TW201445750A - 具有過鍍之自站立金屬物件 - Google Patents
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Abstract
公開一種自站立金屬物件及製造方法，其中該金屬物件係於一導電心軸上電鑄。該心軸具有具一預成型圖案之一外表面層。該外表面層具有一介電區及一曝露金屬區。該金屬物件具有形成於該導電心軸之該外表面層之該曝露金屬區上之複數個電鑄元件。一第一電鑄元件具有形成於該心軸之該外表面層上方之一過鍍部分。該金屬物件經組態以用作一光伏打電池之電導管，及當自該導電心軸分離時形成一單件自站立工件。
Description
本申請案主張以「Free-Standing Metallic Article with Overplating」為標題並於2013年12月23日申請之美國專利申請案第14/139,705號之優先權，該案係以「Free-Standing Metallic Article for Semiconductors」為標題並由Babayan等人於2013年3月13日申請之美國專利申請案第13/798,123號之部分接續案，該兩案均由本申請案之受讓者擁有並以引用的方式併入本文。
本發明係有關於一種具有過鍍之自站立金屬物件。
太陽能電池係將光子轉化為電能之裝置。由電池產生之電能經由耦接至半導體材料之電接觸收集，並安排路線通過與模組中之其他光伏打電池之互連。太陽能電池之「標準電池」模型具有半導體材料，用於吸收入射太陽能並將其轉化為電能，放置於抗反射塗料(ARC)層下方及金屬背板上方。一般利用燒穿糊製造至半導體表面之電接
觸，該燒穿糊係經加熱以使糊擴散穿過ARC層並接觸電池之表面的金屬糊。該糊基本上經圖案化為一組指狀物及匯流條，隨後利用帶將其等鉛焊至其他電池以建立模組。另一類太陽能電池具有夾在透明導電氧化物層(TCO)之間之半導體材料，隨後以最終導電糊層塗覆，其亦依照指狀物/匯流條圖案予以組態。
於此兩類電池中，一般為銀之金屬糊用於支援電流沿水平方向(平行於電池表面)流動，進而容許製造太陽能電池之間之連接以建立模組。太陽能電池金屬化最常見係透過將銀糊篩網印刷至電池上、固化該糊及隨後鉛焊跨過篩網印刷匯流條之帶實現。然而，銀相對於太陽能電池之其他組件要昂貴，且在總費用中占有高百分比。
為降低銀費用，本技藝已知用於金屬化太陽能電池之替代方法。例如，已嘗試透過將銅直接電鍍至太陽能電池上以用銅代替銀。然而，銅電鍍之缺點係電池受銅污染，影響可靠性。當直接電鍍至電池表面時，電鍍生產量及產率亦會由於電鍍所需之步驟繁多而成為問題，如沈積晶種層、施塗遮罩及蝕刻或鐳射刻除電鍍區域以形成所需之圖案。用於在太陽能電池上形成電導管之其他方法包括採用平行線或聚合片包封導電線之排列並將其等鋪設至電池上。
揭示一種自站立金屬物件及製造方法，其中該金
屬物件係於導電心軸上電鑄。該心軸具有具預成型圖案之外表面層。該外表面層具有介電區及曝露金屬區。該金屬物件具有形成於導電心軸之外表面層之曝露金屬區上之複數個電鑄元件。第一電鑄元件具有形成於心軸之外表面層上方之過鍍部分。該金屬物件經組態以用作光伏打電池之電導管，且當自導電心軸分離時形成單件自站立工件。
100、102、300、400、900、1052、1150‧‧‧心軸
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110、112、115、310、410、430、440‧‧‧圖案元件
150、152、154、610、620、
750、800、850、925、935、945、1000、1050、1100‧‧‧電鑄元件
160‧‧‧鎳層
180、550、555‧‧‧金屬物件
190‧‧‧相交元件
320‧‧‧金屬心軸基部
330‧‧‧介電層
420‧‧‧釋放層
500a、500b‧‧‧金屬層
510‧‧‧實質平行指狀物
510、520‧‧‧指狀物
512、522、927‧‧‧底表面
530‧‧‧框架元件
560‧‧‧互連元件
570‧‧‧第一方格區
580‧‧‧第二區
590‧‧‧電導管
615、625‧‧‧頂表面
622‧‧‧塗層
700‧‧‧示例性心軸
710、910‧‧‧外表面層
712‧‧‧曝露金屬區
714‧‧‧介電區
720‧‧‧金屬基板
752‧‧‧過鍍部分
754‧‧‧柄部/頂表面
760‧‧‧高度
765‧‧‧總高度
855‧‧‧底轉角
912a、912b、912c‧‧‧金屬區
914‧‧‧周圍介電區
920、930、940‧‧‧模板金屬
937‧‧‧柄部
942‧‧‧上表面
947‧‧‧凹面底表面
1010‧‧‧成塊導體(材料)
1020、1030‧‧‧障壁層
1040‧‧‧層
1060、1070‧‧‧銅層
1080‧‧‧焊料(層)
1120‧‧‧邊緣區
1200‧‧‧流程圖
1210-1260‧‧‧步驟
P‧‧‧間距
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度
本文描述之本發明之各態樣及實施例可單獨或彼此組合使用。現將參照附圖描述該等態樣及實施例。
