Толстопленочный контакт кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ его получения

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую, в частности к конструкциям контактов на полупроводниковом фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП) различной конфигурации. Технический результат изобретения: повышение механической прочности соединений в конструкции контактов, что позволяет повысить срок службы фотоэлектрического преобразователя, а также повышение долговечности толстопленочного контакта, снижение трудоемкости его изготовления, а также повышение эффективности фотоэлектрического преобразователя. Сущность: контакт согласно изобретению выполнен на тонкой полупроводниковой пластине из кремния и имеет узкие токопроводящие проводники, выполненные в виде токосборных полос, пересекаемых под углом 90° двумя более широкими токопроводящими проводниками в виде токосъемных полос, расположенных симметрично по обе стороны от продольной оси. Металлическое покрытие наносится на 95-98% от площади поверхности узких токосборных полос. Металлическое покрытие на узких токосборных полосах может быть расположено на расстоянии 0-3 мм от краев широких токосъемных полос, т.е. непосредственно у краев широких токосъемных полос. Также предложен способ изготовления этого толстопленочного контакта кремниевого фотоэлектрического преобразователя 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую, в частности к конструкциям контактов на полупроводниковом преобразователе различной конфигурации.

Известен толстопленочный контакт с низким переходным сопротивлением в кремниевом фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП), состоящий из узких токосборных проводящих полос, проходящих параллельно поперечной оси ФЭП на расстоянии шага друг от друга, и более широких токосъемных полос, проходящих параллельно продольной оси ФЭП на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников (металлических шинок), и имеющий металлическое покрытие из никеля по всей его поверхности, уменьшающее переходное сопротивление (см. патент РФ №2139600 на изобретение, кл. H01L 31/18, публ. 1999).

Наличие металлического покрытия на широких токосъемных полосах и на площадках, предназначенных для присоединения металлических шинок, уменьшает прочность контактов (адгезию). Пайка и облуживание толстопленочных проводников, покрытых металлами, осуществляется плохо. При этом обязательно применяют активные флюсы, которые ухудшают адгезию толстопленочных проводников на пластине и требуют отмывки пластины после пайки.

Известен толстопленочный контакт с низким переходным сопротивлением в кремниевом фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП), состоящий из узких токосборных (проводящих) полос, проходящих параллельно поперечной оси ФЭП на расстоянии шага друг от друга, и более широких токосъемных полос, проходящих параллельно оси ФЭП на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников (металлических шинок), и имеющий металлическое покрытие на всей поверхности каждой узкой токосборной полосы (см.свидетельство РФ № 20195 на полезную модель, кл. H01L 31/18, публ. 2001 г. - прототип).

Недостаток известного устройства заключается в недостаточной механической прочности контактов в связи тем, что при нанесении металлического покрытия не исключено частичное его попадание на широкие токосъемные полосы, что снижает срок службы фотоэлектрических преобразователей.

Известен способ изготовления толстопленочного контакта с пониженным сопротивлением к кремниевым солнечным элементам, включающий формирование толстопленочного контакта и осаждение на него электролитическим или химическим путем слоя металла таким образом, что осаждающаяся пленка, покрывая контакт, достигает на его периферии поверхности подложки, образуя с ней надежное электрическое соединение, при этом для осаждения используют металлы, в том числе никель, образующие химическое соединение с поверхностью подложки при последующей термообработке (см. патент РФ №2139600 на изобретение, кл. H01L 31/18, публ. 1999 - прототип).

В сформированном толстопленочном контакте снижение переходного сопротивления происходит за счет осаждаемой пленки никеля. Однако в случае нанесения металла на широкие токосъемные полосы, предназначенные для присоединения проводников, в результате воздействия растворов в процессе электрохимического или химического покрытия уменьшается прочность контактов (адгезия толстопленочного проводника к кремниевой пластине). Кроме того, при пайке и облуживании толстопленочных контактов (проводников), покрытых металлами, обязательно использование активных флюсов, что в свою очередь ухудшает адгезию еще в большей степени.

Изобретение толстопленочного контакта решает задачу повышения механической прочности соединений в конструкции контактов. Технический результат заключается в повышении срока службы фотоэлектрического преобразователя и качества сборки солнечных модулей. При этом обеспечивается простота изготовления толстопленочного контакта за счет оптимальных требований к размерам металлического покрытия, что снижает стоимость солнечных модулей.

Изобретение способа решает задачу повышения долговечности толстопленочного контакта, снижения трудоемкости его изготовления, уменьшения расхода материалов (никеля), применения неагрессивных доступных материалов.

