-铝合金。

取决于所述金属接触部的类型选择用于浆料中的金属的性质。因此，可设想背面银-铝合金接触部用于光伏电池。

介电层可提供在金属图形和基板之间。

该方法进一步包括步骤(d)，其中通过能量密度在0.5J/cm²和15J/cm²之间的激光加热金属接触部。

因此在不损坏金属接触部或基板且不从基板上剥离接触部的情形下，降低该接触部的电阻。

如在余下的说明中将描述的，许多参数可影响在金属接触部表面上得到的能量密度的值。

图2示出了用于执行该方法的步骤(d)的装置的示意图。

该装置中所使用的用于加热金属接触部的激光器1可在红外范围内例如1064nm的波长处发射。该激光器1可为二极管泵浦激光器，例如通过激光二极管在1064nm处发射并在808nm处泵浦的Nd:YAG激光器。

上述激光器1是在红外范围内发射的激光器。具体地说，该波长范围对于在硅基板上产生的金属接触部为最关键的因素，因为硅吸收了红外辐射且通过该辐射破坏了风险(通过增加体积诱导应变)。

作为变量，所使用的激光器可为在紫外范围内或可见光范围内(例如在波长约为438nm的“绿光”内)发射的激光器。

当激光器1为激光二极管泵浦激光器时，由激光二极管引发的峰值电流在20A和30A之间，且优选在25A和28A之间。

30A以上，接触部和基板处于被破坏的风险下。通常，在这种情况下，观察到该接触部的局部消融和随后的剥离，同时该接触部从下面的基板裂开。

在二极管电流峰值的这个范围内，可在金属接触部的表面上得到0.5和15J/cm²之间的能量密度。

因此在不损坏金属接触部下显著地降低了金属接触部的电阻。此外，获得持久固定在基板上的金属接触部，即不存在接触与基板剥离(起泡作用)的风险。

此外，激光器1可为脉冲激光器。

这种情况下，激光器1可发射重复频率在30kHz和60kHz之间，且优选在40kHz和60kHz之间的脉冲。

该范围的重复频率值在对金属接触部、基板或两者之间的连接无不利影响下促进了金属接触部的电阻的降低。

再者，在两个脉冲之间的金属接触部面积的覆盖率至少为95％且优选97％。下列的覆盖率之一可尤其设想为97％、98％或99％。

表述“覆盖率”理解为在扫描方向中经受连续两次穿过激光器的接触部面积的百分比，因此，将理解这两次在垂直于激光的扫描方向上略微移位。

高覆盖率具有更容易得到最低的能量密度的优点且降低金属接触部的电阻。

激光器的扫描速率可低于10m/s且优选在1m/s和10m/s之间。

该速率范围使得可获得从工业角度可接受的生产力，且同时保持了金属接触部和基板。

此外，各个脉冲的脉冲长度可在1ns和1μs之间。

图2中示出的装置还包括焦距为f的透镜2。后接触部10的背面12置于离透镜的f距离处，使得透镜2在该背面12上聚焦激光束。

基于图3～5可想到其他可能的设计。

图3～5均示出了在Y-轴上的金属接触部的薄层电阻以及X-轴上的脉冲的重复频率。如那些本领域的技术人员所知晓的，这将认为该接触部的薄层电阻R_c通过关系式：R_c＝ρ/e与其电阻率ρ和其厚度e相关，以下表示为mΩ/sq。

此外，图3～5中所提供的数据是由采用本领域技术人员所知的称作“四点(four-point)”(或范德堡)方法的测量得到，该金属接触部形成薄膜。当然，金属接触部的厚度e对于所有进行的测试是相同的，无论是否进行激光处理。

在图3中，激光器在金属接触部的表面上方的扫描速率设置成1m/s且二极管的峰值电流为25A。在该图中，三条曲线分别显示了两个脉冲在不同覆盖率即97％、98％和99％时对激光处理后的金属接触部得到的薄层电阻作为脉冲频率的函数的变化。

参比在图3中以虚线示出。

利用现有技术方法生产金属接触部后的测量所得该参比，所述接触部的金属为与硅基板接触的铝，介电层提供在两者之间。

因此，该参比金属接触部并不经受激光处理。

换句话说，与进行的其它测试相比，该参比金属接触部具体经受步骤(a)至(c)但不经受步骤(d)。

在该具体实例中，测得参比薄层电阻为10.5mΩ/sq。

对于所进行的所有测试，在整个经测试的脉冲频率范围内，也即30kHz至60kHz，接触部的电阻相对于参比降低，且此外无论覆盖率的值是97％、98％或99％。

更确切的说，得到的电阻的值是在5.1和8.7mΩ/sq之间，即相对于参比值有-51.4％和-17.1％之间的降低。更具体地说，最低的电阻值是在30kHz的频率和99％的覆盖率下获得的。

在图4中，激光器在金属接触部的表面上方的扫描速率升高至5m/s，且峰值电流保持为25A。已绘出了三条曲线，分别显示了对两个脉冲产生的不同覆盖率，即97％、98％和99％，激光处理后的金属接触部的电阻(薄层电阻)作为脉冲的频率的函数的变化。

