專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電化學(xué)沉積太陽(yáng)能電池金屬電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)沉積金屬的方法，特別涉及一種在太陽(yáng)能電池 的陰極表面電化學(xué)沉積金屬電極的方法。
背景技術(shù)：
目前絕大多數(shù)商業(yè)化太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極生成方法是，用絲網(wǎng) 印刷的方法，在太陽(yáng)能電池的陰極表面刷上銀漿、在陽(yáng)極表面刷上鋁 漿，再經(jīng)過(guò)高溫共燒后，在該太陽(yáng)能電池的陰極和陽(yáng)極上同時(shí)生成導(dǎo) 電陰極和陽(yáng)極。這種太陽(yáng)能電池導(dǎo)電電極生成方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝筒單 可靠，容易在大規(guī)模生產(chǎn)上得到應(yīng)用。但是，絲網(wǎng)印刷和共燒生成太陽(yáng)能電池導(dǎo)電電極的簡(jiǎn)單工藝限制 了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的提高。為了確保絲網(wǎng)印刷的漿料在共 燒后能與太陽(yáng)能電池的表面有較好的歐姆接觸，降低太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻，不僅必須采用較粗的金屬副柵線的設(shè)計(jì)(一般大于IOO微米)， 而且還必須采用較低的發(fā)射極方塊電阻的設(shè)計(jì)(一般在50歐姆每平 方)。較粗的金屬副柵線的設(shè)計(jì)降低了太陽(yáng)能電池的有效工作面積，而 較低的發(fā)射極方塊電阻的設(shè)計(jì)降低了太陽(yáng)能電池的短路電流，這是目 前商業(yè)化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率偏低的主要原因。很明顯，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要措施之一是提高 其發(fā)射極的方塊電阻。但是，太陽(yáng)能電池發(fā)射極的方塊電阻提高后， 如果繼續(xù)采用絲網(wǎng)印刷漿料和共燒的工藝，將會(huì)增加太陽(yáng)能電池的接觸電阻，從而降低太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，提高太陽(yáng)能電 池發(fā)射極的方塊電阻后必須解決的問(wèn)題之一是降低金屬導(dǎo)電電極和太 陽(yáng)能電池之間的"l妄觸電阻。解決上述問(wèn)題的方法之一是釆用選擇性擴(kuò)散工藝。所謂的選擇性 擴(kuò)散工藝是指在太陽(yáng)能電池的發(fā)射極的不同區(qū)域生成兩種不同值的方 塊電阻，即，在生成金屬導(dǎo)電電極的區(qū)域具有較低的方塊電阻，在其 它受光表面具有較高的方塊電阻。這種工藝設(shè)計(jì)既能提高太陽(yáng)能電池 的短路電流，又能降低金屬導(dǎo)線和太陽(yáng)能電池之間的接觸電阻。因此， 選擇性擴(kuò)散工藝是提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要措施之一 。但是，上述絲網(wǎng)印刷和共燒工藝很難應(yīng)用在使用了選擇性擴(kuò)散工 藝的太陽(yáng)能電池上。其主要原因是絲網(wǎng)印刷工藝很難把金屬漿料對(duì)準(zhǔn) 在太陽(yáng)能電池發(fā)射極具有較低方塊電阻的區(qū)域上。解決該對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題的常用方法是在太陽(yáng)能電池表面采用化學(xué)沉積生 成金屬導(dǎo)電電極的方法來(lái)替換以上所述的絲網(wǎng)印刷的方法。埋柵太陽(yáng) 能電池就是采用化學(xué)沉積金屬銅的方法在太陽(yáng)能電池的發(fā)射極上生成 金屬導(dǎo)電電極的。其具體方法是，用鈍化膜或減反膜覆蓋具有較大方 塊電阻的發(fā)射極表面，采用激光在鈍化膜上開(kāi)槽后，再進(jìn)行深擴(kuò)散， 從而降低該發(fā)射極表面開(kāi)槽區(qū)域的方塊電阻，最后采用化學(xué)沉積金屬 的方法，在具有較低方塊電阻的發(fā)射極區(qū)域生成太陽(yáng)能電池的金屬導(dǎo) 電電才及?；瘜W(xué)沉積銅的過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)緩慢的化學(xué)過(guò)程， 一般需要近十個(gè) 小時(shí)左右的時(shí)間才能達(dá)到所需的金屬導(dǎo)電電極的厚度。為了防止由于沉積速度太快而引起的應(yīng)力和吸附問(wèn)題， 一般把化學(xué)沉積金屬導(dǎo)電電 極的速率控制在每小時(shí)2微米以下。