CN211394674U

CN211394674U - 一种水平电化学沉积金属装置

Info

Publication number: CN211394674U
Application number: CN201820976479.6U
Authority: CN
Inventors: 李中天; 姚宇; 邓晓帆
Original assignee: Suzhou Taiyangjing New Energy Co ltd
Current assignee: Suzhou Taiyangjing New Energy Co ltd
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2028-06-22

Abstract

本实用新型公开了一种水平电化学沉积金属装置，包括排液槽(20)，排液槽(20)内设置有用于盛放电解液(60)的电解质槽(10)，电解质槽(10)的下端连通有输液管道(11)，排液槽(20)的下端连通有排液管道(21)，电解质槽(10)的侧面设有用于调节电解液(60)液面高度的高度闸(12)，电解质槽(10)内设置有下电极(70)，电解质槽(10)的上方设置有用于输送半导体器件(50)的下传送滚轮(30)，半导体器件(50)上表面整面或多点接触式上电极，半导体器件(50)上表面整面或多点接触式的上电极与下电极(70)相连。本实用新型的一种水平电化学沉积金属装置，能够在电池的透明导电膜表面或者钝化膜表面上实行可靠的、可量产化的金属化制程。

Description

一种水平电化学沉积金属装置

技术领域

本实用新型涉及一种水平电化学沉积金属装置，用于太阳能电池的透明导电膜或者钝化膜的电化学沉积金属，属于太阳能电池制造领域。

背景技术

半导体器件通常使用金属作为器件电极用以提取或注入电荷载流子。因此金属化在半导体制造中往往都是一个重要的工艺步骤，在太阳能电池的制造中亦是如此。尤其是太阳能电池正面入光面的金属化通常需要考虑到遮光损失、金属导电性和与半导体的接触电阻等等因素。丝网印刷银浆料再经过高温烧结形成金属栅线是目前应用最广泛的晶硅太阳能电池正面金属化方法。该方法工艺简单，早已实现大规模量产。

随着硅片和电池工艺不断发展，电池制作成本不断下跌，采用昂贵银浆料的金属化过程所产生的成本在整个电池成本中占有的比例不断上升，尤其是对于正背两面都采用银栅线的双面HJT电池来讲更为甚之。在多项电池和组件技术趋于成熟的今天，为实现光伏技术发电侧平价这一目标，降低电池金属化成本势在必行。使用电化学方法可在太阳能电池表面上电镀金属形成电极。此方法可使用更为便宜的镍，铜等金属部分或者全部替代银来实现成本降低。在这种方法中，电解质溶液中的金属离子在太阳能电池表面上获得电子还原成金属并沉积在其表面。在电化学沉积过程中，电池表面的电子源可以通过太阳能电池的光感应电流提供，在下文中将被称作光诱导电镀，或者是由电镀过程中外电源驱动的电流提供，在下文中将被称作电流电镀。然而，以往提出的挂镀、垂直电镀等方法存在着金属沉积不均匀、良率低、量产效率低等问题。

专利CN101257059A和专利CN102083717A公开了利用光诱导电镀或是电流电镀的方法可在大规模生产中对晶硅太阳能表面进行水平电镀的方法。然而此方法仍然需要有丝网印刷的铝背场，并且在水平电镀过程中可能会对电池表面造成损害。专利CN105590981A公开了一种负极表面无需接触任何固体的方法，但工艺控制难度高。在其他类似的水平电镀方法中，上电极使用单点或单排接触的方法，难以在应用了背面钝化技术的单面电池或者双面电池中应用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够在电池的透明导电膜表面或者钝化膜表面上实行均匀的、可靠的、可量产化的金属化制程的水平电化学沉积金属装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种水平电化学沉积金属的装置，包括排液槽，所述排液槽内设置有用于盛放电解液的电解质槽，所述电解质槽的下端连通有输液管道，所述排液槽的下端连通有排液管道，所述电解质槽的侧面设有用于调节所述电解液液面高度的高度闸，所述电解质槽内设置有下电极，所述电解质槽的上方设置有用于输送半导体器件的下传送滚轮，所述半导体器件上表面整面或多点接触式上电极，所述半导体器件上表面整面或多点接触式的上电极与所述下电极相连。

