DE3006716A1

DE3006716A1 - Verfahren zum elektroplattieren

Info

Publication number: DE3006716A1
Application number: DE19803006716
Authority: DE
Inventors: Lawrence Ames Grenon
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1979-03-02
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1980-09-11
Also published as: JPS55118680A

Description

Verfahren zum Elektroplattieren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Elektroplattieren und bezieht sich insbesondere auf ein solches Verfahren, bei welchem eine Metallschicht auf eine Oberfläche einer fotoelektrischen Einrichtung plattiert wird, ohne daß ein externer elektrischer Kontakt mit der Oberfläche verbunden wird.
Fotoelektrische Einrichtungen und insbesondere Solarzellen bestehen oft aus einem Halbleiterplättchen, welches einen einzigen großen pn-Übergang bildet. Eine elektromagnetische Strahlung wie das Sonnenlicht, welches auf diesen Übergang auftrifft, erzeugt elektrische Träger in der Einrichtung und somit einen elektrischen Strom. Für eine nützliche Anwendung muß dieser Strom gesammelt und in eine externe Schaltung eingespeist werden. Die Sammlung erfolgt durch Metallmuster, die in ohm'schen Kontakt mit den zwei Seiten des pn-Vberganges stehen. Da die fotoelektrische Einrichtung hohe Ströme bei sehr geringer Spannung erzeugt (welche im wesentlichen der Vorwärtsspannung des pn-Überganges entspricht), ist es notwendig, daß das Metallmuster einen Pfad geringen Widerstandes bildet, um die Widerstandsverluste des erzeugten Stromes auf ein Minimum zu begrenzen. Das metallische Muster muß in seinen geometrischen Ausmaßen insbesondere auf der Vorderseite der fotoelektrischen Einrichtung begrenzt sein, um die Menge derjenigen einfallenden Strahlungsenergie auf ein Minimum zu begrenzen, welche durch das Metall abgefangen wird. Die abgefangene Strahlung geht nämlich für die Zwecke der Stromerzeugung verloren. Deshalb ist es erforderlich, daß das Metallmuster auf der Vorderseite aus schmalen Steifen eines besonders gut leitfähigen Materials besteht. Diese Forderung gilt bei sogenannten Konzentratorzellen in verstärktem Maß, bei denen die einfallende Strahlung konzentriert wird und um ein Vielfaches höher sein kann als die normale einfallende Strahlung. Da der erzeugte Strom in etwa der einfallenden Strahlung proportional ist, kann es zu sehr hohen Stromdichten führen, so daß der Notwendigkeit eines sehr geringen Widerstandes des metallischen Musters eine besondere Bedeutung zukommt.
Bei der Herstellung einer flachen, plattenförmigen Siliziumsolarzelle, welche für einen bestimmten Betrieb in der Sonne ausgebildet ist, kann ein zufriedenstellendes Metallmuster dadurch erreicht werden, daß eine dünne, entsprechend gemusterte Schicht aus einem ohm'schen Kontakt sowie ein Sperrschichtmaterial aufgebracht werden und anschließend durch Tauchlöten weiterbehandelt werden. Durch.das Tauchlöten wird ein dicker Leiter mit geringem Widerstand hergestellt, der für viele Anwendungsfälle ausreichend ist.
Das Lötmaterial selbst hat jedoch keinen hinreichend geringen Widerstand, um zufriedenstellende Konzentratorzellen zu fertigen. Es ist daher ein Material mit besserer ~leitfähigkeit wie Silber oder Kupfer erforderlich. Bisher gibt es jedoch kein zufriedenstellendes, hinreichend wirtschaftliches und mit einem ausreichenden Wirkungsgrad ausgestattetes Verfahren, um dicke Schichten aus Materialien mit ausreichender ~leitfähigkeit zu erzeugen. Im Vakuum ausgeführte Verfahren wie Sprühen oder Verdampfen erfordern einen viel zu großen zeitlichen und finanziellen Aufwand.
Ein nicht elektrisches Plattieren ist deshalb nicht zufriedenstellend, weil es kein zufriedenstellendes nicht elektrisches Bad für das Plattieren von Silber oder Kupfer gibt.
Außerdem haben alle herkömmlichen elektrolytischen Verfahren erhebliche Nachteile. Um beispielsweise eine dicke Schicht aus Silber auf den dünnen ohm'schen Kontakt und ein Sperrschichtmaterial aufzubringen, muß ein elektrischer Kontakt zu dem Material hergestellt werden, welches dann als eine der Elektroden beim Plattieren arbeitet. Wenn der Kontakt mit dem Material an einer einzigen Stelle oder an einer endlichen Anzahl von diskreten Stellen hergestellt wird, ergibt sich jedoch ein starker Spannungsabfall von dem Kontakt oder den Kontakten zu den auf Abstand angeordneten Teilen des Metallmusters. Dieser hohe Widerstand führt normalerweise zu einem hohen spezwischen Widerstand der dünnen Schicht des Materials.
