CN103710734B

CN103710734B - 处理薄膜太阳能板的电沉积装置和方法

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Publication number: CN103710734B
Application number: CN201310456012.0A
Authority: CN
Inventors: H·德利吉安尼; L·T·罗曼基夫
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: US9362440B2; US20140097091A1; CN103710734A

Abstract

本发明涉及一种处理薄膜太阳能板的电沉积装置和方法。提供了用于薄膜太阳能板的电沉积技术。在一个方面，提供了一种电沉积装置。所述电沉积装置包括：至少一个电镀单元；以及传送器，其用于在所述电镀单元上移动面板，其中所述传送器包括在所述电镀单元之上且围绕多个金属辊的至少一个金属带轨。所述电镀单元可以包括：在所述电镀单元底部处的阳极；以及在所述电镀单元顶部处的多个桨叶。挡板可以位于所述阳极与所述桨叶之间。还提供了一种电镀工艺。

Description

处理薄膜太阳能板的电沉积装置和方法

技术领域

本发明涉及电沉积，更具体地说，涉及薄膜太阳能板的电沉积技术。

背景技术

电沉积是制造薄膜太阳能电池的便捷方式。具体而言，电沉积用于沉积形成太阳能电池吸收层的材料（多种）。例如，参阅Ahmed等人在2010年9月9日提交的标题为“Method and Chemistry for Selenium Electrodeposition（硒电沉积方法和化学过程）”的美国专利申请公开2012/0061247A1；Ahmed等人在2010年9月9日提交的标题为“Zinc Tin Films Plating Chemistry and Methods（锌锡薄膜电镀化学过程和方法）”的美国专利申请公开2012/0061250A1；以及Ahmed等人在2010年9月9日提交的标题为“Structure and Method of Fabricating a CZTS Photovoltaic Device by Electrodeposition（通过电沉积制造CZTS光伏器件的结构和方法）”的美国专利申请公开2012/0061790A1，其中每个申请的内容在此纳入作为参考。吸收层的成分可由在电沉积工艺期间沉积的材料控制。

为了制造大型薄膜太阳能板而使工艺规模扩大非常具有挑战性。例如，在某些情况下，个别地制造多个太阳能电池，然后将它们组装成面板。取决于每个个体太阳能电池的大小，这种工艺可被证明为效率低下、成本极高并且非常耗时。在以端到端方式制造面板时具有巨大的成本效益。需要一种低成本、高精度、高产出的薄膜太阳能板制造方法。典型的薄膜太阳能板尺寸为60×120cm²。

因此，需要改进的技术来扩大制造薄膜太阳能板的电沉积工艺的规模。

发明内容

本发明提供了用于薄膜太阳能板的电沉积技术。在本发明的一个方面，提供了一种电沉积装置。所述电沉积装置包括至少一个电镀单元；以及传送器，其用于在所述电镀单元上移动面板，其中所述传送器包括在所述电镀单元之上且围绕多个金属辊(roller)的至少一个金属带轨。所述电镀单元可以包括在所述电镀单元底部处的阳极；以及在所述电镀单元顶部处的多个桨叶（paddle）。挡板和护板可以位于所述阳极与所述桨叶之间。

在本发明的另一方面，提供了一种电镀工艺。所述工艺包括下面的步骤。提供一种电沉积装置，所述电沉积装置具有包含电镀溶液的至少一个电镀单元以及传送器，所述传送器具有在所述电镀单元之上且围绕多个金属辊的至少一个金属带轨。将至少一个面板置于所述传送器上。使用所述传送器在所述电镀单元上移动所述面板。通过所述金属辊和所述金属带轨将电流或电压提供给所述面板以使用所述电镀溶液电镀所述面板。

通过参考下面的详细说明和附图，可以更全面地理解本发明以及本发明的进一步的特征和优点。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现在结合附图和具体实施方式参考下面的简单描述，其中相同的参考标号表示相同的部件，这些附图是：

