-
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