所述上电极与所述下电极连接包括以下三种方式，一种是所述上电极与偏压电源的负极相连，所述下电极与所述偏压电源的正极相连；第二种是所述上电极与所述下电极直接相连，所述半导体器件的上方或者下方设置有发光器件；第三种是所述上电极与偏压电源的负极相连，所述下电极与所述偏压电源的正极相连，所述半导体器件的上方或者下方设置有所述发光器件。

所述下传送滚轮的上方设置有同步运行的上传送滚轮，所述上传送滚轮使用导电材质制作，依次通过导线串联，所述上传送滚轮用于输送取电和导向装置，所述半导体器件的上表面设置有导电电极板，所述导电电极板的上面连有支撑杆的下端，所述支撑杆的上端与所述取电和导向装置的下面相连。

所述太阳能电池通过多排导电刷与所述偏压电源电相连，所述导电刷位于所述太阳能电池上方，所述导电刷的上端与偏压电源的负极电相连，所述导电刷的下端与所述太阳能电池的上表面接触。

所述下电极的材质为固体金属。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型提供的一种水平电化学沉积金属装置，采用水平电镀，适合量产。

2、本实用新型采用了上电极多点接触或者全面接触的方法，保证了电化学沉积金属的均匀性与可靠性。避免使用上滚轮，不会在金属沉积过程中造成表面损伤或器件损坏。

3、本实用新型适用于在HJT电池、钙钛矿或其他薄膜电池的透明导电膜上，或是在HBC电池上及应用了TopCon、POLO等表面整面钝化技术的晶硅电池的钝化膜上进行直接电镀锡、镍、铜、银等金属，结合图形化掩膜技术可用于生成金属栅线电极。相比于丝网印刷银浆工艺，其可具有材料成本低，并能实现更细的金属栅线从而提升电池效率等优点。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例1的一种水平电化学沉积金属的装置结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例2的一种水平电化学沉积金属的装置结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例2的一种水平电化学沉积金属的装置结构示意图。

图中附图标记如下：10-电解质槽；11-输液管道；12-高度闸；20-排液槽； 21-排液管道；30-下传送滚轮；40-导电刷；43-上传送滚轮；44-取电和导向装置；45-支撑杆；46-导电电极板；50-半导体器件；60-电解液；70-下电极；80- 发光器件；90-偏压电源。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

随着太阳能电池高效化，采用表面钝化技术的PERC电池、HJT电池或者 IBC电池等将会逐渐成为主流，本实用新型的一种水平电化学沉积金属的装置，能够为这些电池的透明导电膜表面或者钝化膜表面上实行可靠的、可量产化的金属化制程。

本实用新型的一种水平电化学沉积金属的方法，将半导体器件进行水平移动，同时上电极与半导体器件上表面进行整面或多点接触并可与半导体器件进行同步水平移动，半导体器件下方待电化学沉积金属表面与电解液溶液接触，获得电子并沉积在其表面，电解质溶液可以通过喷射或者藉由表面张力与待电化学沉积金属表面(半导体器件的下表面)进行整面接触。上电极与电解质溶液接触的半导体器件下表面之间的电位差通过光诱导，外加电压或两者结合实现。

该方法用于在HJT电池或者钙钛矿薄膜电池的透明导电薄膜上进行直接电镀，也可以用于在HBC电池上或者应用了TopCon、POLO等表面整体钝化技术的其他晶硅电池的钝化膜或透明导电膜上进行直接电镀。

其中，半导体器件为太阳能电池，采用发光器件对太阳能电池的受光表面进行均匀光照来产生电位差。

电解质溶液中设置有下电极，下电极与偏压电源的正极电相连，上电极与偏压电源的负极电相连。

以下几个实施例中半导体器件50选为太阳能电池。

具体实施例1

如图1所示，本实用新型的一种水平电化学沉积金属的装置，使用多排导电刷作为固定上电极，并在半导体器件的阴极表面进行光诱导电镀金属化。具体结构包括排液槽20和偏压电源90，排液槽20内设置有用于盛放电解液60 的电解质槽10，电解质槽10的下端连通有输液管道11，排液槽20的下端连通有排液管道21。输液管道11与液体泵相连，用以调节电解液60的流入速度速和控制电解质60溶液成分。出电解液槽10的电解液60流入排液槽20并通过其下的排液管道21被循环或者收集。