圖1顯示在一實施例中之示例性電鑄心軸之透視圖。
圖2A至2C描繪在製造自站立電鑄金屬物件中之示例性階段之橫截面視圖。
圖3提供導電心軸之一實施例之橫截面視圖。
圖4提供導電心軸之另一實施例之橫截面視圖。
圖5A至5B係金屬物件之兩實施例之俯視圖。
圖5C係圖5B之截面A-A之橫截面視圖。
圖5D至5E係圖5B之橫截面之又一實施例之部分橫截面視圖。
圖5F至5G係具有互連元件之金屬物件之實施例之俯視圖。
圖6A至6B係於某些實施例中之頂表面具客製化特徵部之之電鑄元件之豎直橫截面。
圖7A至7B顯示示例性心軸及具有過鍍部分之相
應電鑄元件之橫截面視圖。
圖8顯示過鍍形狀之其他實施例。
圖9提供可電鍍至電鑄心軸上之模板金屬之實施例及可製造之電鑄工件之實施例之橫截面視圖。
圖10A至10B係可電鍍於電鑄元件上之示例性層體之橫截面視圖。
圖11A至11C係電鑄元件之橫截面視圖，其中邊緣部分在將該元件自心軸移除前經蝕刻。
圖12係形成具有過鍍部分之金屬物件之示例性方法之流程圖。
太陽能電池之金屬化習慣上係利用篩網印刷於電池表面上之銀糊，及利用焊料塗覆帶之電池間互連達成。就指定之金屬導管縱橫比而言，電阻與其佔用面積成反比。因此，電池金屬化或電池間互連設計通常在陰影與電阻之間有所取捨，以達成最優化之太陽能電池模組功率輸出。本發明之金屬物件可用於代替習知銀糊及焊料塗覆帶且具有容許解耦習慣上需要在功能要求之間作出取捨之因素的可適應特徵部。該等金屬物件包括過鍍部分，該等過鍍部分可包括增強其作為光伏打電池之電導管的性能之各種特徵部及層體。
於Babayan等人之美國專利申請案第13/798,123號中，將半導體(如光伏打電池)之電導管製作成電鑄自站立
金屬物件。其他電導管亦揭示於Babayan等人於2013年11月13日申請之以「Adaptable Free-Standing Metallic Article for Semiconductors」為標題之美國專利申請案第14/079,540號；及Brainard等人於2013年11月13日申請之以「Free-Standing Metallic Article With Expansion Segment」為標題之美國專利申請案第14/079,544號中，該兩案均由本申請案之受讓者擁有且以引用的方式併入本文。金屬物件自太陽能電池分離製造且可包括可作為單件工件穩定轉移且與半導體裝置輕易對齊之多個元件，如指狀物及匯流條。於電鑄製程中，金屬物件之元件相互整合地形成。金屬物件係於電鑄心軸中製造，產生針對太陽能電池或其他半導體裝置予以定製之圖案化金屬層。例如，金屬物件可具有方格線，其等具有使太陽能電池之陰影最小化之高對寬縱橫比。金屬物件可代替用於電池金屬化、電池間互連及模組製造之習知匯流條金屬化及帶架線。將光伏打電池之金屬化層體製造成可在加工步驟之間穩定轉移之獨立組件的能力於材料費用及製造上提供各種優勢。
圖1描繪在美國專利申請案第13/798,123號之一實施例中之示例性電鑄心軸100之一部分之透視圖。心軸100可由導電材料製成，如不鏽鋼、銅、陽極化鋁、鈦或鉬、鎳、鎳鐵合金(例如，不脹鋼(Invar))、銅或此等金屬之任何組合，且可設計成具有充足面積以容許高電鍍電流及支援高生產量。心軸100具有外表面105，其具有包括圖案元件110及112且可針對計劃製造之電導管元件之所需形狀予以
客製化之預成型圖案。在此實施例中，圖案元件110及112為具有矩形橫截面之凹槽或溝槽，然而在其他實施例中，圖案元件110及112可具有其他橫截面形狀。將圖案元件110及112描繪為形成方格型圖案之相交區段，其中在此實施例中，平行線組彼此垂直相交。
圖案元件110具有高度「H」及寬度「W」，其中高對寬比定義為縱橫比。透過將圖案元件110及112用於心軸100中以形成金屬物件，可針對光伏打應用定製電鑄金屬零件。例如，縱橫比可依需要介於約0.01與約10之間，以滿足太陽能電池之陰影限制。
圖案元件之縱橫比以及橫截面形狀及縱向佈局可經設計以滿足所需規格，如電流容量、串聯電阻、陰影損失及電池佈局。可使用任何電鑄製程。例如，可藉由電鍍覆製程形成金屬物件。特定言之，因電鍍覆基本上為各向同性製程，故利用圖案心軸限制電鍍覆以客製化零件之形狀係使效率最大化之重要改良。此外，雖然當放置在半導體表面時某些橫截面形狀可能不穩定，但可透過心軸之使用而製得之客製化圖案容許諸如互連線之特徵部為此等導管提供穩定性。在一些實施例中(例如)預成型圖案可經組態為具有相交線之連續方格。此組態不僅將機械穩定性提供至形成方格之複數個電鑄元件，且亦因電流分佈於更多導管而提供低串聯電阻。方格型結構亦可提高電池之穩健性。例如，若方格的一些部分損壞或不工作，則電流可由於存在方格圖案而在損壞區域周圍流動。