Wenn das Plattieren beginnt, führt der Widerstand dazu, daß weiter entfernte Teile des Metallmusters auf einem geringeren Potential liegen als solche Teile des Musters, welche benachbart zu den Kontakten angeordnet sind. Dies führt dazu, daß die plattierte Schicht stark ungleichförmig in ihrer Dicke wird, da die Plattierungsgeschwindigkeit der angelegten Spannung proportional ist, die eine Plattierstromdichte bewirkt, welche der jeweils angelegten Spannung zugeordnet ist. Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht darin, sehr langsam und mit sehr geringen Strömen zu plattieren. Wenn die Ströme sehr niedrig sind, sind die ohm'schen Spannungsabfälle entsprechend gering, und die Potentialveränderungen oder Potentialschwanuungen über das Plättchen können zumindest verhältnismäßig klein gehalten werden. Diese Lösung wäre jedoch wirtschaftlich nicht zu akzeptieren, weil der Plattiervorgang zu langsam abläuft. Die Probleme bei der elektrolytischen Plattierung werden noch deutlicher, wenn man versucht, gleichzeitig beide Seiten des Halbleiterplättchens zu plattieren, unabhängig davon, ob die rückwärtige Metallisierung in einem Muster vorliegt oder nicht.
Der Erfindung liegt die i u f g a b e zugrunde, ein Verfahren zum Plattieren der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, bei welchem mit besonders geringem Aufwand und zugleich hoher Arbeitsgeschwindigkeit eine besonders gleichförmige Metallschicht auf beiden Seiten einer Einrichtung erreicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.
Nach dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung wird die fotoelektrische Einrichtung in elektrolytisches Plattierbad gebracht, es wird eine Oberfläche der Einrichtung elektrisch kontaktiert und es wird daran eine Spannung angelegt, während gleichzeitig die entgegengesetzte Oberfläche der Einrichtung mit Hilfe einer entsprechenden Strahlungsquelle mit einer Strahlung beaufschlagt wird, auf welche die fotoelektrische Einrichtung anspricht. Die Stromerzeugung in der Einrichtung, die in Reaktion auf die Bestrahlung erfolgt, liefert einen gleichförmigen Stromfluß, der seinerseits wiederum eine besonders gleichförmige Elektroplattierung mit einer gleichförmig verteilten Metallschicht gewährleistet.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine gleichzeitige und gleichförmige Plattierung von beiden Seiten einer fotoelektrischen Einrichtung. Die Plattierung wird auf den zwei Oberflächen jeweils unabhängig gesteuert, indem unabhängig die Lichtintensität und die Spannung entsprechend eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Plättchens mit einem Fotoelement, Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Methode und Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Durchführung einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Fig. 1 veranschaulicht ein Fotoelement 10, welches beispielsweise in Form einer Silizium-Solarzelle ausgebildet sein kann. Die Solarzelle besteht im wesentlichen aus einem Siliziumplättchen 11 mit einem Durchmesser von 75 mm, auf dem ein einziger großer pn-Übergang ausgebildet ist. Beide Seiten des Übergangs sind metallisiert, und zwar mit einem metallischen Muster 12, welches einen ohm'achen Kontakt mit der Vorderseite des Plättchens herstellt. Das Metallmuster, welches für eine große Anzahl von möglichen Mustern repräsentativ ist, ist so ausgebildet, daß ein Pfad mit einem geringen Widerstand für die Sammlung des Stromes vorhanden ist, welcher an einer beliebigen Stelle auf der Oberfläche der Zelle erzeugt wird. Außerdem wird dadurch das Maß der einfallenden Strahlung auf ein Minimum gebracht, welches durch das Metall abgefangen wird und somit für Zwecke der Stromerzeugung verloren geht.