电解质槽10的侧面设有用于调节电解液60液面高度的高度闸12，通过调节电解液60的液面高度，使其能充分接触到半导体器件50的待电化学沉积金属表面，且半导体器件50的另一表面不与电解质溶液60接触。

电解质槽10内设置有下电极70，下电极70作为阳极，为固体金属铜。可多个固体金属下电极70均匀放置于电解质槽10下方，并由导线通过外置偏压电源90与导电刷40(上电极)相连。

电解质槽10的上方设置有用于输送半导体器件50的下传送滚轮30，半导体器件50在一系列滚轮30的支撑与传送下通过电解质槽10。滚轮30两端设有固定元件，相距略长于待电化学沉积金属半导体器件宽度，用于避免该半导体器件在水平移动过程中偏离。

半导体器件50与偏压电源90的负极电相连。半导体器件50的上方或者下方设置有发光器件80，优选设置在半导体器件50的下方，本实施例中，发光器件80位于电解质槽10内。发光器件80其由多个均匀分布的光源(如LED 等)构成，保证半导体器件50在可以整个沉积过程中受到均匀的光照。此处值得注意的是，发光器件80的位置并不局限于图例中展示的位置，且由于实际装置的三维属性，该发光器件80与下电极金属70之间不会相互阻挡。

其中，半导体器件50为p型PERC半导体器件，其p型表面为丝网印刷的铝电极，n型表面(待电化学沉积金属表面)为一层钝化膜。其待电化学沉积金属的钝化膜表面经过图形化处理。此实施例中，将为半导体器件n型表面进行电化学沉积金属铜。

其中，电解质溶液60可含有一种或多种酸根(如硫酸根，硝酸根等)，镀层金属离子(这里为铜离子)，水以及一种或多种添加剂。这里电解质溶液的配制优选为把硫酸铜150.0—250.0g/L、硫酸45.0—110.0g/L、锌粉0.5g/L、活性炭1.0—2.0g/L以及适量的光亮添加剂溶入水中。电化学沉积金属过程中，电解质溶液成分可以使用电镀液监控系统来进行监控和调节。

半导体器件50通过多排导电刷40与偏压电源90电相连，相邻导电刷间距，优选的不超过60mm，导电刷40作为上电极，导电刷40位于半导体器件50上方，导电刷40的上端与偏压电源90的负极电相连，导电刷40的下端与半导体器件50的上表面接触，使得太阳能电池50上表面任意一点距离最近导电刷的最小距离小于30mm。在使用光诱导电镀进行电化学沉积金属过程中，通过偏压电源90施加偏压来控制电镀速率。

在本实施例中，其电位差通过光诱导实现。在电化学沉积金属过程中，半导体器件50在受到发光器件80的光照后在其两面形成电势差。P型与上电极相连表面为正极，电子经由该极流入电池。与之相连的下电极金属失去电子，被氧化为金属离子进入电解质溶液。N型待电化学沉积金属表面为负极，与之接触的电解质溶液60中的金属离子从该表面获得电子，还原成金属并沉积在该表面。

在本实施例中，可以通过改变外置偏压90来控制电化学沉积速率。这里优选为使用能量密度为0.05W/cm2的白色LED光并通过外接电源控制电镀区域的电流密度为3.5A/dm²。照射5分钟(光照时间的控制通过调节滚轮传送速率实现)后，在半导体器件50的阴极表面上沉积铜层厚度约为4微米。

具体实施例2

如图2所示，本实用新型的一种水平电化学沉积金属的装置，使用移动上电极进行整面接触，并在半导体器件的表面进行电流电镀金属化。具体结构包括排液槽20和偏压电源90，排液槽20内设置有用于盛放电解液60的电解质槽10，电解质槽10的下端连通有输液管道11，排液槽20的下端连通有排液管道21。输液管道11与液体泵相连，用以调节电解液60的流入速度速和控制电解质60溶液成分。出电解液槽10的电解液60流入排液槽20并通过其下的排液管道21被循环或者收集。