圖2A至2C係如美國專利申請案第13/798,123號所揭示在使用心軸製造金屬層工件中之示例性階段之簡化橫截面視圖。於圖2A中，提供具有圖案元件110及115之心軸102。圖案元件115具有漸縮之豎直橫截面，心軸102之外表面105變寬。漸縮豎直橫截面可提供某些功能益處，如增加金屬之量以改良導電性，或輔助電鑄工件自心軸102移除。心軸102應受電鑄製程，其中如圖2B所示，示例性電鑄元件150、152及154形成於圖案元件110及115內。電鑄元件150、152及154可為(例如)純銅或銅之合金。在其他實施例中，可首先將鎳層電鍍至心軸102上，接著電鍍銅，如此一來，鎳提供阻止最終半導體裝置受銅污染之障壁。可視情況將另一鎳層電鍍於電鑄元件之頂部上以囊封銅，如在圖2B中在電鑄元件150上之鎳層160所描繪。在其他實施例中，可依需要使用各種金屬將多個層電鍍於圖案元件110及115內，以達成計劃製造之金屬物件之所需性質。
在圖2B中，將電鑄元件150及154顯示為形成與心軸102之外表面105平齊。電鑄元件152圖示可過鍍元件之另一實施例。就電鑄元件152而言，電鍍覆持續直至金屬延伸至心軸102之表面105上方。一般將由於電鑄之各向同性屬性而形成圓化頂部之過鍍部分可用作把手以促進電鑄元件152自心軸102抽出。電鑄元件152之圓化頂部亦可在光伏打電池中提供光學優點(例如)成為反射性表面以輔助光收集。在未顯示之其他實施例中，除形成於預成型圖案110及115內之彼等物外，金屬物件可具有形成於心軸表面105之
頂部上之部分，如匯流條。
在圖2C中，將電鑄元件150、152及154自心軸102移除成為自站立金屬物件180。注意圖2A至2C展示三種不同類型的電鑄元件150、152及154。在各實施例中，在心軸102內之電鑄元件可全為同一類型，或可具有電鑄圖案之不同組合。金屬物件180可包括如可藉由圖1之交叉構件圖案112形成之相交元件190。相交元件190可協助將金屬物件180製成單件自站立工件，以使其可輕易轉移至其他加工步驟，同時保持個別元件150、152及154彼此對齊。其他加工步驟可包括自站立金屬物件180之塗覆步驟及將其合併至半導體裝置中之組裝步驟。透過將半導體之金屬層製成自站立工件，整個半導體總成之製造產率將不受金屬層之產率影響。此外，金屬層可與其他半導體層分離地應受溫度及製程。例如，金屬層可經歷將不影響半導體總成之其餘部分的高溫製程或化學浴。
在將金屬物件180自圖2C中之心軸102移除後，可將心軸102再用於製造其他零件。由於可再使用心軸102，故相較於在太陽能電池上直接實施電鍍覆之現有技術提供顯著費用下降。在直接電鍍覆方法中，遮罩或心軸形成於電池本身上，及因此必須建造在每一電池上並經常破壞。相較於要求圖案化且隨後電鍍半導體裝置的技術，可再使用心軸減少加工步驟且節省費用。在其他習知方法中，將薄印刷晶種層施用至半導體表面以開始電鍍製程。然而，晶種層導致低生產量。相對地，如本文所描述之可
再使用心軸可利用容許高電流容量之厚金屬心軸，藉此導致高電鍍電流及因而獲得之高生產量。金屬心軸厚度可為(例如)介於0.2至5mm之間。
圖3至4為示例性心軸之橫截面視圖，展示各心軸及圖案設計之實施例。在圖3中，平坦金屬心軸基部320具有鋪設在其上之介電層330。在介電層330中建立包括用於形成金屬物件之圖案元件310之圖案。介電層330可為(例如)氟聚合物(例如，Teflon®)、圖案化光阻材料(例如，Dupont Riston®厚膜抗蝕劑)或基於環氧樹脂之光阻材料之厚層(例如，SU-8)。光阻材料經選擇性曝露及移除以顯露所需圖案。在其他實施例中，介電層330可透過(例如)機械加工或精密鐳射切割予以圖案化。在此類具有介電材料包圍之圖案元件之心軸300中，電鍍覆將在金屬心軸基部320處開始自底向上填充圖案元件310之溝槽。介電材料或永久抗蝕劑之使用容許心軸300之再使用，相較於可消耗心軸，其減小製程步驟之數、消耗品費用及增大整個製程之生產量。
圖4顯示主要由金屬製成之另一心軸400，其包括用於形成金屬物件之空腔。當利用金屬心軸400進行電鑄時，圖案元件410之金屬表面容許自溝槽圖案之全部三側進行快速電鍍。在心軸400之一些實施例中，釋放層420，如介電材料或低黏著材料(例如，氟聚合物)可視情況依需要塗覆至心軸400之各區域中。釋放層420可降低電鑄零件對心軸400之黏著，或可將可用於將電鑄物件自心軸剝離之基板(如黏性膜)之黏力減至最小。釋放層420可與金屬心軸同步
經圖案化，或在分開步驟中經圖案化，如透過光阻材料藉由濕式或乾式蝕刻。在金屬心軸中之圖案元件410、430及440可為(例如)凹槽及相交溝槽，且可透過(例如)機械加工、鐳射切割、微影法或電鑄形成。在其他實施例中，若曝露於電鍍溶液之心軸表面經選擇為具有對金屬物件的不良黏著，則心軸400可不需要釋放層420。例如，就將具有第一鎳電鍍層(即，外層)之電鑄零件而言，心軸400可由銅製成。銅對鎳具有低黏著並因此容許所形成之鎳塗覆工件自銅心軸輕易移除。當將釋放層420施用至心軸400時，在金屬中之溝槽圖案元件410之相對深度及介電塗層之厚度可經選擇以儘可能減少形成於圖案元件410內之金屬工件之空隙形成，同時仍支持高電鍍速率。
圖4顯示另一實施例，其中釋放層420已部分延伸至圖案元件430之深度中。此塗層向圖案元件430之延伸可支持圖3之介電包圍圖案元件310與圖4之金屬包圍圖案元件410之間之電鑄速率。釋放層420延伸至圖案元件430中之量可經選擇以達成所需的電鑄速率。在一些實施例中，釋放層420可向圖案元件430中延伸(例如)圖案寬度量之大約一半。具有延伸至溝槽中之釋放層420之圖案元件430可提供在溝槽內之較均一電鍍覆速率及因此，可製造較均勻方格。介電層或釋放層420延伸至溝槽中之量可經修改以使整體電鍍速率及電鍍均勻性最優化。
