CN117352599A - 一种硅异质结电池铜栅线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异质结太阳能电池领域，具体涉及一种硅异质结电池铜栅线的制备方法。本发明提供一种硅异质结电池铜栅线的制备方法，包括在形成铜种子层的电池正背表面制备油墨层，再刻蚀掉电池侧面的铜种子层和TCO薄膜。该方法仅通过一次掩膜，即实现了电池表面图形化，同时解决了侧面隔离的问题，保证后续电镀工艺中电池侧面不会有金属铜沉积，避免由此导致的电池漏电，提高电池的性能、生产良率和质量。此外，相对于干膜，油墨材料的成本较低，能够显著降低电池的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及异质结太阳能电池领域，具体涉及一种硅异质结电池铜栅线的制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种能将太阳能转换成电能的半导体器件，在光照条件下太阳能电池内部会产生光生电流，通过电极将电能输出。近年来，太阳能电池生产技术不断进步，生产成本不断降低，转换效率不断提高，太阳能电池发电的应用日益广泛并成为电力供应的重要能源。
目前铜栅线硅异质结太阳能电池的典型结构为：铜栅线电极/TCO/a-Si(n)/a-Si(i)/c-Si/a-Si(i)/a-Si(p)/TCO/铜栅线电极。对正背电极均为铜栅线的电池，工艺流程为：晶硅衬底清洗制绒、PECVD沉积正背面本征及掺杂非晶硅薄膜、PVD沉积正背面TCO薄膜以及铜栅线制备。单就铜栅线制备而言，其步骤包括：(a)PVD沉积铜种子层：在正背面TCO薄膜表面分别通过PVD沉积正背面铜种子层；(b)光刻图形化：在正背面铜种子层表面依次通过贴膜、层压、曝光、显影步骤形成图形化的掩膜；(c)电镀：电镀沉积正背面铜栅线；(d)去除正背面掩膜；(e)去铜化锡：去除非栅线位置的铜种子层并在铜栅线表面沉积金属锡层。
异质结电池的铜栅线制备时，电池侧面不可避免地形成金属铜层从而引起电池表面边缘漏电现象，为此需要在电镀铜后增加边缘刻蚀处理，导致铜栅线工艺流程更加复杂、成本更高。因此，有必要进一步对硅异质结电池铜栅线的制备进行研究改进。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：在PVD沉积TCO薄膜和铜种子层时，由于溅射过程中的边缘绕镀作用，电池侧面也会包覆有TCO和铜薄膜，尽管经过后面的光刻图形化工序后，干膜也会将电池侧面掩膜保护起来，但是相对于电池表面的掩膜，这种侧面的掩膜在显影步骤及其到电镀的转运过程中极容易由于电池与工装及设备的接触或摩擦而脱落，使其包裹的铜种子层暴露出来，这样在后续电镀时电池侧面就将同样沉积有一定厚度的铜层，增加电池的漏电风险，影响电池性能和生产良率。
为避免电池边缘的漏电问题，现有技术采用的一种方法是将侧面的铜和TCO刻蚀掉，具体做法是在电镀铜之后采用二次掩膜的方式先将电池表面保护起来，然后进行侧面铜层的刻蚀。但是这种方法使用两次掩膜，延长了电池制备的工艺流程，操作繁琐、成本较高。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种硅异质结电池铜栅线的制备方法，该方法仅通过一次掩膜，即实现了电池表面图形化，同时解决了侧面隔离的问题。此外，相对于干膜，油墨材料成本较低，有利于降低电池成本。
本发明实施例的一种硅异质结电池铜栅线的制备方法，包括如下步骤：
(1)在形成铜种子层的电池正背表面制备油墨层；
(2)通过激光曝光将栅线图形转移到所述油墨层上；
(3)刻蚀去除所述电池侧面的铜种子层和TCO薄膜；
(4)使所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜，暴露铜栅线位置的铜种子层；
(5)在所述暴露的铜种子层上方形成铜和锡金属层；
(6)去除所述步骤(4)形成的油墨掩膜；
(7)去除非栅线位置的铜种子层。
