CN104995725A - 用于形成电触点的方法以及通过这种方法形成的触点 - Google Patents

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米格尔·莫拉莱斯富里奥
玛丽亚·伊沙贝尔·桑切斯-阿尼奥尔特
莫妮卡·亚历杭德拉·科莉娜布里托
若阿金·穆里洛古铁雷斯
何塞·玛丽亚·德尔加多桑切斯
埃米利奥·桑切斯科尔特宗
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Abstract

本发明涉及一种用于形成在光电和电子装置(包括高聚光度和低聚光度太阳能电池、薄膜、有机发光二极管(OLED)以及一般地需要通过电触点分别地将电流从其中引出或注入其中的任何装置)中的电触点的方法。该方法包括两个步骤：(a)优选地采用脉冲激光，通过触点材料从施主衬底到最终衬底的激光诱导向前转移(LIFT)，将触点材料沉积在该最终衬底上；以及(b)通过激光源，优选地采用连续激光来烧结该触点材料。通过这种方式形成的触点具有优良的导电性和粘附性，此外还具有高的高度(厚度)和宽度之间的比。

Description

用于形成电触点的方法以及通过这种方法形成的触点
技术领域
本发明的应用领域是光电装置(包括高和低聚光度太阳能电池、薄膜、有机发光二极管(OLED)以及一般地要求通过电触点进行电流的引出或注入的任何装置)的制造。特别地，本发明涉及一种用于在电子和光电装置中形成电触点的方法。
背景技术
目前工业上使用的电触点沉积技术涉及在该电触点完全可操作之前在其应用中的多个步骤。这些技术涉及在最终衬底上沉积导体，由于所采用的技术使得再生长成为必须，以及烧结该沉积物从而最大化其导电特性以及与该衬底的粘附性。
一种最广泛的用于形成金属触点的技术，特别是在商业化太阳能电池中，是绢网印花工艺，其涉及将具有期望图案的材料层转移到晶圆(光电装置)的表面。这个技术的基本元件是掩膜和膏。然而，这个技术具有一些缺点：其是昂贵的技术，必须基于所用的模板来改变掩膜并且工艺参数的控制并不容易。此外，其不允许在没有中间热处理的情况下使用两种不同的金属膏来进行沉积。进一步的，对于一个有效的触点来说，希望得到所沉积的金属线的高的高度(厚度)和宽度之间的比(称作为“高宽比”)，因为希望得到具有最小触点面积(电池上的触点面积是太阳光不会到达的损失面积)的最小导体电阻(最大高度或厚度)。在相同宽度下，沉积层的线高度越大，效果越好。
另外，绢网印花工艺要求在装置上施加压力，这有时会导致其破裂。
尽管通过激光诱导向前转移(LIFT)的方式将导电材料从包含相同的导电材料的施主衬底(donor substrate)沉积在最终衬底上的技术也是已知的，其在技术上并不被认为是完整的，因为其要求采用电镀技术进行触点的再生长或者在炉中烧结，以得到有用的电阻率和粘附性。传统的炉中烧结的问题在于会在整个装置上不可避免地产生热效应。这不仅会改变金属触点的特性，也会改变装置剩余部分的特性。本发明避免了可能会对该零件的其它部件有害的加热(不管是p型或n型半导体层，异型半导体p-n结、透明导电层或者甚至该衬底自身)。
提出的发明解决了传统技术的之前缺点，提供一种有效地和有效率地形成电触点的方法。下面是由本发明提供的一些优点：
-用于在触点的宽度值和高度值两者上以及在快速改变所用的图案的可能性上以高度灵活性沉积触点的方法，即相对于待形成的模板或图案具有高度的灵活性，
-提高触点的高度值和宽度值的分辨率，
-提高工艺速度，
-最小化烧结期间的热效应，限于具有触点的区域而不是电池/光电装置整体，
-最小化形成电触点所消耗的能量。
此外，通过本发明的方法形成的触点使得电流能被传导和引出。该工艺节约了触点材料，因为其仅使用了形成该触点所需的精确量并且不需要后续的清洁工艺或另外的热处理。
发明内容
本发明涉及一种用于在电子和光电装置中形成电触点的方法。
下面限定的是用于描述本方法的步骤的一些元件，以帮助理解本发明。
最终衬底：其是应当在其上沉积触点的表面。因此，其是任何电子或光电装置的表面。
施主衬底：对激光透明的膜，用作触点材料的载体并且将从施主衬底将该触点材料转移到最终衬底。
预沉积：其是将触点材料沉积在该施主衬底上。
触点材料：其是待转移到该最终衬底以作为触点的材料，并且优选地是在固化工艺本身或者在进行固化工艺之后都具有良好导电性能的金属基膏。