图4中也通过虚线示出了参比(金属接触部不经受激光处理)，其值为10.5mΩ/sq。

对于所有进行的测试，在整个测试脉冲频率范围内也即从30kHz至60kHz，接触部的电阻相对于参比降低，且此外，无论覆盖率的值是97％、98％或99％。

更确切地说，得到的电阻的值是在8.1和10.3mΩ/sq之间，即相对于参比值约-22.9％和-2％之间的降低。

通常，由图4所示的金属接触部的测试中得到的电阻高于由图3所示的测试中所得到的电阻。

这涉及的事实是扫描速率的增大降低了影响金属接触部的能量密度。

对于5m/s的该扫描速率，将优选选择99％的覆盖率，这使得在整个经测试的频率范围内得到最低的电阻。

在图5中，激光器在金属接触部的表面上的扫描速率保持为5m/s，且峰值电流增加至28A。已绘出了三条曲线，显示了对两个脉冲产生的不同覆盖率，在激光处理后的金属接触部的电阻(薄层电阻)作为40kHz和60kHz之间的脉冲的重复频率的函数的变化。

图5中也通过虚线示出了参比(金属接触部不经受激光处理)，其值为10.5mΩ/sq。

在相对于图4中所示的测试较高的二极管电流值下，优选提高脉冲的重复频率以降低相对于参比(虚线)的接触电阻。

通过总结，如果激光器是在红外范围内发射的脉冲激光二极管泵浦激光器，本领域的技术人员能够利用下列条件得到0.5J/cm²和15J/cm²之间的能量密度：

脉冲频率处于40kHz和60kHz之间；

在两个连续脉冲之间的金属接触部面积的覆盖率为97％或更多；

激光器在金属接触部的面积上的扫描速率在1m/s和10m/s之间且优选在1m/s和5m/s之间；以及

激光二极管引起在25A和28A之间的峰值电流。

从图3至5所示的数据，所使用的设备设置在“100ns～1μs”脉冲长度位置。

进行图3至5所示的测试后，本申请人能够观察到由常规方法得到的，所述由颗粒结块组成的结构已被根据本发明的激光步骤改变。

因此，激光处理具有将颗粒结块结构变成经观察比颗粒结块结构连续性更高的结构的影响。

这可参见附图6和7。

包括图6(a)和6(b)的图6提供了本发明益处的第一说明。

图6(a)示出了在实施上述方法的步骤(a)至(c)之后得到的由铝制成的金属图形10的横截面图。该金属图形通过颗粒的多孔性结块形成。换句话说，金属颗粒之间存在自由空间，这些空间促进了金属颗粒的表面的氧化。

图6(b)示出了已实施根据本发明的激光处理步骤(d)后的该相同的金属图形10的相同的横截面图。在该具体实例中，在二极管电流为26A，覆盖率为95％下实施步骤(d)。

由此得到的金属图形10具有能描述为连续的致密表面层101，由于不再存在允许空气渗入金属图形的孔中的任何空间。因此，该表面层不是通过颗粒结块形成的。此外，可以观察到恰好在该连续表面层下的颗粒的尺寸通常大于在图6(a)中那些颗粒的尺寸。

这将与图3～5中示出的结果有关。

具体地，应理解的是，在金属接触部的导电性增强和金属图形上的可描述为连续的致密表面层的存在之间存在关联。此外，该连续的表面层形成对外部空气的障碍，由此限制了随时间的氧化作用，且由此实现在使用中将保持的良好导电性。

包括图7(a)至7(c)的图7提供了本发明益处的另一描述。

这些附图均示出了在相同条件(仅二极管电流不同)下，通过实施上述方法的步骤(a)至(d)得到的金属图形10的横截面图。覆盖率具体保持在95％。

具体地说，图7(a)中所用的二极管电流为25A。在图7(b)和7(c)中二极管电流分别为26A和27A。

将观察到的是，可描述为连续的表面层的厚度随着二极管电流的增加而增加。因此需要理解的是，二极管电流增加的越多，激光束的能量密度越大且致密区域厚度增加的越多。

上述金属接触部的处理将有利地应用于光伏电池的生产。

上述激光器为在红外范围内发射的脉冲激光器。然而作为变体，可设想使用分别在红外、可见光或紫外范围内连续发光的激光器。

Claims (14)

1.一种在基板上获得金属接触部的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)沉积由金属粉末和溶剂混合形成的浆料形式的金属图形；

(b)加热步骤(a)中所形成的组件以蒸发所述溶剂；以及

(c)进行退火以在所述金属图形和所述基板之间形成金属接触部；

所述方法的特征在于，所述方法进一步包括步骤(d)，在所述步骤(d)中

利用能量密度在0.5J/cm²和15J/cm²之间的激光加热所述金属接触部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)为丝网印刷步骤。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属图形的厚度至少

为1μm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属接触部采用网的

形式。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述金属接触部采用层

的形式。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属接触部包括银、

铝或银-铝合金。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(a)之前预先进

行在所述基板上沉积介电层的步骤。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光器在红外范围内

例如以1064nm的波长发射。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光器为激光二极

管泵浦激光器，由所述激光二极管引起的峰值电流在20A和30A之间，且优选

在25A和28A之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光器发射的脉冲

频率在30kHz和60kHz之间，且优选在40kHz和60kHz之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中两个脉冲之间的所述金

属接触部面积的覆盖率至少为95％，且优选为至少97％。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光器的扫描速率

低于10m/s，例如在1m/s和10m/s之间。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光器发射长度在

1ns和1μs之间的脉冲，例如在100ns和1μs之间。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光器为在红外

范围内发射的脉冲激光二极管泵浦激光器，所述激光器在以下条件下使用：

所述脉冲的频率在40kHz和60kHz之间；

两个脉冲之间的所述金属接触部面积的覆盖率是97％或更高；

所述激光器在所述金属接触部面积上的扫描速率在1m/s和10m/s之间，优

选在1m/s和5m/s之间；以及

所述激光二极管引起25A和28A之间的峰值电流。

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