太阳能电池埋栅电极制造新技术

欧 萌，靳志强

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太源030024)

自工业大发展以来，人们对能源的追求就从未中断过，而地球上的各种能源均是直接或间接的来源于太阳。光伏现象被发现后，太阳能发电的研究就成为最具发展的研究领域。太阳能电池的研制和开发进展神速，其中硅太阳能电池制造技术最为成熟，已实现大规模的生产及应用。

我国自20世纪五、六十年代开始发展光伏行业以来，通过四十多年的努力，在工艺技术和产能上都有了长足的进步，特别是近年来“光明工程”、“送电到乡”等一些国家项目的启动，以及世界光伏市场的有力拉动，使我国光伏发电产业得到了更加迅猛的发展。至2008年底太阳能电池产量已突破200万kW，光伏企业的增加，伴随着激烈的市场竞争，尤其是在去年的金融危机爆发后，全球市场迅速萎缩，竞争加剧，对于每一个光伏企业而言，要想在如此严峻的形势下继续生存，并进一步获得发展，只有依靠技术的不断创新。新技术的研发将决定着我国光伏企业的持续发展空间。

目前，已有许多国外光伏企业通过电镀法来制造硅太阳能电池的埋栅电极，取代了常规的印刷法，这样可有效降低栅线电极的制造成本，并提高太阳能电池的转换效率，本文将对这一新技术进行相应的介绍。

1 与传统工艺相比较

电镀电极工艺与丝网印刷电极工艺技术的对比如图1所示。

图1 电镀电极与丝网印刷电极工艺技术之对比

与印刷法相比较，电镀法的生产效率更高，另外其使用镍-铜-锡组合工艺，达到了太阳能电池栅线电极的技术要求，在成本上比印刷银浆有了大幅下降。最主要的是其栅线电极为埋槽嵌入式，增加了与硅片的接触面积，降低了电极与硅片的接触电阻，同时又增大了硅片的吸光面积，从而有效提高太阳能电池的转化率。印刷法电极结构见图2，埋栅电极结构见图3。

图2 印刷法电极结构示意图

图3 埋栅电极结构示意图

2 电镀法工艺技术流程

硅片进行边缘结刻蚀后，即可转入埋栅电极电镀法制造流程，具体工艺流程描述如下。

2.1 激光刻槽

激光刻槽即按设计好的梳状电极图形，刻出电镀所需的沟槽，刻槽深度要根据太阳能电池设计工艺要求而定，如采用一次扩散，则在电池设计上为了减小发射区表面浅层内“死层”的厚度，降低发射区内少子复合，提高电池短波响应及开路电压等诸多关联参数，一般会采用浅结磷扩散，因此也要求沟槽深度较浅，这样一来，就会减小电镀电极与硅片的接触面积，降低其结合力，不利于后期的电池片互连焊接强度；另外，也使磷扩散层横向电阻功耗率增大，将影响整个电池片的效率提高空间，虽然采取增加电极数量，可以减少横向电阻功耗，但又会减小电池片的有效吸光面积，同样会影响到电池的转化效率。因此，建议最好采用二次扩散工艺，即刻槽后，再进行一次扩散，这样将能很好地解决以上诸多问题，制造出高性能的硅太阳电池片。

2.2 化学镀镍

刻槽后硅片经脱脂、水洗、活化后，即可进行化学镀镍打底。化学镀镍采用碱性工艺，具体配制及操作工艺：硫酸镍(NiSO4·7H2O)35 g/L，次亚磷酸钠 (NaH2PO2·H2O)25 g/L，焦磷酸钠 (Na3C6H5O7·2H2O)70 g/L，pH值9～10，温度60℃。

化学镀镍时可通过设备对硅片进行单面操作或单面保护来进行，通过扩散后的硅极对碱性化学镍有着良好的催化作用，在硅片正面无须制作镀覆窗口，镍金属可有选择性地沉积在电极沟槽内，化学镀镍主要是为了在硅极上沉积后续电镀所需的导电层，另外，也是为了增加整个电极与硅片的结合力。碱性化学镍的pH值，对沉积速度的均匀性有很大的影响，为了保证化学镍的沉积质量，需对操作过程中溶液的pH值进行严格控制，可采用pH电极即时检测，再通过控制计量泵对溶液进行在线自动添加氨水来解决，另外，氨水的挥发性很大，要注意通风。