Технический результат способа заключается в повышении эффективности фотоэлектрического преобразователя за счет улучшения условий токосъема в связи с гарантированным исключением попадания материала никеля на широкие токосъемные полосы. Дополнительно решается задача повышения производительности изготовления толстопленочного контакта (за счет оптимальных требований по нанесению металлического покрытия) для снижения стоимости солнечных модулей.

Поставленная задача достигается тем, что в толстопленочном контакте кремниевого фотоэлектрического преобразователя, включающем узкие токопроводящие проводники с металлическим покрытием, проходящие вдоль одной оси фотоэлектрического преобразователя на расстоянии шага друг от друга, и два широких токопроводящих проводника, проходящих параллельно другой его оси на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников, металлическое покрытие узких токопроводящих проводников выполнено на расстоянии не более трех миллиметров от краев широких токопроводящих проводников и его общая площадь составляет 95-98% от общей площади поверхности всех узких токопроводящих проводников.

Целесообразно металлическое покрытие узких токопроводящих проводников выполнить с одинаковым или различным отступом от краев широких токопроводящих проводников на каждом узком токопроводящем проводнике.

Предпочтительно металлическое покрытие узких токопроводящих проводников по меньшей мере на одном узком токопроводящем расположить непосредственно у края широкого токопроводящего проводника.

Целесообразно узкие токопроводящие проводники выполнить в виде токосборных полос.

Целесообразно узкие токопроводящие проводники выполнить в виде токосборных полос с уширительными площадками, расположенными в местах пересечения узких и широких токопроводящих проводников.

Предпочтительно металлическое покрытие выполнить из никеля.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения толстопленочного контакта в кремниевом фотоэлектрическом преобразователе, включающем изготовление толстопленочного контакта, имеющего узкие токопроводящие проводники, проходящие на расстоянии шага друг от друга вдоль одной оси фотоэлектрического преобразователя, и два более широких токопроводящих проводника, проходящих вдоль другой его оси на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников, и нанесение металлического покрытия на узкие токопроводящие проводники, перед нанесением металлического покрытия на узкие токопроводящие проводники осуществляют защиту по меньшей мере всей поверхности широких токопроводящих проводников от материала металлического покрытия, применяя средства защиты, нанесение слоя металлического покрытия осуществляют на расстоянии, не превышающем три миллиметра от краев широких токопроводящих проводников, с покрытием 95-98% общей площади поверхности узких токопроводящих проводников, при этом после нанесения металлического средства защиты удаляют.

Целесообразно перед нанесением металлического покрытия на узкие токопроводящие проводники осуществить защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников.

Предпочтительно защиту всей поверхности широких проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников осуществить облуживанием указанных поверхностей припоем с применением низкоактивных флюсов.

Целесообразно защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников осуществить маскирующим шаблоном.

Целесообразно защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников осуществить пленочным покрытием, в том числе из лака, канифольного флюса, смолы.

Целесообразно металлическое покрытие выполнить из никеля.

Целесообразно узкие токопроводящие проводники выполнить в форме токосборных полос.

Предпочтительно узкие токопроводящие проводники выполнить в форме токосборных полос с уширительными площадками, расположенными в местах пересечения узких и широких токопроводящих проводников.

Сущность изобретения заключается в том, что металлическое покрытие наносится только на узкие токосъемные полосы, и его площадь составляет 95-98% от общей площади поверхности всех узких токопроводящих проводников.

Проведенный анализ уровня техники и выявление источников об аналогах заявляемого изобретения позволяет установить, что заявителями не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным заявленного изобретения. Определение прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому техническому результату) отличительных признаков, изложенных в изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна". Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же как у заявляемого устройства положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен кремниевый фотоэлектрический преобразователь, вид с лицевой стороны; на фиг.2 - варианты толстопленочных контактов (увеличенный фрагмент на фиг.1) с узкими токопроводящими проводниками в форме токосборных полос; на фиг.3 - варианты толстопленочного контакта с узкими токопроводящими проводниками в виде токосборных полос с уширительными площадками.

Толстопленочный контакт (фиг.1) получен в фотоэлектрическом преобразователе на тонкой полупроводниковой пластине 1 из кремния, которая с лицевой (освещаемой) стороны на глубине около одного микрона имеет дырочно-электронный или р-n переход, плоскость которого параллельна поверхности указанной пластины 1, и выполнен в виде толстопленочной контактной сетки, состоящей из проходящих без разрыва параллельно поперечной (горизонтальной) оси с определенным шагом (h) друг от друга узких токопроводящих проводников, выполненных в виде токосборных (металлизированных) полос 2 (фиг.2), пересекаемых под углом 90° двумя более широкими токопроводящими проводниками в виде токосъемных (металлизированных) полос 3, расположенных симметрично по обе стороны от продольной оси. Узкие токосборные полосы 2 имеют металлическое покрытие 4, например, из никеля.