Bei der Herstellung der Solarzelle 10 wird auf dem Siliziumplättchen mit Hilfe der Diffusion oder der Ionenimplantation der pn-Übergang ausgebildet, und es wird die Oberfläche mit einem Antireflexbelag wie Siliziumnitrid oder einem anderen Isoliermaterial ausgestattet. Es wird dann in dem Belag eine Öffnung in der Form des gewünschten Metallmusters ausgeätzt. Diese Öffnung bietet die Möglichkeit, die Oberfläche auf einer Seite des pn-Übergangs elektrisch zu kontaktieren. Der Herstellungsvorgang wird dann dadurch fortgesetzt, daß in herkömmlicher Weise durch Eintauchen eine dünne Schicht aus Palladium auf dem Plättchen und durch die Öffnung erzeugt wird. Etwa 50 angström Palladiummaterial werden bei diesem Vorgang aufgebracht. Bei einem derartigen Vorgang, bei welchem Palladium auf ein derartiges Substrat durch platieren aufgebracht wird, gelangt das Palladium nur auf das freigelegte Silizium, jedoch nicht auf das Siliziumnitrid. Das Plättchen wird dann bei einer Temperatur von etwa 300 °C über eine Zeit von 15 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert, um Palladiumsilizid zu bilden. Die Bildung des Silizids gewährleistet einen guten ohm'schen Kontakt mit der freien Siliziumoberfläche. Nach der Sinterung wird eine zusätzliche Schicht von etwa 300 ingætröm aus Palladium auf das Plättchen aufplatiert, und zwar mit einem herkömmlichen nicht elektrischen Verfahren, und es wird anschließend das Plättchen in derselben Weise gesintert, wie es oben bereits beschrieben wurde. Die Palladiumschicht bildet eine Sperrschicht, welche verhindert, daß anschließend Metalle in das Silizium eindringen, weil durch einen derartigen Eindringvorgang die Lebensdauer der Minoritätsträger der Zelle nachteilig beeinflußt werden könnte oder die Leistungsfähigkeit der Zelle in anderer Weise gestört werden könnte. Es können andere Materialien wie Platin dazu verwendet werden, das Silizid zu bilden, und es können andere Materialien wie Nickel oder Chrom dazu verwendet werden, als Sperrmetan zu dienen.
Das mit den Palladiumschichten ausgestattete Plättchen ist dazu vorbereitet, mit einer dicken Silberschicht plattiert zu werden, um den Widerstand entlang dem Metallmuster zu vermindern. Die Fig. 2 veranschaulicht schematisch eine Anordnung zum plattieren des Silbers gemäß der Erfindung. Das Plättchen 14, welches nach der obigen Beschreibung vorbereitet wurde, wird in ein Plattierbad 16 eingetaucht. Das Bad ist ein herkömmliches elektrolytisches Silberplattierbad, beispielsweise eine wässrige Lösung von Silberkaliumcyanid. Das Bad 16 ist in einem geeigneten Behälter 18 angeordnet. Eine Strahlungsenergiequelle 20 ist so angeordnet, daß das Plättchen 14 mit einer Strahlungsenergie beaufschlagt wird, wie es durch das Bezugszeichen 22 angedeutet ist. Wenn das Plättchen 14 eine Siliziumsolarzelle ist, kann als Strahlungsenergiequelle 20 beispielsweise eine Quarzhalogenlampe verwendet werden, welche eine Strahlungsenergie liefert, die allgemein dem Sonnenspektrum ähnlich ist, für welches die Siliziumsolarzelle fotoelektrisch empfindlich ist.
Der Behälter muß aus einem in bezug auf das Bad 16 chemisch beständigen Material bestehen und muß außerdem für die Strahlungsenergie 22 durchlässig sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Plättchen horizontal im Behälter 18 angeordnet und von einer Stelle oberhalb des Bades aus bestrahlt werden. Der Behälter 18 braucht dann nicht für die Strahlung durchlässig zu sein. Um gemäß der Darstellung Silber auf ein einzelnes Siliziumplättchen zu plattieren, ist ein Quarzbecher ein geeigneter Behälter 18.
Eine Silberplatte 24 löst sich in dem Bad auf und hält das Bad während des Plattiervorganges mit Silber gesättigt.
Der Plattiervorgang wird ausgeführt, indem die Energiequelle 20 eingeschaltet wird, so ~daß Strahlungsenergie 22 auf das Plättchen auftrifft. Die auf dem Plättchen auftreffende Strahlungsenergie erzeugt einen Strom in der Solarzelle.
Die Plattierungsgeschwindigkeit ist eine Funktion der Strahlungsintensität, die auf das Plättchen auftrifft, da der erzeugte Strom der Strahlungsintensität proportional ist. Um optimale Plattierungsergebnisse zu erreichen, sollte die Intensität so eingestellt werden, daß etwa 3 Mikrometer Silber in einer Minute abgelagert werden. Wenn die Plattierung wesentlich schneller ausgeführt wird, haftet das Silber nicht gut, so daß die Tendenz der Ablösung steht.