图1是示出根据本发明的一个实施例的制造太阳能板的示例性方法的示意图；

图2是示出根据本发明的一个实施例的用于薄膜太阳能板制造的示例性装置的示意图；

图3是示出根据本发明的一个实施例的图2中的装置的俯视图的示意图；

图4是示出根据本发明的一个实施例的图2的装置内的电镀单元的示例性配置的示意图；

图5是示出根据本发明的一个实施例的使用金属带辊作为图2中的传送器的示意图；

图6是示出根据本发明的一个实施例的图5中的辊的一种可能配置的放大图的示意图；

图7是示出根据本发明的一个实施例的金属带辊的一种示例性配置的俯视图的示意图；

图8A是示出根据本发明的一个实施例的用于容纳面板之一的框架的示意图；

图8B是示出根据本发明的一个实施例的图8A中的框架的侧视图，其中示出允许将面板装入框架和从框架卸载面板的铰链式(hinged)框架设计；

图8C是示出根据本发明的一个实施例的图8A和8B中的面板的侧视图，其中示出使用铰链钩将框架保持在闭合位置；

图9是示出根据本发明的一个实施例的图2中的装置内的电镀单元之一的示例性配置的示意图；

图10是示出根据本发明的一个实施例的电沉积装置的横截面的示意图；

图11是示出根据本发明的一个实施例的电沉积装置内的桨叶的大小、方位和示例性形状的三维示意图；

图12是示出根据本发明的一个实施例的电沉积装置的一部分的横截面的示意图；以及

图13是示出根据本发明的一个实施例的可作为连续线工艺操作的用于薄膜太阳能板制造的示例性装置的示意图。

具体实施方式

本发明涉及用于以高速度、低成本的电沉积制造薄膜太阳能板的连续方法和装置。即，此处提供了用于在面板级别制造太阳能板的基于电沉积的技术，即一次制造太阳能板中的所有太阳能电池（而非单独制造），从而允许将工艺有效地扩展到标准的60×120平方厘米（cm²）或其它任何所需的板大小/尺寸。本技术可用作连续馈送面板的连续线工艺。

为了理解本发明，参考图1描述用于通过电沉积形成薄膜太阳能板的步骤。图1是示出通过电沉积制造薄膜太阳能板的示例性方法100的示意图。图1提供了制造本发明的太阳能板所执行的电沉积处理步骤的概述。下面将进一步描述根据本发明形成吸收层时实施的装置和技术。

在步骤102，提供衬底。根据一个示例性实施例，该衬底具有在衬底上形成的背侧电极。仅作为实例，背侧电极可以通过衬底上沉积的钼毯薄层（例如，厚度从约500纳米（nm）到约1,200nm）形成。此外，可以在背侧电极上（即，在衬底对面的背侧电极端）沉积种层（例如，厚度从约40nm到约100nm的铜、锡和/或锌）。种层用于便利将器件层电沉积到衬底上，将在下面详细描述。

适当的衬底材料包括—但不限于—玻璃片或金属箔片。适当的金属箔材料包括—但不限于—铜片、不锈钢片和/或铝箔片。如上所述，通过本发明解决了扩大到完整的60×120cm²。这样，根据一个示例性实施例，此步骤中提供的衬底宽度为60厘米（cm）。这样，一旦完成制造必要组件之后，便可将长度切为任何尺寸，例如120cm。根据下面详细描述的本发明，提供本发明使用的装置和技术将吸收层组件电沉积到坯太阳能板上。这些面板是此处一般称为衬底（即，术语“衬底”一般描述上面形成吸收层的任何结构）的面板。这样，术语“面板”和“衬底”在此可以互换地使用。

在步骤104，根据一个示例性实施例，对衬底进行预处理、采用预处理工艺清洗通过本发明的方法将材料电沉积到的衬底表面。例如，预处理用于清除可能粘附在衬底表面上并可能影响后续工艺粘附的化学成分。

仅作为实例，预处理工艺可以包括预浸入硫酸和/或含氨溶液。例如，针对覆盖铜种层的衬底执行预处理可以包括—但不限于—预浸入10%的硫酸溶液。对于覆盖钼的衬底，可以采用预浸入含氨溶液。本领域的技术人员可以采用其它适当的预处理选择。根据本发明，该预处理可以在将衬底置于下面描述的电沉积装置上之前执行。

在步骤106，将吸收材料沉积到位于背侧电极上面的衬底上。将吸收材料沉积到衬底上的详细步骤将在下面进行描述。本发明的显著优点是可以均匀地（同时在微结果和构成方面）在大面板上执行吸收材料沉积（通过一个或多个步骤），传统工艺无法实现此工作。

图2是示出适合于薄膜太阳能板制造的示例性电沉积装置200的示意图。装置200包括预处理单元201、至少一个电镀单元202（例如，电镀单元202a、202b等），以及用于在预处理单元/电镀单元之上依次移动一个或多个面板的传送器，其中在处理的开始阶段从坯面板运送车206运出，在处理的结束阶段运送到完成面板运送车208。需要指出，为了描述清晰，图2所示的特征不一定按比例绘制。例如，电镀单元之间的距离优选地至少为一个面板长度（在图2中近似到地示出）。电镀槽的典型大小可以是长度等于面板大小，宽度等于面板大小加上金属框架宽度，深度不重要。面板之间应该具有足够距离（工作电极与反电极，以便装入桨叶以及充分搅动工作电极旁边的溶液）。