圖4顯示心軸400之又一實施例，其中圖案元件440具有漸縮壁。漸縮壁在心軸400之外表面405處較寬，以
促進所形成之金屬元件自圖案化心軸移除。在未顯示之其他實施例中，用於本文所描述之任何心軸之預成型圖案的橫截面形狀可包括如，但不限制於，彎曲橫截面、圖案橫截面之轉角帶斜稜、沿圖案之長度之彎曲路徑及區段彼此以各種角彼此相交的形狀。
圖5A及5B圖示可藉由本文所描述之電鑄心軸製造之示例性金屬層500a及500b之俯視圖。金屬層500a及500b包括此處具體化為實質平行指狀物510之電鑄元件，該等指狀物已藉由在導電心軸中之實質平行凹槽形成。金屬層500b亦包括此處具體化為水平指狀物520之電鑄元件，其等與豎直指狀物510相交，其中指狀物510及520以大約直角相交。在其他實施例中，指狀物510及520可以其他角相交，同時仍形成連續方格或網格圖案。金屬層500a及500b亦包括可用作匯流條以自指狀物510及520彙集電流之框架元件530。整合形成為金屬物件之一部分之匯流條可提供製造改良。在本高容量太陽能模組製造方法中，電池連接經常係透過將金屬帶人工鉛焊至電池達成。由於人工操作及鉛焊帶施加於電池上之應力，此做法常常導致電池斷裂或受損。此外，人工鉛焊方法導致高勞動力相關生產費用。因此，正如使用本文所描述之電鑄金屬物件之可行方案，事先形成並連接至金屬化層之匯流條或帶支持低成本自動化製造方法。
框架元件530亦可提供機械穩定性，以使當自心軸移除時，金屬層500a及500b係單件自站立工件。即，金
屬層500a及500b之所以為單件，係因當自光伏打電池或其他半導體總成分開時，其等係單一組件，指狀物510及520保持連接。當計劃將指狀物元件附接至光伏打電池時，框架元件530另可協助維持指狀物元件510與520之間之間隔及對齊。框架元件530於圖5A至圖5B中顯示為延伸跨過金屬層500a及500b之一邊緣。然而，在其他實施例中，框架元件可僅部分延伸跨過一邊緣，或可以多於一邊緣為邊界，或可在邊緣上組態為一或多個耳片，或可駐留於方格本身內。此外，框架元件530可與指狀物510及520同時電鑄，或在其他實施例中可在已形成指狀物510及520後在分開步驟中電鑄。
圖5C顯示在圖5B之截面A-A處取得之金屬層500b之橫截面。在此實施例中，將指狀物510顯示為具有大於1，如約1至約5，及在此圖中如大約2之縱橫比。較寬度大之橫截面高度減小金屬層500b對光伏打電池之陰影作用。在各實施例中，僅一部份指狀物510及520可具有大於1之縱橫比，或半數以上之指狀物510及520可具有大於1之縱橫比。在其他實施例中，一些或所有指狀物510及520可具有小於1之縱橫比。指狀物510之高度「H」可介於(例如)約5微米至約200微米，或約10微米至約300微米之範圍內。指狀物510之寬度「W」可介於(例如)約10微米至約5mm，如約10微米至約150微米之範圍內。平行指狀物510之間之距離具有在各指狀物之中線之間測得之間距「P」。在一些實施例中，該間距可介於(例如)約1mm與約25mm之間。在圖
5B及5C中，指狀物510及520具有不同寬度及間距，但高度大致相等。在其他實施例中，指狀物510及520可具有彼此不同之寬度、高度及間距，或可具有一些相同的特性，或可具有相同之所有特性。該等值依據眾因素予以選擇，如光伏打電池之大小、所需效率之陰影量或將金屬物件耦接至電池之前部或後部。在一些實施例中，指狀物510可具有介於約1.5mm與約6mm之間之間距，及指狀物520可具有介於約1.5mm與約25mm之間之間距。指狀物510及520形成於具有形狀及間隔實質上如同指狀物510及520之凹槽之心軸中。框架元件530可具有如指狀物510及520之相同高度，或可為如圖5C中之虛線指示之較薄工件。在其他實施例中，框架元件530可形成於指狀物元件510及520上方。
圖5C亦顯示指狀物510及520可彼此實質上共面，係因指狀物510及520具有半數以上彼此重疊之其等橫截面區域。相較於彼此上下編織之習知網格，如圖5C中描繪之共面方格可提供較相同橫截面面積之重疊圓形線低的輪廓。金屬層500b之相交共面線亦在電鑄製程期間彼此整合形成，藉此將更大穩健性提供至金屬層500b之自站立物件。即，整合元件形成為一工件而非由分離組件接合在一起。圖5D及5E顯示共面相交元件之其他實施例。在圖5D中，指狀物510於高度上較指狀物520短但定位於指狀物520之橫截面高度內。指狀物510及520各別具有底表面512及522，其等在此實施例中對齊，如以提供供安裝至半導體表面用之平整表面。在圖5E之實施例中，指狀物510具有較指
狀物520大之高度且延伸超出指狀物520之頂表面。指狀物510之半數以上橫截面面積重疊指狀物520之整個橫截面，及因此指狀物510與520如本發明所定義般共面。