Wenn die Plattierung mit erheblich geringerer Geschwindigkeit abläuft, entsteht zwar eine dünne Schicht hoher Qualität das Verfahren wird dann jedoch zu teuer, und zwar wegen des erheblichen Zeitaufwandes. Eine Silberschicht von 5 bis 25 Mikrometer Dicke wird im allgemeinen für eine Konzentratorzelle zweckmäßig sein, wobei die genaue Dicke von der Anwendung, der Zellengröße, der Geometrie des Musters und dergleichen abhängt.
Die Fig. 3 zeigt einen alternativen Aufbau zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert eine Erzeugung von noch gleichmäßigeren Schichten auf der Vorderseite des Plättchens und ist zugleich dazu in der Lage, gleichförmige Schichten auf der Rückseite des Plättchens zu erzeugen. Die Schicht auf der Rückseite des Plättchens kann entweder sich über die gesamte Fläche der Rückseite erstrecken oder kann gegebenenfalls gemustert sein. In beiden Fällen kann die Oberfläche in derselben Weise wie die Vorderseite vorbereitet werden, und zwar mit Schichten aus Palladiumsilizid und Palladium. Eine elektrische Gleichspannungsquelle 26 ist zwischen der Silberelektrode 24 und der Rückseite des Plättchens 14 angeordnet. Die positive Klemme der Spannungsquelle 26 ist mit der Silberelektrode 24 verbunden, und die negative Klemme ist mit der Rückseite oder der P-Seite des Plättchens 14 verbunden. Wenn jetzt die Vorderseite des Plättchens 14 bestrahlt wird und eine Vorspannung von der Spannungsquelle 26 angelegt wird, erfolgt eine gleichzeitige Plattierung auf der Vorderseite und auf der Rückseite des Plättchens 14. Die Geschwindigkeit der Plattierung auf der Vorderseite und auf der Rückseite hängt jeweils unabhängig und in steuerbarer Weise davon ab, wie die Strahlungsintensität bzw. der externe Strom eingestellt werden. Die Strahlungsintensität wird gemäß den obigen Erläuterungen auf einen optimalen Wert gebracht.
Eine optimale Plattierung auf der Rückseite des Plättchens wird mit einer externen Vorspannung erreicht, die einen externen Vorspannungsstrom zwischen 0,5 und 1,5 Ampere erzeugt. Diese Ströme gelten für einen repräsentativen Solarzellendurchmesser von 75 mm und müssen für Zellen mit anderer Größe oder für eine Mehrzahl von Zellen entsprechend angepaßt werden. Wenn die Vorderseite der Zelle bestrahlt wird und die externe Vorspannung auf etwa 50 Milliampere oder weniger vermindert wird, läuft der Plattiervorgang auf der Vorderfläche normal weiter, während hingegen auf der Rückseite des Plättchenskeine Plattierung erfolgt.
Die Bestrahlung der Vorderseite verbessert die Gleichförmigkeit der Plattierung auf der Rückseite und überwindet alle die Schwierigkeiten, welche mit dem ohm'schen Spannungsabfall durch die Palladiumschicht zu Punkten verbunden sind, welche auf Abstand von dem elektrischen Kontakt angeordnet sind.
Das erfindungsgeiäße Verfahren wurde oben unter besonderer Bezugnahme auf das Plattieren einer Silberschicht beschrieben.
Das Verfahren arbeitet jedoch in gleicher Weise für die Plattierung anderer Materialien wie Kupfer oder Mischungen aus Zinn und Nickel. Kupfer kann aus einem wässrigen Bad von gupferkaliumcyanid titriert werden. Gemische aus Zinn und Nickel können aus einem wässrigen Bad plattiert werden, welches Zinnchlorid, Nickelchlorid, Amonhydroxid und Ämonfluorid enthält. Die Zinn-Nickel-Gemische haben Anwendungen als Schutzkappe über anderen Metallschichten zur Absicherung gegen Umwelteinflüsse gefunden. Bei allen diesen aufgebrachten Metallen ist es notwendig, die optimale Plattierungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Diese hängt weitgehend von der darunter angeordneten Oberfläche ab.
Während die obige Beschreibung sich insbesondere auf Siliziumsolarzellen bezieht, ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Fotoelemente oder fotoelektrische Elemente können auch aus anderen Materialien als Silizium hergestellt werden und können gegebenenfalls nach entsprechenden erforderlichen Abwandlungen beispielsweise in der Quelle der verwendeten Strahlungsenergie verwendet werden. Das Verfahren arbeitet jedoch nicht, wenn kein Element vorhanden ist, welches fotoelektrisch anspricht. Wenn nur ein Siliziumplättchen ohne pn-Übergang in die in den Figuren 2 oder 3 dargestellte Anordnung eingebracht würde, erfolgt kein Plattieren auf der bestrahlten Oberfläche.