单元之间的清洗和/或冲洗及清洗分别通过位于单元之前的气刀/多个气刀和喷水器完成。下面将进一步地描述装置的此方面。气刀在给定电镀单元之后直接置于面板行走路径当中（即，图2中通过箭头210指示的面板行走路径）。这样，一旦面板经过单元，任何过量电镀溶液都会从面板中去除（通过气刀）。下面将详细地描述，该过量电镀溶液流入溢流室，然后被抽回电镀单元。通过此操作，在工艺中保存电镀溶液。通过气刀去除过量的溶液之后，使用喷水器清洗面板，然后在面板经过下一电镀单元之前，使用第二气刀去除上一电镀单元中的水和任何剩余的溶液。优选地，此工艺在每个电镀单元之间执行。

在图2所述的示例性实施例中，装置200包括多个电镀单元202。但仅作为示例，此处希望的实施例是装置中仅具有一个电镀单元。例如，可使用一个电镀单元（202a）在面板上电镀铜（Cu）、硒化铜（CuSe）和/或硫化铜（Cu₂S、CuS），接着可使用另一电镀单元在面板上电镀硒（Se），接着可使用另一电镀单元在面板上电镀锡（Sn）、硒化锡（SnSe）和/或硫化锡（SnS），并且可使用最后一个电镀单元电镀锌（Zn）、硒化锌（ZnSn）和/或硫化锌（ZnS）等。但是，根据可用应用的不同，单个电镀单元202中可以包含例如内含金属合金、单一金属、单一硫族元素、氧族元素、硫铜锡锌矿、氧化物、化合物半导体的电镀溶液。例如，原则上，可以具有一个其中电镀金属前驱体合金CuZnSn或半导体前驱体Cu₂ZnSnSe₄（Cu₂ZnSnS₄）的单元，最多可以具有四个其中电镀单独的Cu层、Sn层、Zn层和Se层的单元。图2示出一个优选实施例，其中3个电镀单元202a/202b/202c包含分别带有Cu/Sn/Zn的溶液。借助图2所示的方法，总面积为0.45cm²的Cu₂ZnSnS₄太阳能电池展示出7.3%的功率转换效率，Cu₂ZnSnSe₄展示出7%的效率。对于这些演示，Cu/Sn/Zn前驱体电镀面积为225cm²，并且太阳能电池总面积为0.45cm²。

如上所述，在太阳能板制造工艺中，优选地在吸收层沉积之前进行预处理。参阅上面对步骤104的描述（图1）。在图2所示是示例性实施例中，该预处理使用预处理单元201执行。如上所述，预处理步骤可以包括用硫酸和/或含氨溶液清洗面板。给定的预处理溶液包含在预处理单元201中，并且当面板经过预处理单元201时，使用喷嘴将预处理溶液喷到面板上。

如图2所示，每个电镀单元202包含一系列位于面板界面附近的桨叶。下面将详细地描述，桨叶用于搅动面板表面附近的电镀溶液，增加电镀的均匀度等。

运送车206和208用于将新的面板放入系统以及将完成的/经过电镀的面板从系统中取出。如图2所示，运送车206和208下面安装着轮子，因此便于将新的“坯”面板放入装置200以及将完成的面板从装置200中取出。根据一个示例性实施例，从运送车206和208卸载面板以及将面板装上运送车206和208这两个操作分别自动完成。即，如图2所示，运送车206包括多个搁架(shelf)，每个搁架包含一个面板。运送车206可通过升降与其中一个搁架对齐（因此，与该搁架上的面板对齐），并且传送器位于电镀单元202之上。可以逐搁架地依次从运送车206卸载面板。例如，从最上面（或最下面）的搁架开始，该搁架上的面板从运送车206卸载到传送器上。运送车然后升高（或降低）将下一最高（或最低）搁架与传送器持平所需的距离。该搁架上的面板从运送车206中卸载，依次进行。有关将完成的面板装上运送车208的操作，使用相同的工艺。如图2所示，运送车208包括多个搁架。可以逐搁架地依次将面板装上运送车208。与运送车206相同，运送车208可升降以使其中一个搁架与传送器对齐，从而接收面板。例如，假设运送车208从其完全空置的搁架开始。从最上面（或最下面）的搁架开始，从传送器卸载的面板装上该搁架。运送车然后升高（或降低）将下一最高（或最低）搁架与传送器持平所需的距离。从传送器卸载的下一面板装上该搁架，依次进行。当运送车206控制（没有更多面板）和/或当运送车208装满面板时，可以提供装满面板的新运送车206和/或可以提供空置的运送车208以接收面板。

根据一个示例性实施例，运送车206和208彼此相同，即，以相同的方式操作/运作，具有相同的结构、尺寸等，因此可互换。因此，当所有面板从运送车206卸载时，空置的运送车206可以移到传送器的末尾充当接收运送车208，同时在传送器的起点提供装有面板的新运送车206，依次进行。