2.3 电镀镍

化学镀镍后，可选择高温烧结，这样可以大大提高电极与硅片结合力。然后再进行电镀镍，具体配制及操作工艺：氨基磺酸镍[Ni(NH2SO3)2·4H2O]300 g/L，硼酸(H3BO3)40 g/L，去应力剂 40 m l/L，阳极活化剂5m l/L，润湿剂1m l/L，pH值3.0，温度90℃，电流密度2 A/dm2，搅拌强度中等。

由于化学镀镍速度较慢，需要电镀镍进行加厚，镀镍层是为了隔离铜层与硅片的接触，因为铜离子对硅极有着强烈的毒化作用。电镀镍采用的氨基磺酸镍体系沉积速度快,结晶细致,镀液分散性好,可获得低应力的柔韧性镀层,广泛应用于电子行业中的底层电镀。

2.4 电镀铜

铜与银一样有着良好的介电性能，在价格上铜与银的优势不言而喻，但在制作各种导电浆料上，铜因为很容易氧化而失去导电性，所以很难应用，用电镀法可获得纯度极高的铜层，而充分发挥其优良的性价比，因此在各类导电布线工艺中，电镀铜无可替代。在硅太阳能电池电极电镀层结构中，铜层的作用就是导电，其具体配制及操作工艺：硫酸铜(CuSO4·5H2O)200 g/L，硫酸(H2SO4)80 g/L，氯离子(Cl-)70mg/L，抑制剂 12m l/L，光亮剂 30m l/L，整平剂 20m l/L，温度20～25℃，电流密度5 A/dm2，搅拌强度强烈。

因为要进行沟槽填充电镀，电镀铜工艺必须具有各向异性，因此加入抑制剂，对沟槽侧壁的镀铜速度进行相对抑制，这样才能获得均匀、致密的铜层。

2.5 电镀锡

电镀锡的作用，首先是对电镀铜层起到良好的保护，防止其氧化，第二是提供良好的可焊性，为电池片的连接打好基础。具体配制及操作工艺：甲基磺酸锡[Sn(CH3SO3)2]110 g/L，其中金属锡40 g/L，络合剂 70mg/L，补充剂12m l/L，温度18～25℃，电流密度2 A/dm2，搅拌强度中等。

电镀锡采用甲基磺酸工艺，该工艺是近年来才发展起来的新工艺，其相比于传统的硫酸、氟硼酸体系有着明显的特点。甲基磺酸属有机酸，其镀液性能十分稳定，水解产物少，锡盐的溶解性高，可在高浓度下进行电镀操作，允许高电流、高镀速，配合相应的添加剂，可得到平整性良好的镀层，并且镀液腐蚀性相对较小，对设备的腐蚀性低。

3 结束语

2009年3月我国财政部、住房和城乡建设部推出“太阳能屋顶计划”，对50万kW以上的光伏发电系统，每瓦最高可支付20元人民币。该补贴的力度比较大，可抵消制造成本的30%以上，虽然用于补贴的资金总额并不多，但对我国光伏产业的影响深远，体现了我国政府对太阳能发电的日益重视，相信在不久的将来，将一改我国光伏行业90%市场依赖出口的局面，使我国不仅是生产制造方面的大国，也是使用太阳能的巨大市场。技术的不断更新，必将使我国的光伏产业走向世界之颠。

参考资料：

[1]M.A.Green,C.M.Chong,F.Zhang,A.Sproul,J.C.Zolper,and S.R.Wenham,Conference Record[A].20th IEEEPhotovoltaic Specialists Conference[C].Las Vegas,September,1988(IEEE,New York,1988),p.411.

[2]D.Carlson.Proceedings of the 4th International Photovoltic Science and Engineering Conference[C].Sydney,February 1989(IREE,Sydney,1989),p.529.

[3]Y.Tamaki,S.Isomae,K.Sagara,and T.Kure,J.Elec trochem[J].Soc.135,726(1988),p.67.