根据本发明实施例的硅异质结电池铜栅线的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，使用油墨作为图形化掩膜材料，仅通过一次掩膜即实现了电池表面图形化，同时解决了侧面隔离的问题，后续经电镀工序电池侧面将不会形成金属铜，避免由此导致的电池漏电，提高生产良率和质量；2、本发明实施例中，使用油墨作为图形化掩膜材料，与现有技术采用二次掩膜的方式相比，工艺流程简单，便于在工艺生产中的推广使用；3、本发明实施例中，电池侧面无油墨沉积及无掩膜形成，这样步骤(2)中无需考虑掩膜影响直接进行边缘刻蚀。将电池侧面的铜种子层和TCO薄膜刻蚀掉后，后续经电镀工序电池层面就不会形成金属铜，避免由此导致的电池漏电；4、本发明实施例中，相对于干膜，油墨材料成本较低；此外，与传统曝光机不同的是，激光曝光时无需菲林，显著降低图形化工艺的材料成本，能够显著降低电池的生产成本。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，在形成有铜种子层的电池表面印刷或喷涂光固化油墨，并加热使其干燥固化，制得油墨层。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述固化的温度为70～100℃，固化的时间为10～30min。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述油墨层的厚度为8～35μm。
在一些实施例中，所述步骤(3)中，将曝光后的电池放入化学刻蚀液中依次刻蚀去除所述电池侧面的铜种子层和TCO薄膜。
在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述铜种子层的刻蚀时间为30～90s，所述TCO薄膜的刻蚀时间为3～10min。
在一些实施例中，所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，包括如下步骤：
所述步骤(1)为在形成铜种子层的电池正背表面和侧面均制备油墨层；
所述步骤(2)为通过激光曝光将栅线图形转移到所述油墨层上；
所述步骤(3)为使所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜，暴露铜栅线位置的铜种子层；
所述步骤(4)为刻蚀去除所述电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜；
所述步骤(5)为在所述暴露的铜种子层上方形成铜和锡金属层；
所述步骤(6)为去除所述步骤(3)形成的油墨掩膜；
所述步骤(7)为去除非栅线位置的铜种子层。
在一些实施例中，所述步骤(4)中，将所述步骤(3)得到的电池放入反应离子刻蚀设备中，通入氩气逐层刻蚀所述电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜。
在一些实施例中，所述步骤(4)中，所述刻蚀的功率为150～500W，刻蚀时间为10～90s。
附图说明
图1是实施例1硅异质结电池铜栅线的制备方法流程图及各层的含义，其中标号与实施例中制备方法的步骤一一对应；
图2是实施例2硅异质结电池铜栅线的制备方法流程图及各层的含义，其中标号与实施例中制备方法的步骤一一对应。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的一种硅异质结电池铜栅线的制备方法，包括如下步骤：
(1)在形成铜种子层的电池正背表面制备油墨层；
(2)通过激光曝光将栅线图形转移到所述油墨层上；
(3)刻蚀去除所述电池侧面的铜种子层和TCO薄膜；
(4)使所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜，暴露铜栅线位置的铜种子层；
(5)在所述暴露的铜种子层上方形成铜和锡金属层；
(6)去除所述步骤(4)形成的油墨掩膜；
(7)去除非栅线位置的铜种子层。
根据本发明实施例的硅异质结电池铜栅线的制备方法带来的优点和技术效果，使用油墨作为图形化掩膜材料，仅通过一次掩膜即实现了电池表面图形化，同时解决了侧面隔离的问题，后续经电镀工序电池侧面将不会形成金属铜，避免由此导致的电池漏电，提高生产良率和质量；使用油墨作为图形化掩膜材料，与现有技术采用二次掩膜的方式相比，工艺流程简单，便于在工艺生产中的推广使用；电池侧面无油墨沉积及无掩膜形成，这样步骤(2)中无需考虑掩膜影响直接进行边缘刻蚀。将电池侧面的铜种子层和TCO薄膜刻蚀掉后，后续经电镀工序电池层面就不会形成金属铜，避免由此导致的电池漏电；相对于干膜，油墨材料成本较低；此外，与传统曝光机不同的是，激光曝光时无需菲林，显著降低图形化工艺的材料成本，能够显著降低电池的生产成本。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，在形成有铜种子层的电池表面印刷或喷涂光固化油墨，并加热使其干燥固化，制得油墨层。