Узкие токопроводящие проводники могут быть выполнены в виде токосборных полос 2 с уширительными площадками 5 (фиг.3), расположенными симметрично относительно продольной оси на пересечениях токосъемных полос 3 с узкими токосборными полосами 2, и имеющими площадь от 0,5 до 0,9 миллиметров квадратных.

Аналогичный толстопленочный контакт может быть выполнен на тыльной стороне полупроводниковой пластины 1, повторяя в плане контактную сетку, идентичную лицевой (на фиг. не показан).

Полупроводниковая пластина 1 может иметь различную конфигурацию, в том числе псевдоквадрата, или шестиугольника, или круга, или эллипса.

Фотоэлектрический преобразователь работает известным образом. На р-n переходе образуется потенциальный барьер, который разделяет пластину на отрицательную и положительные области. Фотоэффект заключается в том, что созданные светом свободные носители заряда снижают потенциальный барьер на р-n переходе, отчего между лицевым и тыльным возникает электрическое напряжение, а через сниженный барьер свободные носители заряда имеют возможность циркулировать во внешнюю электрическую цепь, совершая полезную работу в нагрузке.

Благодаря покрытию контактной сетки толстопленочного контакта металлом уменьшается внутреннее последовательное сопротивление фотоэлектрического преобразователя и, следовательно, потеря энергии, отчего повышается эффективность преобразования световой энергии в электрическую. Напряжение фотоэлектрического преобразователя определяется высотой потенциального барьера на р-n переходе, а ток - от концентрации генерированных носителей заряда, проходящих через р-n переход. Ток пропорционален освещаемой площади р-n перехода.

Выполнение металлического покрытия 4 не на всей общей площади токосборных полос 2 позволяет сохранить гарантированное хорошее качество контакта широких токосъемных полос 3 к полупроводниковой пластине 1 и обеспечивает припаивание к ним металлических шинок с применением флюсов при облуживании, не имеющих повышенной активности. Это определяет высокую прочность контактов (адгезию толстопленочного проводника к полупроводниковой пластине 1) в предлагаемом ФЭП.

Согласно предлагаемому способу изготовления толстопленочного контакта для увеличения прочности контактов перед нанесением металлического покрытия 4 защищают по меньшей мере всю поверхность широких токосъемных полос 3 на ФЭП, предназначенную для присоединения токоотводящих шин (проводников), и небольшую часть узких токосборных полос 2 таким образом, чтобы свободными от нанесения металлического покрытия 4 остались зоны 6 на некоторых (фиг.26, фиг.2в, фиг.2г, фиг.3б, фиг.3в, фиг.3г) или на всех узких токосборных полосах 2 (фиг.2а, фиг.3а). Варианты толстопленочного контакта на фиг.2, фиг.3 отличаются количеством указанных зон 6 (без никеля) и расстоянием (d) от широких токосъемных полос 3. Экспериментально установлено, что при общей площади металлического покрытия 4 в пределах 95-98% от общей площади узких токосборных полос 2 не происходит ухудшения параметров ФЭП и гарантированно исключается попадание материала металла на широкие токосъемные полосы 3 (при большей площади возможно попадание металла на широкие токосъемные полосы 3, при меньшей - уменьшается механическая прочность толстопленочного контакта). При этом металлическое покрытие 4 на узких токосборных полосах 2 толстопленочного контакта может быть расположено на расстоянии (d) 0-3 мм от краев широких токосъемных полос 3, т.е. непосредственно у краев широких токосъемных полос 3 и/или на расстоянии (d) 0,3-3 мм (не более 3 мм) от них в различных вариантах, как показано на фиг.2, 3.

Защиту от попадания металла на широкие токосъемные полосы можно осуществить различными средствами, например:

- облуживанием всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников припоем с применением низкоактивных флюсов (например, оловянно-свинцовым припоем ПОС-61 при использовании малоактивных флюсов с активными добавками);

- проведением операции нанесения металла в специальной оснастке, в том числе с использованием маскирующих шаблонов, перекрывающих при нанесении металла края широких токосъемных полос не более чем на три миллиметра для защиты поверхности широких токосъемных проводников 3 и части поверхности (зоны 6) узких токосборных проводников 2 от попадания растворов;

- применением для защиты широкой части токосъемных полос 3 и части поверхности узких токосборных проводников защитных пленок (канифольного флюса, лака, маскирующего покрытия).

Средство защиты удаляется после нанесения металла. В результате применения одного из указанных вариантов защиты в процессе электролитического или химического нанесения металла раствор не воздействует на толстопленочные проводники в местах, предназначенных для присоединения шин, в результате чего их структура не нарушается и, следовательно, не ухудшается адгезия проводников к кремниевой пластине и достигается уменьшение переходного сопротивления контактной сетки.