图3提供了装置200的俯视图。如图3所示，根据面板的行走路径（如箭头210所示），通过运送车206装入传送器的面板将经过预处理单元201，接着经过电镀铜单元202a、电镀锡单元202b和电镀锌单元202c，然后卸载到运送车208上。如上所述，运送车206和208可以互换，以便装载进入面板的运送车206在空置时可用作运送车208来接收完成的面板。参阅图3。需要指出，为了描述清晰，图3所示的特征不一定按比例绘制。例如，如上所述，电镀单元之间的距离优选地至少为一个面板长度（在图3中近似到地示出）。电镀槽的典型大小可以是长度等于面板大小，宽度等于面板大小加上金属框架宽度，深度不重要。面板之间应该具有足够距离（工作电极与反电极，以便装入桨叶以及充分搅动工作电极旁边的溶液）。

图4是详细地示出电镀单元202的一个示例性结构的示意图。如上所述，所采用的电镀单元202的数量是应用特定的。这样，为了描述简便、清晰，图4示出两个电镀单元202，应该了解，可以采用比所示的数量更多或更少的电镀单元。

图4示出如何在电镀工艺中保存来自电镀单元的电镀材料。即，如上面详细描述的那样，气刀优选地位于电镀单元202之间的面板行走路径当中（参阅箭头210）。当面板经过给定的一个电镀单元202时，气刀用于从面板中去除过量的电镀溶液。如图4所示，溢流室位于每个单元之后（位于行走路径中），但是位于气刀之前。这样，气刀的动作导致来自面板的过量电镀溶液流入溢流室。与液体泵相连的集液槽接收溢流室中收集的溶液并将其返回给定的电镀单元202。如上所述，喷水器（未示出）可位于（在行走路径当中）气刀之后。喷水器用于在面板经过下一电镀单元之前冲洗/清洗面板。

如图4所示，桨叶位于每个电镀单元202中。桨叶的动作将在下面详细地描述。

每个电镀单元202具有阳极（在该实例中，位于单元202的底部）和阴极（在该实例中，位于沿着传送器的单元202的顶部）。下面将描述，在一个示例性结构中，传送器包括一系列带辊的金属带轨，该带轨i)驱动/移动面板，以及ii)将电流传递给面板。这些带辊的金属带轨的实例在图5中示出。

图5是示出使用金属带辊作为装置200中的传送器的示意图。需要指出，为了描述清晰，图5所示的特征不一定按比例绘制。例如，如上所述，电镀单元之间的距离优选地至少为一个面板长度（在图5中近似到地示出）。电镀槽的典型大小可以是长度等于面板大小，宽度等于面板大小加上金属框架宽度，深度不重要。面板之间应该具有足够距离（工作电极与反电极，以便装入桨叶以及充分搅动工作电极旁边的溶液）。

传送器用于驱动/移动面板。如图5中的实例所示，可以使用带辊的金属带轨完成此操作。金属带轨的外表面可以包含尖状物(spike)，以帮助夹紧面板以及与面板进行正确的电接触。辊也可以包含尖状物（例如参阅下面描述的图6）以增强与金属带轨的接触。旋转辊将导致金属带轨旋转以驱动传送器并移动面板。具体而言，在图5所示的实例中，为了沿行走路径驱动面板（参阅箭头210），辊将逆时针旋转，从而逆时针旋转带轨。仅作为实例，电驱动电动机可以连接到跟定金属带轨的至少一个辊，以旋转辊，从而旋转金属带轨。进一步地，尽管在图5所示的实例中，每个金属带轨有四个辊，但是这个特定的辊数量并非必要条件。要操作金属带轨，必须至少有两个辊。这样，可以采用每个金属带轨具有两个、三个、四个等数量的辊。

在该示例性实施例中，传送器还用于将电流传递给面板。下面将详细地描述，面板位于金属框架内。为了将电流传递给金属框架，在一个示例性结构中，辊采用金属材质并且电流通过金属框架和一组与电源连接的电线施加给辊，电流穿过金属带轨到达金属框架。在该示例性结构中，金属框架因此在电镀工艺期间充当阴极。这需要辊、金属带轨和面板之间具有正确的电接触。如图6所示，下面将描述，辊的外表面可以具有尖状物，从而确保与金属带轨具有正确的电接触。

当采用多个电镀单元202（参阅上文）时，优选地每个电镀单元具有一组金属带轨/辊，其中每组金属带轨/辊连接到其自有电源上。通过此方式，可将不同的电流密度单独施加到每个电镀单元上的面板。使用图5中的实例，沿行走路径移动，第一组金属带轨/辊提供与电镀铜单元202a的第一电源（未示出）的电连接，第二组金属带轨/辊提供与电镀锡单元202b的第二电源（未示出）的电连接，以此类推。