圖5F及5G顯示其他實施例，其中電鑄金屬物件支持模組中之光伏打電池之間之互連。常見模組具有串聯連接之許多電池，如介於36至60個之間。該等連接係透過使用焊料塗覆銅帶將一電池之前部附接到下一電池之後部製成。依此方式附接帶需要薄的帶，以使該帶可圍繞電池彎曲而不破壞電池邊緣。因帶已甚為狹窄，故使用薄帶會使電阻增至更大。互連一般亦需要各自分離鉛焊之三個分離帶。在圖5F之實施例中，金屬物件550具有已與第一方格區570整合電鑄之互連元件560。互連元件560具有耦接至方格570之第一末端，且經組態以延伸超出光伏打電池之表面以容許連接至相鄰電池。互連元件560取代在電池之間鉛焊分離帶之需求，藉此降低製造費用及支持可行自動化。在所顯示之實施例中，互連元件560為直線區段，但可採用其他組態。且，互連元件560之數目可依需要變化，如提供多個元件560以減小電阻。可在電鑄後使互連元件560彎曲或成折角，例如以支援電池之間之前至後連接，或可於心軸中經製作以相對方格570成折角。
互連元件560之相對末端可耦接至第二區580，其中第二區580亦可於導電心軸中作為金屬物件550之一部分電鑄。在圖5F中，第二區580經組態為耳片(例如)匯流條，隨後可將其電連接至相鄰電池之電導管590。導管590在此
處經組態為元件陣列，但可採用其他組態。方格570可(例如)用作第一電池之前表面上之電導管，而方格590可為第二電池之後表面上之電導管。在圖5G之實施例中，金屬物件555具有網格以代替匯流條型連接。金屬物件555包括第一區570、互連元件560及第二區590，其等均已電鑄為單一組件，如此一來電池間連接已藉由金屬物件555提供。因此，金屬物件550及555不僅提供在一光伏打電池之表面上之電導管，且亦提供電池之間之互連。
圖6A至6B顯示如美國專利申請案第14/079,540中揭示之示例性電鑄元件610及620之豎直橫截面。橫截面610及620類似於圖2B之電鑄元件150及152，且呈現於圖6A至6B中以展示可合併至本發明之金屬物件之頂表面中之進一步客製化特徵部。在圖6A中，元件610具有矩形橫截面，其具有頂表面615，其中「頂」係指當安裝於光伏打電池上時之光入射表面。頂表面615可經組態以貢獻方格線之光學性質，如增進光反射及藉此增強電池效率。在一些實施例中，紋理化可為蓄意粗糙度以增大用於捕捉光之表面積。該粗糙度可(例如)透過將紋理化圖案合併至電鑄心軸中賦予。即，圖1之預成型圖案110可具有形成於心軸100中之紋理圖案，其中頂表面615可為藉由預成型圖案110之底部製造之表面。在另一實施例中，紋理化可藉由電鑄製程本身製造。在一示例性製程中，可針對快電鑄速率，如1至3μm/分鐘之量級，使用高電鍍覆電流。此快速率可導致電鑄心軸100之外表面105處之曝露表面粗糙。
在其他實施例中，客製組態之頂表面可為在電鑄零件形成後建立之特定表面處理層。例如，圖6B顯示具有在其頂表面625上之塗層622之過鍍元件620。塗層622可包括一或多個金屬層，包括，但不限制於，鎳、銀、錫、鉛錫或焊料。塗層622可(例如)製造平滑表面以改良圓化頂表面625之反射性。將焊料作為塗層施用於頂表面625或615除提供光學益處外亦可協助支援針對黏結進行之焊料回填。
雖然將元件610顯示為具有矩形橫截面及將元件620顯示為具有矩形基部及圓化頂部，但可採用其他橫截面形狀，如半球形或具有圓化倒角之伸長矩形。此等橫截面形狀可貫穿金屬物件相同或在金屬物件之不同區之間變化。可將頂表面之任何彎曲或圓化邊緣用於將入射光偏轉至電池或若在標準太陽能電池模組內，則反射光以支援全內反射。可以諸如銀或錫之高反射性金屬塗覆表面以增強偏轉及反射兩者，藉此將有效網格陰影面積減小至小於其佔用面積。
雖然將本文所揭示之心軸顯示為用於形成單個金屬物件或電鑄元件，但心軸亦可經組態以形成多個物件。例如，心軸可包括形成多於一個金屬物件500a或500b，如針對完整太陽能陣列建立所需數目之電導管方格之圖案。
圖7A顯示具有外表面層710之示例性心軸700，曝露金屬區712及介電區714覆蓋金屬基板720之一部分。可透過將介電塗層施用至基部金屬720，接著圖案化以選擇性
曝露基部金屬建立心軸700。介電材料之圖案化可透過(例如)光微影、鐳射燒蝕、篩網印刷或刻板印刷實施。例如，可將光阻材料施用至經介電材料714之表面，經光掩膜曝露，及隨後顯影以建立圖案化之心軸。曝露金屬區712具有用於確定即將形成之金屬物件之形狀之預成型圖案。在此實施例中，金屬區712係導電心軸之表面且經組態為凹槽，如矩形凹槽。介電區714之介電材料可為有機物，如經氟化或未經氟化之環氧化合物、丙烯酸系化合物、胺基甲酸酯化合物、乙烯基化合物、矽酮化合物或腈化合物及聚合物，或無機物，如二氧化矽、氮化矽、氧化鋁或各種其他玻璃及陶瓷。介電塗層之厚度可在奈米至數百微米之量級，如50nm至300微米。在一些實施例中，介電材料可包括多於一個層。在其他實施例中，金屬及介電材料兩者可由多個層構建。例如，金屬基板720可包括銅及鈦，或銅及鎳，藉由氮化矽及矽酮聚合物或環氧聚合物及基於丙烯酸酯之聚合物之介電層塗覆。用於金屬基板720及介電區714之材料可經選擇以增強心軸700之可再用性。例如，心軸700可藉由重鉻酸鹽處理或可包括低黏著層，如氟化小分子及聚合物、不鏽鋼及鈦以促進心軸之清潔。在其他實施例中，可將介電區714之介電材料自基板720剝開及再施用新介電層，以使基板720之使用期限進一步延長。