用化學(xué)沉積金屬的方法制備太陽(yáng)能電池電極的方法還存在另外一 個(gè)問(wèn)題，即化學(xué)沉積金屬溶液的使用壽命比較短， 一般只能使用幾個(gè) 批次就不能繼續(xù)使用。因此化學(xué)沉積金屬的方法在大規(guī)模生產(chǎn)上使用 時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢水。由于排放的廢水中含有一些比較難以處理的有 機(jī)物，因此使用化學(xué)沉積金屬的工藝增加了太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本。不僅如此，化學(xué)沉積金屬的溶液相當(dāng)不穩(wěn)定，很容易發(fā)生自析金 屬的現(xiàn)象，影響正常的生產(chǎn)。另外，化學(xué)沉積金屬的工藝條件的控制 也非常的苛刻。例如，化學(xué)沉積銅溶液的溫度控制要求嚴(yán)格。為了減小自析銅的可能性，在化學(xué)沉積銅的時(shí)候，不僅要求空氣鼓泡，還要 求過(guò)濾。為了保持溶液濃度的穩(wěn)定，還要求不斷地添加補(bǔ)充液。補(bǔ)充 液的添加必須非常嚴(yán)格地控制，太多了會(huì)造成自析銅，太少了會(huì)減小 沉積銅的速率。另外，絕大多數(shù)的化學(xué)沉積銅的操作是在高于室溫下進(jìn)行的，例如大于50度，這樣的工藝就需要大量的能源提供，進(jìn)一步加大了生產(chǎn) 成本。由于反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，這些能源的消耗量在生產(chǎn)過(guò)程中是相當(dāng)可 觀的。解決以上問(wèn)題的方法之一是采用電鍍工藝取代化學(xué)沉積金屬的工 藝。相對(duì)于化學(xué)沉積金屬，電鍍工藝的優(yōu)點(diǎn)是沉積金屬的速度快。采 用電鍍工藝后，可以把太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極的生成時(shí)間從化學(xué)沉積 金屬的近十個(gè)小時(shí)的過(guò)程縮短到一個(gè)小時(shí)之內(nèi)。在一般情況下，采用 電鍍工藝后，制備太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極的過(guò)程可在十幾分鐘內(nèi)完成。采用電鍍工藝取代化學(xué)沉積金屬的工藝的另 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于電 化學(xué)沉積金屬比化學(xué)沉積金屬的過(guò)程簡(jiǎn)單得多，因此操作范圍要大得 多，特別適用于工業(yè)生產(chǎn)。例如，它對(duì)溫度的要求不高， 一般可在室 溫下操作，這樣既有利于生產(chǎn)控制，又節(jié)約了加熱所需要的成本。電 鍍所用的電解液的組成也非常簡(jiǎn)單，所以在一般情況下電解液可以長(zhǎng) 時(shí)間反復(fù)地使用。更進(jìn)一步， 一般的化學(xué)沉積過(guò)程所生成的太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極 是非晶狀態(tài)的，而電化學(xué)沉積的太陽(yáng)能電池的金屬導(dǎo)電電極是呈微晶 狀態(tài)的，因此電化學(xué)沉積的金屬導(dǎo)電電極具有更好的導(dǎo)電性能。它的 直接影響是電鍍金屬電極能降低太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電流在金屬導(dǎo)電 電極上的損失，從而提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。由于電鍍工藝沉積金屬的化學(xué)非常簡(jiǎn)單，例如，電解液的pH值和 溶液組成的變化對(duì)電鍍工藝的影響不大，對(duì)溶液的管理也非常簡(jiǎn)單， 因此電鍍工藝非常適用于工業(yè)化生產(chǎn)。更重要的是，采用電鍍工藝生 成的太陽(yáng)能電池的金屬導(dǎo)電電極的生產(chǎn)成本非常低，對(duì)廢液的處理工 序也要比化學(xué)沉積金屬的廢液處理簡(jiǎn)單得多。但是，要把傳統(tǒng)的電鍍工藝真正應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽(yáng)能電池， 還有一定的困難。主要問(wèn)題是電鍍掛具和太陽(yáng)能電池的接觸，以及在 太陽(yáng)能電池上所鍍的金屬的均勻性。上述電鍍掛具是傳統(tǒng)電鍍操作過(guò) 程中的一個(gè)重要工具，其在電鍍操作過(guò)程中的作用之一是把被電鍍的 物體固定在一定的位置，或固定在一定的范圍；電鍍掛具的另一個(gè)作 用是把外置電源的電流傳導(dǎo)給被電鍍的物體。事實(shí)上，在金屬化之前，太陽(yáng)能電池的表面的電阻非常大，在通 常情況下，電鍍掛具和太陽(yáng)能電池表面的接觸電阻很大，最終造成鍍 在太陽(yáng)能電池表面的金屬的均勻性很差。