图6是示出图5中的辊的一个可能的结构的放大图。如上所述，到面板的电流可以通过辊和金属带轨提供。通过针对辊采用星形截面设计，所形成的尖状物确保与金属带轨的良好电接触。

图7提供金属带轨/辊的俯视图。如图7所示，仅作为实例，每个电镀单元202采用并排的两组金属带轨/辊。下面将详细地描述，每个面板位于金属框架内，该框架沿着面板的周长延伸（露出面板中央以进行电镀）。这样，通过在框架的两侧采用金属带轨，将确保当面板经过每个电镀单元202时，具有与框架之间具有正确、连续的物理/电接触。进一步地，通过采用两组金属带轨/辊，面板将沿行走路径（参阅箭头210）呈直线行走，因此带轨传动被均等地施加到面板的两侧。例如，如果带轨传动仅施加到面板的一侧，则面板可能发生偏移，并且在传送器上变得偏离方向。

现在将参考图8A-C描述用于容纳面板的金属框架。需要指出，在面板由诸如玻璃之类的非导电材料形成的情况下（如上所述），金属框架尤其有用。在面板由诸如金属箔之类的导电材料形成的情况下（如上所述），面板可以位于金属框架中，也可以不在金属框架中。尽管金属框架在传送器传动过程期间提供结构和硬度，但由于来自金属辊的电流可以通过金属带轨直接传递给（导电）面板，因此不一定必须使用金属框架。这样，根据其中面板由导电材料形成的一个示例性实施例，不使用金属框架。此时，将在下面详细地描述，面板本身（而非框架）在电镀工艺期间充当阴极。进一步地，当采用导电面板材料并且面板位于框架内（提供额外的硬度）时，面板和框架同时在电镀工艺期间充当阴极。

图8A提供用于容纳面板的金属框架的俯视图。如图8A所示，框架与面板具有相同的外部尺寸。这样，框架沿面板的外周长延伸，露出面板中央以进行电镀。该框架优选地由不容易电镀的金属形成，例如钛（Ti）、氮化钛（TiN）、钨（W）、钛钨（TiW）、氮化钨（WN）、铬（Cr）、钽（Ta）、氮化钽（TaN）、钼（Mo）、氮化钼（MoN）、铝（Al）、氮化铝（AlN），以及涂覆钌（Ru）、铑（Rh）、铱（Ir）、铼（Re）以及锇（Os）的耐火金属。如上所述，在一个示例性实施例中，金属框架在电镀工艺期间充当阴极并且通过传送系统的金属辊和金属带轨接收电流。这样，当面板经过其中一个电镀单元202时，金属辊、金属带轨与金属框架之间需要连续、正确的接触。此处描述的金属辊/金属带轨和金属框架的结构非常适合于实现此目的。

如图8B所示，在一个示例性结构中，框架具有铰链式抓斗设计以便利将面板装入框架以及从框架中取出面板。即，框架由在一端相互连接的顶部和底部构成，铰链固定在底部，并且以枢纽旋转的方式连接到顶部。框架的打开和关闭（以便装入/取出面板）通过在相对于底部固定的铰链上旋转顶部实现。铰链钩（在该实例中）呈C形。如图8C所示，当框架关闭（例如，围住面板）时，铰链钩可以经旋转啮合框架底部，从而在闭合位置中固定顶部和底部。

图9是示出装置200中的一个电镀单元202的示例性结构的示意图900。在该实例中，装置200被配置为电镀大型60×120cm²太阳能板上的吸收层组件，因此，每个电镀单元的组件能够容纳具有该大小的面板。可使用相同的装置沉积由硫化镉（CdS）、硫化锌（ZnS）、氧化锌（ZnO）、Zn（O,S）或其它可通过溶液法沉积的缓冲材料制成的n型缓冲层。

如上所述，将吸收层组件电镀到面板上在面板经过每个电镀单元202时发生。需要指出，电镀可以作为连续的流水线过程或作为分离的批次操作执行。上面所示和描述的实例中，以及在图9中，面板作为单独的面板被装到装置上（例如，在图2所示的实例中，运行分离的批次操作）。但是，装置200还可以通过采用连续的流水线过程的方式实现。例如，可以在卷上提供坯面板材料并以上述方式将材料馈入装置200，其中在面板材料经过每个电镀单元202时，将吸收层组件电镀到面板材料上。在面板材料经过最后一个电镀单元202时，面板材料可以再次回滚到卷内，也可以切为单独的面板，并装入运送车208。该备选实施例在图13中示出，将在下面描述。