固化的温度为70～100℃，固化的时间为10～30min。进一步优选地，所述油墨层的厚度为8～35μm。过高的固化温度会使材料产生较大的内应力，影响尺寸精度的控制，严重时会导致材料提前破坏。优选固化温度为70～100℃有利于形成力学性能较好的油墨层。优选油墨层的厚度为8～35μm，以使在节省材料的前提下能取得本发明想要达到的技术效果。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(3)中，将曝光后的电池放入化学刻蚀液中依次刻蚀去除所述电池侧面的铜种子层和TCO薄膜。所述刻蚀铜种子层的化学刻蚀液是过氧化物和硫酸溶液，所述刻蚀TCO薄膜的化学刻蚀液是浓盐酸溶液。所述过氧化物包括过硫酸氢钠、过硫酸氢钾、过硫酸氢钙中的至少一种。进一步优选地，所述步骤(3)中，所述铜种子层的刻蚀时间为30～90s，所述TCO薄膜的刻蚀时间为3～10min。通过对化学刻蚀液和刻蚀时间的优选，能够保证准确刻蚀掉铜种子层和TCO薄膜，并对电池本体不造成伤害。
在一些实施例中，优选地，步骤(4)中所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜是利用曝光和未曝光部分的油墨在显影液中有不同的溶解特性实现的。
在一些实施例中，优选地，步骤(6)中所述的去除油墨掩膜是采用含有添加剂的弱碱溶液实现的。步骤(7)中所述去除非栅线位置的铜种子层是采用化学溶液实现的。本发明实施例中，由于铜种子层厚度非常薄，所以相对于电极铜栅线，铜种子层会被完全刻蚀掉但对电极栅线几乎没有影响。
在一些实施例中，所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，包括如下步骤：
所述步骤(1)为在形成铜种子层的电池正背表面和侧面均制备油墨层；
所述步骤(2)为通过激光曝光将栅线图形转移到所述油墨层上；
所述步骤(3)为使所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜，暴露铜栅线位置的铜种子层；
所述步骤(4)为刻蚀去除所述电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜；
所述步骤(5)为在所述暴露的铜种子层上方形成铜和锡金属层；
所述步骤(6)为去除所述步骤(3)形成的油墨掩膜；
所述步骤(7)为去除非栅线位置的铜种子层。
该方法在电池侧面有油墨层包覆的情况下，电池显影后通过干法刻蚀一次性刻掉侧面的油墨层、Cu种子层和TCO薄膜，保证后续电镀工艺中电池侧面不会有金属铜沉积。此外，与传统曝光机不同的是，激光曝光时无需菲林，显著降低图形化工艺的材料成本，有利于电池降本。
在一些实施例中，优选地，所述步骤(4)中，将所述步骤(3)得到的电池放入反应离子刻蚀设备中，通入氩气逐层刻蚀所述电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜。进一步优选地，所述步骤(4)中，所述刻蚀的功率为150～500W，刻蚀时间为10～90s。优选刻蚀的功率和时间，能够快速刻蚀掉油墨层、Cu种子层和TCO薄膜，并对电池材料本体不造成损伤。
下面结合附图和实施例详细描述本发明。
实施例1
本实施例提供的硅异质结电池铜栅线的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)用尺寸比硅片略微小一点的油墨印刷网板的图形，露出硅片边缘，在形成铜种子层的电池正背表面印刷油墨，并在70℃下固化30min，形成厚度为8μm的油墨层；
(2)通过激光曝光将栅线图形转移到油墨层上；
(3)将经过曝光后的电池放入盛有过硫酸氢钠和硫酸溶液的槽体中刻蚀60s，刻蚀掉电池侧面的铜种子层；再放入盛有浓盐酸溶液的槽体中刻蚀6min，刻蚀掉电池侧面的TCO薄膜，并用去离子水清洗去除电池上残留的蚀刻液；
(4)选择性照射使油墨层选择性地反应、溶解形成图形化的掩膜，将栅线位置的铜种子层暴露出来；
(5)通过金属电镀工艺在暴露的铜种子层上方依次形成铜金属层和锡金属层；
(6)使用弱碱溶液去掉正背面的掩膜油墨层；
(7)使用过硫酸氢钠和硫酸溶液去掉非栅线位置的铜种子。
实施例2
本实施例提供的硅异质结电池铜栅线的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