另外，由于制備太陽(yáng)能電池 的半導(dǎo)體材料非常脆，因此，在將太陽(yáng)能電池裝卸于電鍍掛具的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生太陽(yáng)能電池的碎裂。通常解決上述由于太陽(yáng)能電池與電鍍掛具之間的機(jī)械接觸和電接 觸所造成的問(wèn)題的方法是，將太陽(yáng)能電池浸沒(méi)在電解質(zhì)內(nèi)，利用太陽(yáng) 能電池在光照下所產(chǎn)生的電能，在太陽(yáng)能電池上沉積金屬導(dǎo)電電極。 由于依靠光照后太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電能在太陽(yáng)能電池的表面生成金 屬導(dǎo)電電極，因此該方法不需要依靠傳統(tǒng)的電鍍掛具將外置電源的電 流傳導(dǎo)給太陽(yáng)能電池的需要被電鍍的表面，解決了由于使用電鍍掛具 所造成的各種問(wèn)題。但是，這種利用太陽(yáng)能電池自身產(chǎn)生電能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能 電池表面沉積金屬的方法也有很多缺陷。首先，為了保護(hù)太陽(yáng)能電池 陽(yáng)極表面上的金屬，必須外加一個(gè)直流電源。該直流電源的陽(yáng)極接到 位于電解質(zhì)溶液內(nèi)的金屬上，該直流電源的陰極接到位于電解質(zhì)溶液 內(nèi)的太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極金屬上。這樣的連接才能保證當(dāng)在太陽(yáng)能電池 的陰極上沉積金屬時(shí)該太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極上的金屬不會(huì)被破壞。事實(shí) 上，在沉積金屬時(shí)使用這樣的連接方式會(huì)使得太陽(yáng)能電池的陰極和陽(yáng) 極同時(shí)在沉積金屬，造成了生產(chǎn)成本的不必要的增加。這種方法的另外一個(gè)缺點(diǎn)是，由于太陽(yáng)能電池的陰極表面所存在 的電勢(shì)，是太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電勢(shì)和外置電源的電勢(shì)的總和，太陽(yáng) 能電池陰極表面上的電勢(shì)不僅取決于太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電勢(shì)，還取 決于外置電源所施加在太陽(yáng)能電池上的電勢(shì)。因此，太陽(yáng)能電池表面上所鍍金屬的均勻性不僅取決于光照在太陽(yáng)能電池表面上的均勻性， 而且還取決于外置電源施加在太陽(yáng)能電池上的電勢(shì)的均勻性。例如， 只有非常良好的整個(gè)表面的接觸才能夠在太陽(yáng)能電池陰極表面得到非 常均勻的電勢(shì)。事實(shí)上，這種均勻的接觸是很難在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)的。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中的各項(xiàng)缺陷，本發(fā)明的目的之一是提供一種 利用太陽(yáng)能電池在接受光照后產(chǎn)生電勢(shì)的特點(diǎn)，在太陽(yáng)能電池的陰極 表面上實(shí)現(xiàn)電化學(xué)沉積金屬的工藝。進(jìn)一步，本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提供一種能確保金屬只沉積在 太陽(yáng)能電池的陰極表面的電化學(xué)沉積金屬的工藝。更進(jìn)一步，本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提供一種能夠有效控制金屬 沉積速率的在太陽(yáng)能電池的陰極表面電化學(xué)沉積金屬的工藝。本發(fā)明的最后一個(gè)目的，是提供一種適用于大規(guī)模生產(chǎn)的在太陽(yáng) 能電池的陰極表面沉積金屬的工藝。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種電化學(xué)沉積太陽(yáng)能電池金屬電極的方法，其包括以下步驟將太陽(yáng)能電池的含有陰極的表面與電解質(zhì)溶液接觸；將太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和固體金屬連接；使用光源對(duì)太陽(yáng)能電池的主受光表面進(jìn)行光照；所述電解質(zhì)溶液中的金屬離子接受所述太陽(yáng)能電池陰極表面產(chǎn)生 的電子后生成金屬并沉積在所述太陽(yáng)能電池的陰極表面，同時(shí)所述固體金屬為所述太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極提供電子后生成金屬離子并溶入電解 質(zhì)溶液。