该金属膏应优选地包含具有高导电性的金属，如铜、银等。碳纳米颗粒膏、碳纳米管、石墨烯膏或石墨烯膜也可用作触点材料。
金属膏是除了金属之外还包含一系列成分(如主要为玻璃的玻璃料、流变性调节剂、溶剂、烧结控制物和其它添加剂)的混合物。该膏中金属的百分比可在10％到99％之间变化。普通的金属百分比值在40％和90％之间并且优选地在75％和85％之间。
本发明的目的是描述一种用于通过将金属膏或触点材料从施主衬底转移到最终衬底并进行后续烧结而形成电触点的方法。
本方法包括下面的步骤：
-通过使用激光诱导向前转移(LIFT)将所述材料从施主衬底转移到最终衬底，从而在该最终衬底上沉积该触点材料或金属膏。优选地采用脉冲激光来沉积该触点材料。
-烧结该触点材料或金属膏以保证所述触点材料或金属膏的粘附性并降低其电阻，从而使得其电阻率和与该最终衬底的粘附性允许其用于电流的注入或引出。这个烧结工艺采用激光优选连续的激光来进行。
为了沉积该金属膏，该施主衬底靠近该最终衬底布置，从而使得该金属膏位于它们之间。采用具有激光源的选择性辐射，该金属膏被转移到该最终衬底，从而使得在该最终衬底上形成该触点。下列变量必须在这个步骤期间被考虑在内：
-预沉积在施主衬底上的金属膏的厚度。这个变量主要影响最终衬底上沉积的最终厚度。在应用于光电电池的情况下，使用的预沉积厚度是150微米或更小，优选地在40和60微米之间。
-施主衬底和最终衬底之间的距离。这个变量主要地影响转移分辨率。其值必须与预沉积厚度相关。其可在十分之几微米和数千微米之间变化，并且其值通常在0.1和1000微米之间，优选地在50和100微米之间。
-采用的激光束的特性(平均功率、扫描速度、束直径、脉冲重复频率、激光波长、激光能量密度、峰值功率)。采用的激光和它们的特性取决于用于形成该触点的金属膏的特性、最终沉积的期望尺寸、要求的工艺速度等。
为了降低该触点的电阻，以及为了得到该金属膏对该最终衬底的良好粘附性，烧结该金属膏是至关重要的，因为烧结工艺能够在触点材料中的颗粒之间形成强的接合。烧结工艺采用激光源优选连续激光来进行。激光的变量(功率、波长、束直径)以及照射条件(扫描速度、光斑尺寸)取决于该沉积的厚度、材料的类型和该沉积的几何形状。
取决于该装置是否包括位于待接触表面和所描述的材料沉积之间的介电层，可能必须在所述介电表面中形成窗口以使得该触点具有必要的电特性。该介电层中的所述开口也可采用脉冲激光(优选在皮秒范围内)而形成。在其中该金属膏被转移到具有可接受导电条件的材料(例如透明导电氧化物)的这些技术中，不需要在介电表面中形成窗口。
该导电金属膏的沉积采用激光束来辐射。为此，该激光束扫描该沉积，从而使得照射时间允许烧结整块金属膏。
在这个工艺中，加热仅在该金属膏上进行并且不会显著地影响该装置的其它部分，也不需要进一步的热工艺。出于该原因，可在塑料和聚合物装置以及不能接受高处理温度的装置(诸如它们结构中具有异型结的装置)上使用这个工艺。该连续激光能够对该金属层进行深度地和完全地烧结。
与炉中的烧结不同，采用激光烧结使得热效应被最小化，因为激光束被导向在具有被转移材料的该触点处，同时该装置的其余部分维持常温。从而，在本发明的方法中，执行选择的烧结，具有更低的能量消耗以及在装置上具有更低的整体热负载。
烧结工艺的复杂性在于激光源类型的选择。可基于使用的激光源和金属膏而得到不同的烧结深度。连续激光具有良好的穿透效果，在烧结之后能够得到与采用炉烧结工艺得到的类似的导电性。源功率、束直径(通常接近所转移的线的宽度)以及扫描速度的选择是最为重要的。
在烧结工艺的优选实施例中，使用具有大约5-20瓦功率和大约120微米光斑尺寸的连续绿激光，并采用1mm/s和500mm/s之间的扫描速度。
脉冲激光源使得控制烧结工艺的固有热力学特性更加困难，因此对于该方法的这个步骤来说，采用连续激光源是更加方便的。脉冲激光的使用限于非常特定的应用，其中，沉积线的厚度非常的小，要求待烧结的材料上的热负载最小化。尽管如此，对于一般地用在电子和光电装置上的图案来说，连续激光使该沉积能够被深度地以及一致地穿透和烧结。
这两种技术(LIFT和激光烧结)的组合使得触点具有优异的导电性能、良好的粘附性、触点的高的高宽比以及完全的和深度的触点烧结，而无需进行另外的触点再生长步骤。力求具有最小触点面积(触点宽度)的最小电阻(最大触点高度或横截面)以避免阴影。高宽比越大，或者该触点线的高-宽比越大，则效率越高。