图9所示的电镀单元是装置200（图2）中的任何电镀单元202的代表。在图9中，电镀单元的一侧被去除以显示位于其中的组件。即，位于电镀单元底部的是阳极906。一般而言，电镀沉积需要阳极和阴极。在该实例中，阴极是围住面板的金属框架（在图9的视图中，金属框架并不明确示出，但是可以通过实现以上述方式围住面板）。如上所述，可通过金属辊和金属带轨为金属框架提供电流。可针对玻璃面板采用连续的过程，将金属框架/玻璃面板连续地馈入电沉积装置。备选地，面板材料可以是由金属箔材料制成的连续片（例如，铜片、不锈钢片和/或铝箔片；例如参阅下面图13的描述）。通过这种方式，金属带轨直接接触（导电）面板材料，从而通过金属带轨将金属辊提供电流传递给面板（其中在这种情况下，面板本身充当阴极）。

根据一个示例性实施例，阳极906包含在篮(basket)内。适合于根据本发明使用的阳极材料和阳极篮可购买获得。阳极篮通常用于放置微粒物质。

在操作期间，电镀溶液置于电镀单元902中并由桨叶908搅动。下面将详细地描述，桨叶908可以具有三角截面形状，其中每个三角桨叶的顶点彼此相对（例如，参阅图9）。可以类似地采用各种形状作为桨叶设计，例如三角形、半球形和钻石形桨叶设计。

如图9所示，在此设计中采用两行桨叶，顶行桨叶邻近面板，底行桨叶邻近顶行桨叶。为了搅动电镀溶液，桨叶在电镀溶液中前后移动（在图9所示的视图中从页面左端移到右端）。优选地，桨叶一起均匀地移动，即，顶行桨叶和底行桨叶一起通过重复的动作移到左端，然后再移到右端。桨叶单元例如在授予Andricacos等人的标题为“Vertical Paddle Plating Cell（垂直桨叶电镀单元）”的美国专利第5,516,412号以及授予Andricacos等人的标题为“Multi-Compartment Electroplating System（多间隔电镀系统）”的美国专利第5,312,532号中进行描述，这两个专利的内容在此纳入作为参考。

在电镀期间，电镀溶液中有一个位于阴极电极界面上的区域，该区域中的金属离子浓度不同于大部分电镀溶液的金属离子浓度。该区域被称为扩散层。电镀溶液中金属离子的大量传输可以通过搅动电镀溶液来增强，因为搅动用于减小扩散层的厚度。根据本发明，该搅动由桨叶提供。即，桨叶将电流引入扩散层厚度。将在下面详细地描述，使用桨叶搅动电镀溶液导致均匀地进行大量传输，从而导致有效地电镀大面积上具有均匀厚度、均匀构成以及可控的沉积微结构的大型薄膜，传统电镀工艺无法实现这一效果。

为了通过搅动电镀溶液实现上述理想的特性，桨叶相对于被电镀的面板的位置优选地使得桨叶非常接近面板（例如，顶行桨叶距离面板表面约 2毫米到约4毫米）。类似地，顶行桨叶和底行桨叶优选地相互间隔非常近（例如，顶行桨叶距离底行桨叶约3毫米到约4毫米）。使桨叶与面板距离很近可确保充分搅动面板表面上的电镀溶液。

如上所述，通过搅动面板表面附近的电镀溶液，可实现大量传输的均匀性。有利地，均匀大量传输为薄膜电镀提供i）跨大面板（例如，大小为60cm×120cm）的均匀厚度；尤其是ii)电镀薄膜中均匀且可再生的沉积微结构（颗粒结构）；以及iii)具有光滑表面的的沉积物。这两种特性（均匀的厚度和均匀的颗粒结构）在一般电镀工艺中很难实现，更别说在在大面板上电镀薄膜。例如，在一个示例性实施例中，本发明的电镀装置用于电镀厚度从约100nm到约1500nm的薄膜。这是非常有挑战性的长宽比，其中极薄的沉积物位于极大的衬底上，使用传统设置无法有效地实现此效果。

为了获得均匀的（电镀）薄膜厚度，尤其是在薄膜极薄并且在大面积上电镀的情况下（参阅上文），还需要能够控制电镀单元中的电流密度分布。所需的特定电流密度分布取决于诸如待电镀物体和电镀溶液化学成分等因素。例如，使用其中面板涂覆一层钼（参阅上面图1的描述）的实例，涂钼面板边缘上的电阻率会下降。这样，面板中央的电流密度应该大于面板边缘。根据本发明，可以通过多种方式实现此目的。首先，如上所述，可将面板置于金属框架内。除了向面板提供电流（如上所述）之外，金属框架边缘还可以充当电流的导流装置。这样，面板中央的电流密度将大于边缘。第二，可以在阳极与阴极（面板和/金属框架）之间放置其中具有开孔的电流屏蔽挡板以便重定向电流。在电镀中使用电流屏蔽挡板例如在授予Uzoh等人的标题为“Method for Enchancing the Uniformity of Electrodeposition or Electroetching（增强电镀或电蚀刻均匀性的方法）”（下文称为“Uzoh”）的美国专利第6,685,814号中进行描述，该申请的内容在此纳入作为参考。挡板的使用实例在图9中示出。例如，参阅挡板910，该挡板位于阳极906和桨叶908之间。在该实例中，挡板910覆盖阳极906.使用金属框架和使用挡板并不相互排斥，这两个用于控制电流密度分布的措施可以一起采用。