圖7A亦顯示電鑄元件750。電鑄元件750形成於曝露金屬區712上，且過鍍至心軸700之外表面層710上。過鍍係延伸超出圖案化介電層之表面之電鑄元件部分。圖7B
顯示當自心軸700分離時之電鑄元件750，其中過鍍部分752具有高度760，其跨越電鑄元件750之總高度765的某一百分比。總高度765包括過鍍部分752之高度760，以及柄部754之高度(如虛線所描繪)。過鍍部分752之高度760可為電鑄元件750之總高度765的某一百分比，其中該百分比可因不同實施例而變化。在一些實施例中，高度760可跨越總高度765的半數以上，如大於50%。在其他實施例中，高度760可包含整個高度765以使不存在柄區。如上文關於圖6A及6B所描述，過鍍組態可由於過鍍部分752之圓化頂表面754而提供光學優點。此外，頂表面754可經設計以協助光之反射以增強太陽能電池之效率。例如，頂表面754可經紋理化以建立朗博(Lambertian)表面，或在其他實施例中，頂表面754可藉由如銀塗覆以增強球面反射。
電鑄之量及在心軸上之曝露金屬區之尺寸決定所形成之電鑄形狀之廣度。金屬之沈積不受心軸約束，藉此容許在外表面層之介電區上方過鍍。在圖6B、7A及7B之實施例中，過鍍部分為大致半球形。圖8提供可形成之過鍍形狀之其他示例性實施例之橫截面。在一實施例中，電鑄元件800為截頭之圓形橫截面形狀，具有較半球大之面積。此類元件800可透過(例如)相較於形成圖7B之半球形過鍍部分752顯著地增大電鑄時間或電流製造。在另一實例中，電鑄元件850具有具圓化轉角之矩形橫截面。此形狀可使用(例如)相較於元件800寬之金屬心軸區製造。底轉角855亦可由於電鑄製程之屬性而被輕微圓化。
可透過使用脈衝電鍍技術、屏蔽陽極或陰極之一部分、修改陽極之形狀及放置、調節陽極/陰極距離及修改撞擊於電鑄零件上之流體流動進一步修改本發明中之過鍍部分之形狀，以使該形狀可變窄及變高，藉此獲得雙曲線或橢圓形及甚至容許伸出電鑄部變窄，進而接近圓錐形狀。在其他實施例中，亦可透過使用多種高度之抗蝕劑對過鍍區予以高度調節。例如，可將較大高度之抗蝕劑放置於開放溝槽之一側，與較低高度之抗蝕劑相對(例如)使圖7A中之曝露部分712之左側上之抗蝕劑714較曝露部分712之右側上之抗蝕劑714厚。在此實例中，過鍍截面將在電鍍區域之一側(即，下側)展示半球形表面，但具有與較厚抗蝕劑相對之平整另一側。此雙重抗蝕劑方法亦可用於建立其他作用(例如)在所製造之零件中之乾淨成孔或壓窩。
圖9圖示其他電鑄實施例，其中可將模板金屬電鍍至心軸900上，以至少部分填充心軸之外表面中藉由曝露金屬區及介電區形成之凹槽。在一實施例中，電鍍模板金屬920以填充藉由曝露金屬區912a及周圍介電區914界定之凹槽，以使模板金屬920與心軸900之外表面層910之頂部大致齊平。電鑄元件925圖示將透過在模板金屬920上過鍍而製造之示例性工件，在該工件中建立平整底表面927。即，由於模板金屬920與外表面層910平齊，故電鑄元件925不存在柄部(例如，圖7B之柄部754)。因此，過鍍部分包含電鑄元件925之整個高度。在另一實施例中，模板金屬930部分填充在曝露金屬區912b上之凹槽以製造電鑄元件935，其具
有相較於當心軸凹槽中不存在模板金屬時圖7B之柄部754短之柄部937。在又一實施例中，模板金屬940輕微過填充於曝露金屬區912c之凹槽中，以使模板金屬940形成具有凸面輪廓之上表面942。結果是，形成於模板金屬940上之電鑄元件945具有凹面底表面947。不平坦之底表面947可提供益處，如當接合至太陽能電池時容許焊料芯吸至電鑄元件945底下，藉此透過增大焊料或其他黏附材料之量增大接點強度。
因此，圖9證實將諸如920、930或940之模板金屬用於電鑄心軸之電鑄區可將特定形狀賦予電鑄元件。模板金屬不僅導電，容許在其上電鑄金屬元件，且亦可具有與電鑄元件之不良黏力，容許移除電鑄物件的同時使模板金屬保留在心軸上。因此，模板金屬可保留在心軸中並在金屬物件已製成且自心軸移除後再次使用。模板金屬可為(例如)鎳、銅、錫、鉛、錫/鉛、銀或金，且可使用標準電鑄技術沈積。在某些實施例中，模板金屬可經選擇以保護心軸材料免受污染或遠離用於電鑄製程中之化學物。模板金屬亦可用於保護介電材料與心軸之曝露金屬部分之間之界面。在其他實施例中，可透過使界面處之第二介電材料圖案化保護圖案化介電材料與心軸基板之間之界面免受污染。模板金屬亦可透過將介電材料鎖在原位助益防止介電材料層離。模板金屬亦可藉由真空塗覆技術沈積以容許沈積將提供低黏著表面之金屬，如鈦及不鏽鋼，藉此促進金屬物件釋放及更佳地保護介電材料與心軸基板之間之界
面。在此情況中，模板金屬可需要第二圖案化步驟以將其限制於心軸之曝露金屬區。用於電鑄中之另一常見基部金屬施用係無電沈積，其常用於在複雜表面幾何形態上放置金屬進行製模。此方法亦可用於建立本文所論述之心軸之基部金屬。