其中，半导体器件50为HBC太阳能电池，其正面为透明钝化膜。此实施例中，将为进行了图形化掩膜处理的HBC半导体器件50背面进行电化学沉积插指状金属电极铜。

下传送滚轮30的上方设置有同步运行的上传送滚轮43，上传送滚轮43用于输送取电和导向装置44，这里优选为金属材质的导电块，半导体器件50的上表面设置有作为上电极的导电电极板46，导电电极板46的上面连有支撑杆 45的下端，支撑杆45的上端与取电和导向装置44的下面相连并通过导电材质制作的上传送滚轮43连接至偏压电源90(或在其它仅使用光诱导电镀的实施例中直接导通取电和导向装置44与下电极70。上传送滚轮43两端设有相距略宽于取电和导向装置44宽度的两个固定元件，用于确保取电和导向装置44在传送过程中不会偏离预定轨道。取电和导向装置44，优选为铜锭，在作为导电器件的同时，带动支撑杆45与导电电极板46在电化学沉积金属过程中跟随半导体器件50进行同步移动。支撑杆45为导电材质或含导电部件，用于连接取电和导向装置44和导电电极板46。同时支撑杆45内含有气弹簧或类似部件，使得导电电极板46施于半导体器件50上的压力可调。导电电极板46为单层金属板或表面覆有金属箔的轻质聚合物板。导电电极46亦可为双层导电板，即上层为薄金属板，下层为导电纤维、导电尼龙板等导电聚合物或者膨胀石墨等具有柔软性和压缩回弹性等特点的导电材料。此处导电电极板46优选为表面覆盖铝箔的轻质聚合物板。导电电极板46形状应与待化学沉积金属的半导体器件 50形状相同，且尺寸等于或者略小于该半导体器件50的尺寸。在整个沉积过程中，导电电极板46覆盖在半导体器件50的非待沉积金属表面并跟随其移动，其接触面压力可通过支撑杆45来调节，确保两者能形成良好的整面接触的同时避免损伤半导体器件50。

本实施例中，下电极70被连接到偏压电源90的正极，上电极连通外置电源90的负极与半导体器件50。在本实施例中，其电位差通过外置电源施加电场实现。在外置偏压作用下，半导体器件50的待电化学沉积金属表面为阴极，与之接触的电解质溶液60中的金属离子从该表面获得电子，还原成金属并沉积在该表面。

在本实施例中，可以通过控制外置电源90的输出电流电压来控制电化学沉积效率。这里优选为控制电镀区域电流为10A/dm2进行沉积10分钟，在半导体器件50上沉积铜的平均厚度约为20微米。

具体实施例3

如图3所示，本实用新型的一种水平电化学沉积金属的装置，使用移动上电极进行整面接触，并在半导体器件的表面进行光诱导电镀以及电流电镀金属化。具体结构包括排液槽20和偏压电源90，排液槽20内设置有用于盛放电解液60的电解质槽10，电解质槽10的下端连通有输液管道11，排液槽20的下端连通有排液管道21。输液管道11与液体泵相连，用以调节电解液60的流入速度速和控制电解质60溶液成分。出电解液槽10的电解液60流入排液槽20 并通过其下的排液管道21被循环或者收集。

其中，半导体器件50为HJT半导体器件。在本实施例中，先使用光诱导电镀方法为其n型掺杂非晶硅上的透明导电膜表面沉积铜电极，其后将HJT半导体器件50翻面，再使用电流电镀为其P型掺杂非晶硅的透明导电膜表面上沉积铜电极。

下传送滚轮30的上方设置有同步运行的上传送滚轮43，上传送滚轮43用于输送取电/导向装置44，这里优选为金属导电块，太阳能电池50的上表面设置有作为上电极的导电电极板46以及其上连接的支撑杆45，支撑杆45的上端与导电块44相连并通过导电材质制作的上传送滚轮43连接至偏压电源90。上传送滚轮43两端设有相距略宽于取电和导向装置44宽度的两个固定元件，用于确保取电和导向装置44在传送过程中不会偏离预定轨道。取电和导向装置 44，优选为铜锭，在作为导电器件的同时，带动支撑杆45与导电电极板46在电化学沉积金属过程中跟随半导体器件50进行同步移动。支撑杆45为导电材质或含导电部件，用于连接取电和导向装置44和导电电极板46。同时支撑杆 45内含有气弹簧或类似部件，使得导电电极板46施于半导体器件50上的压力可调。导电电极板46此处优选为双层设计，上层铝金属板可以确保电流在横切面上可以均匀传输，下层可以为导电纤维、导电尼龙板等导电聚合物或者膨胀石墨等具有柔软性和压缩回弹性等特点的导电材料以提供必要的导电性而不损坏晶片的表面。这里优选的，导电电极板46上层为铝板下层为膨胀石墨。导电电极板46形状应与待化学沉积金属的半导体器件50形状相同，且尺寸等于或者略小于该半导体器件50的尺寸。在整个沉积过程中，导电电极板46覆盖在半导体器件50的非待沉积金属表面并跟随其移动，其接触面压力可通过支撑杆 45来调节，确保两者能形成良好的整面接触的同时避免损伤半导体器件50。