挡板优选地由非导电材料（例如，塑料）制成。为了控制电流密度分布，挡板中具有多个开孔。通过配置挡板中开孔的大小和/或分布来控制电流密度分布。例如，在上述实例中，可通过在与挡板边缘相对的挡板中央包括较多数量和/或较大尺寸的开孔，来实现挡板中央具有更大的电流密度（例如，参阅Uzoh）。如上所述，所需的特定电流密度分布是应用特定的，例如取决于待电镀物体和/或电镀溶液化学成分。对于电镀溶液化学成分，某些电镀溶液（相对）电阻更大，有些电镀溶液（相对）导电性更强。这样，在上述具有多个电镀单元的示例性电镀装置中，一个电镀单元202中使用的挡板结构可以不同于在另一电镀单元202中使用的挡板结构。进一步地，某些电镀溶液的电阻性高得足以使根本不需要挡板。仅作为实例，对于电镀锌溶液而言，情况便是如此。在导电性较强的溶液中，将需要挡板。仅作为实例，电镀铜溶液可能需要挡板。这样，装置中的一个或多个电镀单元使用挡板，而一个或多个其它电镀单元可能不需要挡板。

如上所述，挡板结构是应用特定的。一种判定挡板中开孔的位置、大小、数量、分布等的方法是仅使用试错法测试各种结构，具体方式是测试电镀、修改结构等，直到实现所需的效果。

为了进一步帮助创建匀强电场，在挡板910与桨叶908之间放置矩形屏蔽元件912。在电镀工艺中使用屏蔽元件例如在Uzoh中进行描述。与挡板相同，屏蔽元件优选地由非导电材料（例如，塑料）制成。根据一个示例性实施例，屏蔽元件采取具有矩形开口（类似画框）的矩形形状，另请参阅图10，将在下面描述。作为挡板910和屏蔽元件912的结构，可以跨阳极和阴极形成电场形状，以便电力分布均匀。通过测量最终沉积物的厚度，可测量出电镀单元中的电场均匀性。

如上所述，本发明的电沉积装置被配置为允许全尺寸地制造太阳能板，其中包括标准的60×120cm²太阳能板。为此，如图9所示，每个电镀单元应该具有相等的尺寸。根据一个示例性实施例，每个电镀单元具有从约900毫米（mm）到约1,500mm的长度l，例如1,200mm，从约500mm 到约750mm的长度w，例如650mm，以及从约200mm到约500mm的高度h，例如320mm。

图10是示出电镀单元900的横截（即，沿直线A1-A2截断，参阅图9）截面图的示意图。图10示出与挡板910和屏蔽元件912相对的阳极906的方位。如上所述，挡板910中具有开孔（大小和/或分布不均匀），参阅图10。

图11是示出桨叶908的大小、方位和示例性形状的三维图。如图11所示，桨叶排列为两行，一行位于另一行上面。桨叶各自具有三角截面形状，并且通过排列使得每个三角桨叶的一点朝着对面行中三角桨叶的一点。根据一个示例性实施例，在每个行中，桨叶之间的间隔相同，距离D2从约75mm到约150mm，例如，同一行中相邻桨叶的距离为100mm。进一步地，相对行中的桨叶可以相互间隔从约35mm到约60mm的距离D3，例如50mm。

图12是示出电镀单元900的一部分的横截（即，沿直线A1-A2截断，参阅图9）截面图的示意图。如图12所示，存在来自两个相对行的桨叶908（参阅上面图11的描述），它们相互间隔距离D3。进一步地，根据一个示例性实施例，面板904与桨叶908间隔距离D4，该距离小于或等于约3mm，例如，从约2mm到约4mm。如上所述，使桨叶距离衬底表面很近可确保海量传输的均匀性。

在电沉积装置200的操作期间，需要考虑的参数包括—但不限于—电镀速度、桨叶速度、面板或金属箔卷移动速度和电沉积的电流密度，电流密度根据电镀材料和电镀溶液化学成分变化。面板的移动应该比桨叶的移动慢很多，以便在电沉积期间有效地搅动面板表面旁边的溶液。