圖10A及10B描述可使用本方法包括於電鑄元件上之各個層。在圖10A中，電鑄元件1000具有成塊導體材料1010，如銅，障壁層1020電鍍至成塊導體1010之頂表面上，及障壁層1030電鍍於成塊導體1010之底表面上。電鑄元件1000之底表面經組態以面向光伏打電池，如提供用於附接之表面。用於障壁層1020及1030之材料防止銅之腐蝕，且可為(例如)鎳、鎳硼、銀、錫或錫鉛合金。電鑄元件1000係透過在心軸中電鍍障壁層1030、在障壁層1020上形成成塊導體1010及隨後電鍍頂障壁層1020製成。因此，障壁層1020及1030包圍成塊導體1010。在其他實施例中，可將其他層1040(以虛線指示)沈積於障壁層1020上。例如，層1040可為焊料，其可在隨後回填並黏結至光伏打電池上之篩網印刷銀指狀物用於製造電鑄元件1000至電池之電接觸。在其他實施例中，層1040可包括反射性材料，如銀或錫，以增強電鑄元件1000之光學性質。例如，由頂表面提供之增強偏轉及反射使金屬物件之有效陰影減小至小於其佔用面積。
圖10B顯示電鑄元件1050之另一實施例，其中焊料經施用至電鑄元件之底表面而非如圖10A中之頂表面。首
先，將初始層1060電鍍於心軸1052之曝露金屬區中。層1060可為錫、鉛或其等任何組合。然後，將銅層1070無電沈積於層1060上，以使層1060及1070實際成為心軸之曝露金屬區之一部分。由於硫酸銅與層1060之金屬(錫、鉛或此兩金屬之任何組合)之間之氧化還原反應，銅層1070得以沈積，並在初始金屬層1060之頂部上留下疏鬆黏附之表面銅層。焊料層1080形成於銅層1070上。銅層1070具有對焊料之不良黏力，並因此促進電鑄元件1050自心軸1052移除。針對此目的在層1060至1080中使用此等金屬與已知方法相反，係因一般將其等與銅之反應視為電鍍覆期間之負面特徵。錫、鉛或此兩者之任何組合與銅之相互作用在錫/鉛之表面上製造黏著極其不良之銅金屬層。在習知電鍍覆操作中，此銅金屬層最終可導致電鍍部分層離，及因此對於習知電鍍應用不合宜。在本發明中，不良黏著之銅層1070變為優點，係因無論在其上沈積任何層(在此情況中為焊料層1080)，其均可建立釋放層。
當自心軸1052移除時，焊料層1080保持附接至電鑄元件1050。隨後可(例如)將障壁層1030電鍍至焊料層1080上，形成如圖10A描述之成塊導體1010之底表面。然而，就電鑄元件1050附接至光伏打電池而言，不需要電鍍此層1030。在此實施例中，隨後形成如具有過鍍組態之成塊導體1010。可將障壁層1020電鍍於成塊導體1010之頂表面上，及在障壁層1020上沈積其他層1040，如反射材料，以獲得所需之表面處理層。隨後可將電鑄元件1050自心軸
1052分離，成為自站立金屬物件。
當元件在心軸中時將焊料，如圖10A中之層1040或圖10B中之層1080施用至電鑄元件相較於在將電鑄物件自心軸移除或剝離後實施焊料電鍍步驟而言提供製造益處。透過在將電鑄物件自心軸移除前於金屬物件之電鑄期間施用焊料，消除製程中用於施用焊料之分離電鍍工具，藉此降低費用。在圖10B之實施例中，僅在電鑄元件1050之底側上施用焊料1080提供另一益處，即容許使用與底表面不同之材料塗覆頂表面。因此，在圖10B中，電鑄元件1050之向光表面(例如，頂表面1020)可相較於附接表面(例如，底表面1030)依不同方式經最優化。在將電鑄元件1050自心軸1052移除前將焊料僅施用至頂表面(例如，層1040)之實施例中，在附接至光伏打電池期間，焊料可隨後回填以塗覆電鑄元件1050之整個表面。
圖11A至11C圖示另一實施例，其中過鍍部分之邊緣表面可經進一步增強。在圖11A中，電鑄元件1100如在任何以上實施例中般形成於導電心軸1150中。在圖11B中，蝕刻電鑄元件1100與心軸1150之外表面1153之間之界面處之邊緣區1120，如在銅電鑄件之情況中使用氯化鐵或過硫酸鋁溶液。在各實施例中，可使用任何濕式化學蝕刻劑，其將選擇性蝕刻電鑄金屬而不破壞心軸表面。結果是，邊緣區1120經回蝕以曝露更多表面積，在該等表面積上已無法施用所需之塗層。在蝕刻後，可如圖11C中所示塗覆或電鍍邊緣區1120。例如，可使用與電鑄元件之其餘部分(例
如，圖10A之頂障壁層1020及底障壁層1030)相同之障壁金屬電鍍邊緣區1120以更完整囊封電鑄元件1100。在其他實施例中，邊緣部分1120可經紋理化或塗覆以改質反射性質。於仍在心軸1150上時電鍍邊緣區1120簡化製造及因此相較於在將金屬物件自心軸移除後實施分離的電鍍步驟降低費用。
圖12係製造光伏打電池之電組件之示例性方法之流程圖1200。首先，在步驟1210中，提供外表面具有介電區及曝露金屬區之導電心軸，如關於圖1至4描述之彼等物。曝露金屬區包括預成型圖案，其可包括凹槽。在一些實施例中，可在步驟1220中以金屬至少部分電鍍凹槽。該金屬可為如圖9中將形狀賦予電鑄元件之模板金屬。在其他實施例中，可以一或多個金屬層電鍍曝露金屬區以促進電鑄工件自心軸釋放、將障壁層提供至成塊導體及/或如圖10A至10B將焊料電鍍至電鑄物件。在步驟1230中，電鑄金屬物件，其中該金屬物件中之至少一電鑄元件具有過鍍部分。該電鑄物件係由用作光伏打電池之電導管之成塊導體材料製成。在步驟1240中，將諸如表面處理層、障壁層及/或焊料之其他層施用於成塊導體上。如關於圖11A至11C所描述，可在步驟1250中實施過鍍部分之邊緣區之蝕刻，及可在蝕刻後將其他層施用至邊緣區。在步驟1260中，將金屬物件自電鑄心軸分離。