所述太陽(yáng)能電池除了含有陰極的表面外不與所述電解質(zhì)溶液接觸。所述太陽(yáng)能電池與所述電解質(zhì)溶液接觸的表面只含有陰極。所述太陽(yáng)能電池與所述電解質(zhì)溶液接觸的表面可以同時(shí)含有陰極 和陽(yáng)才及。該電解質(zhì)溶液包括金屬離子、酸根、水和添加劑。 該電解質(zhì)溶液含有至少一種或一種以上的金屬離子。 該電解質(zhì)溶液含有至少 一種或 一種以上的酸根。 該電解質(zhì)溶液還包括一種或一種以上的添加劑。所述主受光表面為該太陽(yáng)能電池與所述電解質(zhì)溶液相接觸的表面 或者其未與所述電解質(zhì)溶液接觸的表面。在所述進(jìn)行光照的步驟中，光照的光源為自然光或照明器件發(fā)出 的光。在所述進(jìn)行光照的步驟中，光直接照射到太陽(yáng)能電池的表面或者 透過(guò)電解質(zhì)或其他介質(zhì)后照射到太陽(yáng)能電池的表面。所述太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和所述固體金屬通過(guò)導(dǎo)線電連接。所述固體金屬由至少 一種金屬或合金組成。所述固體金屬至少有一個(gè)表面接觸所述電解質(zhì)溶液。該方法還包括在太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和固體金屬之間連接外置電源 的步驟。所述外置電源為直流電源，其中該直流電源的陰極連接該太陽(yáng)能 電池的陽(yáng)極，該直流電源的陽(yáng)極連接該固體金屬。該直流電源的輸出功率不小于零。該固體金屬的成分與沉積在太陽(yáng)能電池陰極表面上的金屬成分相同。所述太陽(yáng)能電池固定在電解質(zhì)溶液的上方。 所述太陽(yáng)能電池在水平方向移動(dòng)。在本發(fā)明的電化學(xué)沉積金屬的過(guò)程中，金屬離子只能沉積在太陽(yáng) 能電池的陰極上，從而從根本上解決了由于金屬沉積在陽(yáng)極造成短路 而引起的電池效率下降的問(wèn)題，同時(shí)避免了使用任何電接觸損壞太陽(yáng) 能電池片以及造成沉積金屬不均勻的可能。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，太陽(yáng)能電池的另一表面不和電解質(zhì)溶液 接觸，因此不需要加一個(gè)外置電源以保護(hù)太陽(yáng)能電池的另一表面的金 屬。從而太陽(yáng)能電池表面的電勢(shì)可以從零開(kāi)始變化，并能進(jìn)行有效的 控制，從而控制太陽(yáng)能電池陰極表面的電化學(xué)反應(yīng)速率。本發(fā)明的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，由于保證了光照強(qiáng)度的均勻，太陽(yáng) 能電池的電勢(shì)在整個(gè)表面是非常均勻的，從而在整個(gè)太陽(yáng)能電池的陰 極表面所沉積的金屬也是非常均勻的。本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠達(dá)到自我對(duì)準(zhǔn)的效果。該優(yōu)點(diǎn)特別有 利于制備具有選擇性擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。


圖1為使用本發(fā)明的電化學(xué)沉積金屬的方法在太陽(yáng)能電池的陰極 表面進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)以沉積金屬的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖1為使用本發(fā)明的電化學(xué)沉積金屬的方法在太陽(yáng)能電池的陰極 表面進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)以沉積金屬的示意圖。如圖所示，本發(fā)明的電化學(xué)沉積金屬的方法使用的裝置主要是電解質(zhì)溶液槽10,電解質(zhì)溶液20，太陽(yáng)能電池30,金屬導(dǎo)線40，金屬 塊50和發(fā)光器件60。本發(fā)明的電解質(zhì)溶液槽10的主要作用是盛放電解質(zhì)溶液20。在太 陽(yáng)能電池30的主受光表面是其陰極表面的情況下，本發(fā)明的電解槽10 的另一個(gè)作用是允許發(fā)光器件60所發(fā)出的光能透射到太陽(yáng)能電池30 的主受光表面。這樣，本發(fā)明的電解質(zhì)槽IO—般可采用透明耐腐蝕的 材料制成，如石英，玻璃，透明有機(jī)材料等。當(dāng)太陽(yáng)能電池的主受光面不含其陰極的情況下，即，其主受光面 與陰極表面分別為太陽(yáng)能電池的兩面時(shí)，發(fā)光器件應(yīng)該放置在太陽(yáng)能 電池的上方，使其所發(fā)出的光直接照射在太陽(yáng)能電池的上表面。本發(fā)明的電解質(zhì)溶液槽10內(nèi)的電解質(zhì)溶液20主要是由金屬離子和酸根所組成，例如硫酸銅，氯化鎳等。