如上所述，本发明的电镀装置（例如，参阅上述图2中的装置200的描述）可被配置为作为连续的流水线过程执行操作。即，面板材料可从卷中馈入装置200。参阅图13中的装置1300。通过比较，在分离的批次操作（例如，参阅图2）中，各个面板从运送车206装入传送器（参阅上文）。装置300通过电镀单元执行电镀的操作与上面结合图2的说明描述的方式一样，该描述在此纳入作为参考。区别在于如何将面板材料馈入装置以及如何从装置中取出面板材料，以便允许装置作为连续的流水线过程执行操作。

仅作为实例，如图13所示，面板材料从卷1306馈入装置1300并作为连续的片经过每个电镀单元1302。在面板材料片经过最后一个电镀单元1302之后，面板材料可以i)被切为单独的面板并装上运送车1308，其方式与上面结合图2的描述将面板装上运送车208的方式相同，或者ii)回滚到另一卷1312。在材料被切为单独面板的第一实例中，可以在传送器的一端采用任何类型的切割装置，其中切割可以与传送器的速度同步，以确保将面板切为所需的均匀大小。在图13中，箭头1310指示面板材料行走方向。

尽管此处描述了本发明的示例性实施例，但是将理解，本发明不限于这些精确的实施例，在不偏离本发明范围的情况下，本领域的技术人员可以做出各种其它修改和变化。

Claims

1.一种电沉积装置，包括：

至少一个电镀单元；以及

传送器，其用于在所述电镀单元上移动面板，所述面板被容纳在金属框架内，其中所述传送器包括在所述电镀单元之上且围绕多个金属辊的至少一个金属带轨。

2.根据权利要求1的电沉积装置，其中所述电镀单元包括：

在所述电镀单元底部处的阳极；以及

在所述电镀单元顶部处的多个桨叶。

3.根据权利要求2的电沉积装置，其中所述至少一个电镀单元进一步包括：

在所述阳极与所述桨叶之间的挡板。

4.根据权利要求3的电沉积装置，其中所述挡板由非导电材料构成。

5.根据权利要求3的电沉积装置，其中所述挡板中包括多个开孔。

6.根据权利要求2的电沉积装置，其中所述桨叶具有三角形形状。

7.根据权利要求1的电沉积装置，包括多个电镀单元。

8.根据权利要求7的电沉积装置，还包括：

在所述电镀单元中的每个电镀单元之间的气刀。

9.根据权利要求7的电沉积装置，还包括：

在所述电镀单元中的每个电镀单元之间的喷水器。

10.根据权利要求1的电沉积装置，其中所述传送器包括一对在所述电镀单元之上的金属带轨。

11.根据权利要求1的电沉积装置，其中所述金属带轨在其外表面具有尖状物。

12.根据权利要求1的电沉积装置，其中所述金属辊具有星形截面形状。

13.一种电镀工艺，其包括以下步骤：

提供电沉积装置，所述电沉积装置具有包含电镀溶液的至少一个电镀单元以及传送器，所述传送器具有在所述电镀单元之上且围绕多个金属辊的至少一个金属带轨；

将至少一个面板置于所述传送器上，所述面板被容纳在金属框架内；

使用所述传送器在所述电镀单元上移动所述面板；以及

通过所述金属辊和所述金属带轨将电流提供给所述面板以使用所述电镀溶液电镀所述面板。

14.根据权利要求13的电镀工艺，其中所述电镀单元包括在所述电镀单元底部处的阳极，并且其中所述面板在所述电镀工艺期间充当阴极。

15.根据权利要求13的电镀工艺，其中所述面板由玻璃或导电材料形成。

16.根据权利要求13的电镀工艺，其中所述框架由钛制成。

17.根据权利要求13的电镀工艺，其中所述电镀单元包括在所述电镀单元顶部的多个桨叶，所述工艺还包括以下步骤：

通过在所述电镀溶液内均匀地往复移动所述桨叶，使用所述桨叶搅动所述电镀溶液。

18.根据权利要求17的电镀工艺，其中所述至少一个电镀单元进一步包括在所述阳极与所述桨叶之间的挡板。

19.根据权利要求13的电镀工艺，其中所述电镀装置包括多个电镀单元，所述工艺还包括以下步骤：

使用所述传送器在所述电镀单元中的每个电镀单元之上移动所述面板。

20.根据权利要求19的电镀工艺，还包括以下步骤：

当由所述传送器在所述电镀单元中的每个电镀单元之上移动所述面板之后，冲洗所述面板；以及

当由所述传送器在所述电镀单元中的每个电镀单元之上移动所述面板之后，烘干所述面板。

21.根据权利要求13的电镀工艺，其中所述电镀装置进一步包括第一运送车和第二运送车，每个运送车具有多个搁架，并且其中所述第一运送车的所述搁架中的一个或多个包含面板，所述工艺还包括：

将所述面板从所述第一运送车的所述搁架馈送到所述传送器上；以及

将电镀后的面板从所述传送器卸载到所述第二运送车的所述搁架上。