Предлагаемый способ изготовления толстопленочного контакта заключается в следующем. Для примера конкретного выполнения толстопленочного контакта использовались пластины монокристаллического кремния р-типа или n-типа с ориентацией (100). После диодной структуры в полупроводниковой пластине 1 любым способом на обе ее стороны методом трафаретной печати серебросодержащей пасты наносится контактная сетка, состоящая из токосборных полос 2 и широких токосъемных полос 3, предназначенных для присоединения токоотводящих проводников (металлических шинок). Пасту вжигают в конвейерной печи при максимальной температуре около 700-750°С. После этого осуществляется маскирование или облуживание припоем ПОС-61 широких токосъемных полос 3 контактной сетки с захватом небольших зон 6 узких токосборных полос 2 на расстоянии не более трех миллиметров от их краев с помощью паяльника с использованием активного флюса. Затем на незащищенные зоны узких токосборных полос 2 методом электролитического осаждения в растворе, содержащем, например, NiS0₄ - 220 г/л, Na₂SO₄ - 200 г/л, Н₃BO₅ - 5 г/л в течение 5-10 минут наносится слой никеля, при этом широкие (облуженные) токосъемные полосы 3 и часть общей поверхности узких токосборных полос 2 защищаются от попадания электролита специальным приспособлением в виде маскирующего шаблона, размеры которого превышают размеры широких токосъемных полос 3 не более чем на три миллиметра, при этом никель не осаждается на слой припоя. В результате получаются солнечные элементы с высокой эффективностью, относительная прочность их контактов составляет не менее 50-100 г при угле отрыва 90° от облуженной контактной площадки медной шины толщиной 0,1 миллиметра и шириной 1,3 миллиметра.

1. Толстопленочный контакт кремниевого фотоэлектрического преобразователя, включающий узкие токопроводящие проводники с металлическим покрытием, проходящие вдоль одной оси фотоэлектрического преобразователя на расстоянии шага друг от друга, и два широких токопроводящих проводника, проходящих параллельно другой его оси на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников, отличающийся тем, что металлическое покрытие узких токопроводящих проводников выполнено на расстоянии не более трех миллиметров от краев широких токопроводящих проводников и его общая площадь составляет 95-98% от общей площади поверхности всех узких токопроводящих проводников.

2. Толстопленочный контакт по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие узких токопроводящих проводников выполнено с одинаковым или различным отступом от краев широких токопроводящих проводников на каждом узком токопроводящем проводнике.

3. Толстопленочный контакт по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие узких токопроводящих проводников по меньшей мере на одном узком токопроводящем проводнике расположено непосредственно у края широкого токопроводящего проводника.

4. Толстопленочный контакт по п.1, отличающийся тем, что узкие токопроводящие проводники выполнены в виде токосборных полос.

5. Толстопленочный контакт по п.1, отличающийся тем, что узкие токопроводящие проводники выполнены в виде токосборных полос с уширительными площадками, расположенными в местах пересечения узких и широких токопроводящих проводников.

6. Толстопленочный контакт по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие выполнено из никеля.

7. Способ получения толстопленочного контакта к кремниевым фотоэлектрическим преобразователям, включающий изготовление толстопленочного контакта, имеющего узкие токопроводящие проводники, проходящие на расстоянии шага друг от друга вдоль одной оси фотоэлектрического преобразователя, и два более широких токопроводящих проводника, проходящих вдоль другой его оси на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников, и нанесение металлического покрытия на узкие токопроводящие проводники, отличающийся тем, что перед нанесением металлического покрытия на узкие токопроводящие проводники осуществляют защиту по меньшей мере всей поверхности широких токопроводящих проводников от попадания материала металлического покрытия, применяя средства защиты, нанесение слоя металлического покрытия осуществляют на расстоянии, не превышающем три миллиметра от краев широких токопроводящих проводников, с покрытием 95-98% общей площади поверхности узких токопроводящих проводников, при этом после нанесения металлического покрытия средства защиты удаляют.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением металлического покрытия на узкие токопроводящие проводники осуществляют защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников осуществляют облуживанием припоем с применением низкоактивных флюсов.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников осуществляют маскирующим шаблоном.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что защиту всей поверхности широких токопроводящих проводников и части поверхности узких токопроводящих проводников осуществляют пленочным покрытием, в том числе из лака, канифольного флюса, смолы.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что металлическое покрытие выполнено из никеля.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что узкие токопроводящие проводники выполнены в форме токосборных полос.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что узкие токопроводящие проводники выполнены в форме токосборных полос с уширительными площадками, расположенными в местах пересечения узких и широких токопроводящих проводников.