可見本文所描述之自站立電鑄金屬物件適用於各種電池類型且可在太陽能電池之製造順序內之不同點插
入。此外，可將電鑄電導管用於太陽能電池之前表面或後表面或兩者上。此外，雖然已主要針對光伏打應用描述本文之實施例，但該等方法及裝置亦可應用於其他電子及半導體應用，如再分配層(RDL)、撓性電路、發光二極體、積體電路及電子電路板之離散組件。此外，流程圖步驟可依不同順序實施，且可包括未顯示之其他步驟。雖然已針對全尺寸電池予以描述，但其等亦可適用於半尺寸或四分之一尺寸電池。例如，金屬物件設計可具有適應僅具有一或兩個倒角轉角而非如在單晶形準方形中具有全部四個倒角轉角之電池之佈局。
雖然已針對本發明之具體實施例詳細描述說明書，但將瞭解熟習本技藝者在理解上述內容後可輕易構思此等實施例之替代方案、變化例及等效內容。本申請案之此等及其他修改方案及變化例可由本技藝一般熟習者實施而不脫離本發明之範圍，該範圍更特定描述於隨附申請專利範圍中。此外，本技藝一般熟練者將瞭解以上描述僅採取實例之方式，且並非意欲限制本發明。
700‧‧‧心軸
710‧‧‧外表面層
712‧‧‧曝露金屬區
714‧‧‧介電區
750‧‧‧電鑄元件
720‧‧‧金屬基板
Claims (21)
- 一種形成一光伏打電池之一金屬物件之方法，該方法包括：提供一導電心軸，其具有包括一預成型圖案之一外表面層，該外表面層具有一介電區及一曝露金屬區；電鑄一金屬物件，該金屬物件包括形成於該導電心軸之該外表面層之該曝露金屬區上之複數個電鑄元件，其中在該複數個電鑄元件中之一第一電鑄元件具有形成於該外表面層上方之一過鍍部分；及將該金屬物件自該導電心軸分離，其中該複數個電鑄元件經互連以使當自該導電心軸分離時該金屬物件形成一單件自站立工件，及其中該複數個電鑄元件經組態以用作該光伏打電池之一電導管。
- 如請求項1之方法，其中該過鍍部分之高度包含該第一電鑄元件之高度之至少半數以上。
- 如請求項1之方法，其中該曝露金屬區係該導電心軸之一表面。
- 如請求項1之方法，其中該曝露金屬區包括：包括錫及鉛中之至少一種之一第一層；及包括銅之一第二層，該第二層在該第一層上。
- 如請求項1之方法，其中該預成型圖案包括在該外表面層中之一凹槽，其中該第一電鑄元件形成於該凹槽中。
- 如請求項5之方法，其進一步包括在該電鑄前以一模板 金屬填充該凹槽。
- 如請求項6之方法，其中該模板金屬包括具有一凸面輪廓之一外表面，該第一電鑄元件形成於該外表面上。
- 如請求項1之方法，其中該電鑄包括：形成一成塊導體層；在該成塊導體層之一底表面上形成一第一障壁材料層，其中該底表面經組態以面向該光伏打電池；及在該成塊導體層之頂表面上形成一第二障壁材料層。
- 如請求項8之方法，其中該電鑄進一步包括在該第一障壁材料層上形成一焊料層；及1.在該第二障壁材料層上形成一反射材料層。
- 如請求項8之方法，其中該電鑄進一步包括在該第二障壁材料層上形成一焊料層。
- 如請求項1之方法，其進一步包括在將該金屬物件自該導電心軸分離前蝕刻該過鍍部分之一邊緣部分，其中該邊緣部分位於該過鍍部分與該心軸之間之一界面處，及其中該蝕刻自該邊緣部分移除材料。
- 如請求項11之方法，其進一步包括在該蝕刻後電鍍該邊緣部分。
- 如請求項1之方法，其中在該複數個電鑄元件中之該第一電鑄元件及一第二電鑄元件彼此共面以使該第一共面電鑄元件具有一第一橫截面，該第一橫截面重疊該第二共面電鑄元件之一第二橫截面的半數以上。
- 一種用於光伏打電池之電組件，該電組件包括：包括複數個電鑄元件之一金屬物件，其中在該複數個電鑄元件中之一第一電鑄元件具有一過鍍部分；其中該複數個電鑄元件經互連以使該金屬物件形成一單件自站立工件，及其中該複數個電鑄元件經組態以用作一光伏打電池之一電導管。
- 如請求項14之電組件，其中該過鍍部分之高度包含該第一電鑄元件之高度的半數以上。
- 如請求項14之電組件，其中該過鍍部分包括：一成塊導體層；及在該成塊導體層之底表面上之一第一障壁材料層，其中該底表面經組態以面向該光伏打電池；及在該成塊導體層之頂表面上之一第二障壁材料層。
- 如請求項16之電組件，其中該過鍍部分進一步包括在該第一障壁材料層上之一焊料層；及在該第二障壁材料層上之一反射材料層。
- 如請求項16之電組件，其中該過鍍部分進一步包括在該第二障壁材料層上之一焊料層。
- 如請求項16之電組件，其中該障壁材料包括鎳。
- 如請求項14之電組件，其中該複數個電鑄元件包括一連續方格圖案。
- 如請求項14之電組件，其中在該複數個電鑄元件中之該第一電鑄元件及一第二電鑄元件彼此共面以使該第一 共面電鑄元件具有一第一橫截面，該第一橫截面重疊該第二共面電鑄元件之一第二橫截面的半數以上。
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