下电极70(阳极)为固体金属铜。可多个固体金属下电极70均匀放置于电解质槽10下方，并由导线通过外置偏压电源90与上电极相连。

在光诱导电镀过程中，半导体器件50的n型掺杂非晶硅上的透明导电膜表面与电解质溶液60接触并在滚轮30的传送下从电解质槽10的一端移动到另一端。在此过程中，导电电极板46覆盖在半导体器件50的p型掺杂非晶硅上的透明导电膜表面上并与之同步移动。发光器件80，优选的，放置于电解质槽下方。通过改变外置偏压90来控制电化学沉积速率。这里优选为使用能量密度为 0.05W/cm2的白色LED光并通过外接电源控制电镀区域的电流密度为5A/dm²。照射5分钟后，在半导体器件50的n型掺杂非晶硅上的透明导电膜表面上沉积铜层厚度约为5微米。

之后翻面半导体器件50，使之p型掺杂非晶硅上的透明导电膜表面与电解质溶液60接触并在滚轮30的传送下从电解质槽10的一端移动到另一端。在此过程中，导电电极板46覆盖在半导体器件50的n型掺杂非晶硅侧沉积的金属电极。此时，发光器件80为关闭状态。电镀电位差通过偏压上电源90施加电场实现，并可通过控制偏压电源90的输出电流电压来控制电化学沉积效率。这里优选为控制电镀区域电流为2.5A/dm²进行沉积10分钟，在半导体器件50的 p型掺杂非晶硅上的透明导电膜表面上沉积铜的平均厚度约为5微米。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种水平电化学沉积金属的装置，其特征在于：包括排液槽（20），所述排液槽（20）内设置有用于盛放电解液（60）的电解质槽（10），所述电解质槽（10）的下端连通有输液管道（11），所述排液槽（20）的下端连通有排液管道（21），所述电解质槽（10）的侧面设有用于调节所述电解液（60）液面高度的高度闸（12），所述电解质槽（10）内设置有下电极（70），所述电解质槽（10）的上方设置有用于输送半导体器件（50）的下传送滚轮（30），所述半导体器件（50）上表面整面或多点接触式上电极，所述半导体器件（50）上表面整面或多点接触式的上电极与所述下电极（70）相连。

2.根据权利要求1所述的一种水平电化学沉积金属的装置，所述上电极与所述下电极（70）连接包括以下三种方式，一种是所述上电极与偏压电源（90）的负极相连，所述下电极（70）与所述偏压电源（90）的正极相连；第二种是所述上电极与所述下电极（70）直接相连，所述半导体器件（50）的上方或者下方设置有发光器件（80）；第三种是所述上电极与偏压电源（90）的负极相连，所述半导体器件（50）的上方或者下方设置有所述发光器件（80）。

3.根据权利要求1或2所述的一种水平电化学沉积金属的装置，其特征在于：所述下传送滚轮（30）的上方设置有同步运行的上传送滚轮（43），所述上传送滚轮（43）使用导电材质制作，依次通过导线串联，所述上传送滚轮（43）用于输送取电和导向装置（44），所述半导体器件（50）的上表面设置有导电电极板（46），所述导电电极板（46）的上面连有支撑杆（45）的下端，所述支撑杆

（45）的上端与所述取电和导向装置（44）的下面相连。

4.根据权利要求2所述的一种水平电化学沉积金属的装置，其特征在于：所述半导体器件（50）通过多排导电刷（40）与所述偏压电源（90）电相连，所述导电刷（40）位于所述半导体器件（50）上方，所述导电刷（40）的上端与偏压电源（90）的负极电相连，所述导电刷（40）的下端与所述半导体器件（50）的上表面接触。

5.根据权利要求1所述的一种水平电化学沉积金属的装置，其特征在于：所述下电极（70）的材质为固体金属。