(a)在形成有铜种子层的电池正背表面及侧面喷涂油墨，在100℃下固化10min，形成厚度为35μm的油墨层；
(b)通过激光曝光将栅线图形转移到油墨层上；
(c)使油墨选择性地反应、溶解形成图形化的掩膜，将栅线位置的铜种子层暴露出来；
(d)将显影后的电池叠成电池垛后放入反应离子刻蚀设备中，通入氩气在300W的功率下刻蚀50s，逐层刻蚀掉电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜；
(e)使用金属电镀工艺在暴露的铜种子层上方依次形成铜金属层和锡金属层；
(f)使用弱碱溶液去掉正背面的掩膜油墨层；
(g)使用过硫酸氢钾和硫酸溶液去掉非栅线位置的铜种子。
对比例1
本对比例采用现有的技术制备硅异质结电池铜栅线，包括以下步骤：
(1)在正背面TCO薄膜表面分别通过PVD沉积正背面铜种子层；
(2)在正背面铜种子层表面依次通过贴膜、层压、曝光、显影步骤形成图形化的掩膜；
(3)电镀沉积正背面铜栅线；
(4)去除正背面掩膜；
(5)去除非栅线位置的铜种子层并在铜栅线表面沉积金属锡层。
在标准测试条件下，对实施例1和对比例1制备的具有铜栅线的电池进行电池性能测试，结果如下表1所示：
表1电池性能数据
从上表的实验数据可以看出，对比例制备的电池中存在漏电问题时，并联电阻过小，电池性能参数下降，采用实施例制备的电池解决存在漏电的问题后，电池性能获得提升。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在形成铜种子层的电池正背表面制备油墨层；
(2)通过激光曝光将栅线图形转移到所述油墨层上；
(3)刻蚀去除所述电池侧面的铜种子层和TCO薄膜；
(4)使所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜，暴露铜栅线位置的铜种子层；
(5)在所述暴露的铜种子层上方形成铜和锡金属层；
(6)去除所述步骤(4)形成的油墨掩膜；
(7)去除非栅线位置的铜种子层。
2.根据权利要求1所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在形成有铜种子层的电池表面印刷或喷涂光固化油墨，并加热使其干燥固化，制得油墨层。
3.根据权利要求2所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述固化的温度为70～100℃，固化的时间为10～30min。
4.根据权利要求1所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述油墨层的厚度为8～35μm。
5.根据权利要求1所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将曝光后的电池放入化学刻蚀液中依次刻蚀去除所述电池侧面的铜种子层和TCO薄膜。
6.根据权利要求5所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述铜种子层的刻蚀时间为30～90s，所述TCO薄膜的刻蚀时间为3～10min。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述步骤(1)为在形成铜种子层的电池正背表面和侧面均制备油墨层；
所述步骤(2)为通过激光曝光将栅线图形转移到所述油墨层上；
所述步骤(3)为使所述油墨层反应、溶解形成图形化的掩膜，暴露铜栅线位置的铜种子层；
所述步骤(4)为刻蚀去除所述电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜；
所述步骤(5)为在所述暴露的铜种子层上方形成铜和锡金属层；
所述步骤(6)为去除所述步骤(3)形成的油墨掩膜；
所述步骤(7)为去除非栅线位置的铜种子层。
8.根据权利要求7所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将所述步骤(3)得到的电池放入反应离子刻蚀设备中，通入氩气逐层刻蚀所述电池侧面的油墨层、铜种子层和TCO薄膜。
9.根据权利要求8所述的硅异质结电池铜栅线的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述刻蚀的功率为150～500W，刻蚀时间为10～90s。
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