采用本发明的方法形成的电触点的宽度在4和200微米之间变化，优选地在50和100微米之间。对于该线的高-宽比，其值在0.0001到0.5的范围内。
对于在用于多结电池的触点中使用的大约4微米的线宽度，如用于高聚光度光伏中的那些，可使用短波长激光(例如355纳米)来进行烧结。
在本发明的方法中，不同的金属膏可用于形成触点，而无需在沉积一种金属膏和下一种之间进行中间的干燥和烧结工艺。从而，取决于具体的要求，例如可使用高导电性金属膏或具有良好粘附性的金属膏，或者可使用这两种膏一起来形成单个沉积。单种膏也可被用于形成不同类型的触点，例如叠加线，以得到更大的高宽比。
在标准商用太阳能电池的情况下，在前部存在两个不同的金属化区域：一个部分是形成第一金属化相的电触点(称作“触指”)，并且其目的是从该装置的表面引出电流并将电流传导到第二金属化相中的触点(称作为“汇流条”)。这些触指必须尽可能地薄，与该衬底具有良好的接触以及具有该触点线的高的高-宽比，以便具有高导电性和良好的电连接。汇流条的目的是接收来自触指的电流并将电流传输到被焊接于汇流条上的条带。对于该汇流条，最重要的是其与该衬底的粘附性要优良，以便避免焊接工艺期间的可靠性问题。相应地，取决于待沉积的触点的类型，具有良好粘附性或良好导电性的金属膏可被用作触点材料，或者两种不同的膏可用于形成单个类型的触点，或者单种膏形成两种类型的触点。
该电子装置可以是LED(发光二极管)、OLED(有机发光二极管)或III-V族电池，该III-V族电池是由周期表中III到V列中的元素形成的且在高聚光度光伏太阳能板中使用的太阳能电池。在最后一种情形中，该触点可形成于i)其中p-n结所处的前部上(具有通过设置在侧部的汇流条从电池引出的电流的触指金属网)，ii)后部上，相同地设置，但是是位于后部上(触指和汇流条两者)，iii)位于前部上的触指穿过电池并连接到位于后部的p-n结处的汇流条的导体/线路(也是金属的)。
附图说明
为了提供本文件的补充描述以及为了帮助理解本发明，提供了一组示意性的、非限制性的附图，它们表示的是：
图1：示出了包括在最终衬底上进行金属膏沉积的步骤的示意图(现有技术附图)。
图2：示出了采用LIFT技术沉积的触点线的高度相对于水平距离(宽度)的曲线图。
图3：示出了分别采用由制造的商用银膏SOL 540和SOL550沉积的触点的电阻的两个曲线图，其作为在有烧结的情况下和在无烧结的情况下的激光功率的函数。
图1中出现的附图标记如下：
1.-触点材料
2.-施主衬底
3.-最终或接收器衬底
4.-激光
具体实施方式
下面是采用下列材料形成金属触点的描述：
触点材料(1)：使用两种不同的商用膏，型SOL 540和SOL550。
特性：
膏 SOL 540 SOL 550
粘度 40-60kcps 30-50kcps
电阻率 ＜10mΩ/□/25μm ＜10mΩ/□/25μm
粘附力 ＞3N -
固体(％) 80 86.5
聚合物类型 热稳定的 热塑性的
固化温度 250-280℃ 200-230℃
固化时间 3-8分钟 10-15分钟
施主衬底(2)：其是对激光透明的玻璃板。施主衬底上的银膏的厚度(预沉积厚度)在40和50微米之间。
最终或接收器衬底(3)：其是透明的导电氧化物(TCO)薄膜。
用于金属膏转移工艺的激光(4)：使用具有15纳秒脉冲、20到150KHz频率、30μm束宽以及2W最大功率的光谱物理532-2532纳米的激光。
-对于So1540银膏，用于金属膏转移工艺的激光变量如下：最优功率为3.7W、窗口为2.2到4.0W、扫描速度为3mm/s以及光斑尺寸为直径120微米。
对于So1550银膏，采用的激光变量如下：最优功率为3.4W、窗口为2.0到3.8W、扫描速度为3mm/s以及光斑尺寸为直径120微米。
如图1所示，首先，初始地位于玻璃板或施主衬底(2)上的银膏(1)通过上面描述的脉冲激光(4)被沉积在最终衬底(3)上。
图2示出了通过激光诱导向前转移(LIFT)而沉积的触点线的高度和水平距离(宽度)的曲线图，其允许实现高的高度与宽度比。即，与传统的技术不同，能够得到非常高或厚的线(大约25微米)，该线是窄的或者具有小的水平距离，在100微米的数量级上。