Leer seite

Claims

Patentanspruchc 1. Verfahren zur elektrolytischen Aufbringung von Metall auf größere Oberflächen einer fotoelektrischen Einrichtung mit einem pn-Übergang, wobei eine dieser Oberflächen einen ersten leitfähigkeitstyp aufweist und wenigstens ein Teil einer zweiten Oberfläche von entgegengesetztem Iseitfähigkeitstyp ist, wobei die fotoelektrische Einrichtung in ein Plattierbad eingetaucht wird, welches Ionen des aufzubringenden Metalls enthält, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß die Oberfläche mit dem ersten leitfähigkeitstyp elektrisch kontaktiert wird, daß eine Anode (24) in das Plattierbad eingetaucht wird und daß eine Spannung (26) zwischen die Oberfläche mit dem ersten teitfähigkeitstyp und die Anode angelegt wird, so daß dadurch ein Stromkreis durch das Bad geschlossen wird, und daß der Abschnitt der zweiten Oberfläche mit entgegengesetztem Ieitfähigkeitstyp mit Hilfe einer entsprechenden Strahlungsquelle mit Strahlungsenergie QO, 22) bestrahlt wird.
2. Verfahren zur Aufbringung von Metall auf die zwei größeren Oberflächen einer Siliziumsolarzelle mit einem pn-Übergang, welche eine Antireflexbeschichtung aufweist, die über einer ersten der größeren Oberfläche angeordnet ist, wobei die erste größere Oberfläche auf einen ersten Ieitfähigkeitstyp dotiert ist, wobei Teile der ersten größeren Oberfläche durch Öffnungen in der Antireflexbeschichtung freigelegt sind und wobei eine zweite größere Oberfläche vorhanden ist, die auf einen zweiten Ieitfähigkeitstyp dotiert ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Schicht aus Metallsilizid aufgebracht wird, indem eine Schicht aus einem Material aufgebracht wird, aus welchem Metallsilizid gebildet wird, und zwar auf die zweite der größeren Oberflächen und auf die Teile der ersten größeren Oberfläche, daß die Anordnung aufgeheizt wird, so daß ein Metallsilizid in Kontakt mit der Solarzelle gebildet wird, daß ein Sperrschichtmetall oberhalb des Metallsilizids aufgebracht wird, daß ein elektrolytisches Plattierbad (16) verwendet wird, welches Ionen des aufzuplattierenden Metalls enthält, daß die Solarzelle (14) in das elektrolytische Plattierbad eingetaucht wird, daß die erste Oberfläche der Solarzelle mittels einer entsprechenden Strahlungsquelle mit einer Strahlungsenergie (20, 22) bestrahlt wird, auf welche die Solarzelle fotoelektrisch anspricht, daß die zweite Oberfläche der Solarzelle kontaktiert wird, daß eine Anode (24) in das Bad eingetaucht wird, daß eine Spannung (26) zwischen der zweiten Oberfläche und der Anode angelegt wird, so daß dadurch ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird, und daß die Spannung (26) und die Intensität der Strahlungsenergie (20, 22) derart eingestellt werden, daß unabhängig die Plattiergeschwindigkeit auf den größeren Oberflächen gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß das Material aus welchem Metallsilizid gebildet wird, aus derjenigen Gruppe ausgewählt wird, die aus Palladium und Platin besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß bei dem Aufbringen des Sperrschichtmetalls eine Schicht aus Palladium mit Hilfe eines nicht elektrischen Verfahrens aufgebracht wird,
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c hn e t, daß das aufzuplattierende Metall aus derjenigen Gruppe ausgewählt wird, welche aus Silber, Kupfer und Gemischen aus Zinn und Nickel besteht.
6. Verfahren zur aleatrolytischan Aufbringung von Metall auf größere Oberflächen einer fotoelektrischen Einrichtung mit einem pn-Vbergang, welche eine erste Oberfläche vom P-Typ und eine zweite Oberfläche vom N-Typ aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung (14) und eine Elektrode (24) in ein Plattierbad (16) eingetaucht werden, welches Ionen des Metalls enthält, welches abgelagert werden soll, daß ein elektrischer Kontakt mit der ersten Oberfläche vom P-Typ und mit der Elektrode (24) hergestellt wird, daß zwischen diesen beiden Teilen eine Spannung (26) angelegt wird, daß die erste Oberfläche vom P-Typ stärker negativ vorgespannt wird als die Elektrode und daß die zweite Oberfläche vom N-Typ mit einer Strahlungsenergie (20, 22) aus einer entsprechenden Energiequelle bestrahlt wird.