一旦金属膏(1)被沉积在最终衬底(3)上，该沉积膏被烧结。也为此，使用型的光谱物理激光源。其是具有10W最大功率、532纳米波长、3mm/s扫描速度以及120微米光斑直径的连续激光。
对于两种膏中的每种采用不同的功率进行烧结，在足够宽的范围内得到非常可接受的结果以考虑工艺稳健性。结果的质量取决于电阻。在较低的电阻下，电流能够更容易地从装置中引出/被注入到装置中。
如图3所示，烧结后的膏的电阻比不烧结大概低20倍。
激光加热的主要优点是其使得金属触点能够被选择性地加热，而不会影响光电装置的其余部分。另外，连续激光的使用允许该触点的局部和深度烧结，而不仅仅是表面烧结，在传统技术(炉)的情况下由于限制于将不会影响该光电装置的温度有时发生该表面烧结。
因此，激光诱导向前转移(LIFT)技术和激光烧结的组合形成了如图3所示的具有最优电特性的触点，而不会在该工艺期间对光电衬底造成影响。从而，对于SOL540金属膏，在烧结期间使用3.4W的激光功率得到1.24Ω的电阻。对于SOL550金属膏，在烧结期间使用3.7W的激光功率得到1.5Ω的电阻。

Claims (18)

1.一种用于形成电子或光电装置中的电触点的方法，其特征在于所述方法包括如下的步骤：
-通过从包含预沉积的触点材料(1)的施主衬底(2)向最终衬底(3)进行所述触点材料(1)的激光诱导向前转移(4)，将所述触点材料(1)沉积在所述最终衬底(3)上，所述最终衬底是所述电子或光电装置；
-采用激光源烧结所述触点材料。
2.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中在所述沉积步骤中使用的激光源是脉冲激光源。
3.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中在所述烧结步骤中使用的激光源是连续激光源。
4.根据权利要求3所述的用于形成电触点的方法，其中用于烧结的连续激光是绿光，具有在5瓦和20瓦之间的功率、120微米的光斑尺寸以及在1mm/s和500mm/s之间的扫描速度。
5.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中在所述烧结步骤中使用的激光源是脉冲激光源。
6.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中预沉积在所述施主衬底上的所述触点材料的厚度为150微米或更小。
7.根据权利要求6所述的用于形成电触点的方法，其中预沉积在所述施主衬底上的所述触点材料的厚度在40微米和60微米之间。
8.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中在沉积工艺期间所述施主衬底和所述最终衬底之间的距离在0.1微米和1000微米之间。
9.根据权利要求8所述的用于形成电触点的方法，其中在所述沉积工艺期间所述施主衬底和所述最终衬底之间的距离在50微米和100微米之间。
10.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中所使用的所述触点材料是导电金属膏。
11.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中所使用的所述触点材料是碳纳米颗粒膏、碳纳米管、石墨烯膏或石墨烯膜。
12.根据权利要求10所述的用于形成电触点的方法，其中所述金属膏包含银或铜。
13.一种用于通过权利要求1中描述的工艺形成电触点的方法，其中所形成的所述电触点具有在0.0001和0.5之间的高宽比。
14.一种用于通过权利要求1中描述的工艺形成电触点的方法，其中所形成的所述电触点具有在4微米和200微米之间的宽度。
15.根据权利要求14所述的用于形成电触点的方法，其中所述电触点的所述宽度在50微米和100微米之间。
16.根据权利要求1所述的用于形成电触点的方法，其中所述电子装置是LED、OLED或者由周期表中III到V列的元素形成的太阳能电池。
17.根据权利要求16所述的用于形成电触点的方法，其中所述触点被形成在所述电子装置的前部或后部上，所述电子装置是由周期表中III到V列的元素形成的太阳能电池。
18.一种电触点，所述电触点通过前述权利要求中的任一项所述的方法形成。
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