根據(jù)所沉積金屬的不同要求，電解質(zhì)溶液20可以僅含有一種金屬離子，也可以含有多種金屬離子。同樣，根據(jù)不同的沉積金屬的要求，電解質(zhì)溶液20內(nèi)可以僅含有 一種酸根，也可以含有多種酸根，如硫酸根和硝酸才艮。為了減少沉積金屬的應(yīng)力和提高所沉積的金屬的平整度，根據(jù)不 同的電解質(zhì)溶液和電化學(xué)沉積金屬的工藝，也可以在電解質(zhì)溶液20內(nèi) 加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?。本發(fā)明的一個(gè)重要技術(shù)特征是，太陽(yáng)能電池30只有其含有陰極的 一個(gè)表面與電解質(zhì);容液20相4妄觸，而另一表面并不和電解質(zhì);容液20 接觸。為了工業(yè)生產(chǎn)的簡(jiǎn)單性，卯％以上的商業(yè)化太陽(yáng)能電池的兩個(gè)表面 分別為陰極和陽(yáng)極。因此本發(fā)明的方法特別適用于在這種商業(yè)化太陽(yáng) 能電池上沉積金屬。當(dāng)本發(fā)明的方法用于上述商業(yè)化太陽(yáng)能電池時(shí)， 由于其陽(yáng)極在其陰極的反面并且不和電解質(zhì)溶液接觸，因此不一定需 要連接外置電源以保護(hù)太陽(yáng)能電池陽(yáng)極上的金屬。如圖l所示，固體金屬50和太陽(yáng)能電池30之間用導(dǎo)電線40電連 接。在一般情況下，固體金屬50的主要成分與要沉積在太陽(yáng)能電池30 陰極表面上的金屬成分相同。固體金屬50可以是單一成分的金屬，也可以是由一種以上的金屬 所組成的合金。該固體金屬50可以被放置到電解槽10內(nèi)的任何一個(gè) 位置，同時(shí)和電解質(zhì)溶液20有良好的接觸。當(dāng)太陽(yáng)能電池30的陰極是主受光面時(shí)，固體金屬50所放置的位置不應(yīng)影響到發(fā)光器件60所 發(fā)出的光投射到太陽(yáng)能電池30的表面。圖1展示了使用本發(fā)明的方法在太陽(yáng)能電池的陰極表面電化學(xué)沉 積金屬電極的完整的反應(yīng)過(guò)程。和傳統(tǒng)的電鍍工藝不同，本發(fā)明的電化學(xué)反應(yīng)可以不需要外界提 供電能，而是利用太陽(yáng)能電池自身產(chǎn)生的電能來(lái)實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)。在圖1中，發(fā)光器件60位于電解槽IO的下方。該發(fā)光器件60所 處的位置取決于太陽(yáng)能電池30的結(jié)構(gòu)。在太陽(yáng)能電池30的陰極是該 太陽(yáng)能電池的主受光面的情況下，該發(fā)光器件60所發(fā)出的光，透過(guò)透 明的電解槽10后再透過(guò)電解質(zhì)溶液20,照射到太陽(yáng)能電池30的下表 面即陰極表面。太陽(yáng)能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。當(dāng)太陽(yáng)能電池受到 光的照射后，在發(fā)射極，即陰極，的表面產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)。因此上述光照 使太陽(yáng)能電池30產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)后釋放電子。電解質(zhì)溶液20中的金屬離 子在負(fù)電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下向陰極移動(dòng)，在太陽(yáng)能電池30的陰極表面接受電 子后，生成金屬原子并沉積在太陽(yáng)能電池30的陰極表面。同時(shí)，在電 解質(zhì)溶液20內(nèi)的固體金屬50，通過(guò)導(dǎo)電線40,在太陽(yáng)能電池30的陽(yáng) 極正電勢(shì)的作用下，不斷地失去電子生成金屬離子后溶解入電解質(zhì)溶 液20中，以保持電解質(zhì)溶液20中的金屬離子濃度的穩(wěn)定。最終實(shí)現(xiàn) 無(wú)需外部電源供電的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。和需要連接外置電源的電鍍過(guò)程不同，本發(fā)明的上述電化學(xué)沉積 金屬的過(guò)程不需要連接外置電源，而是靠光照后太陽(yáng)能電池30自身所產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)，因此上述過(guò)程中金屬離子只能沉積在太陽(yáng)能電池30的陰極上。這個(gè)特征在工業(yè)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池中有著非常重要的意義。如果連 接外置電源實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，太陽(yáng)能電池表面上沒(méi)有被保護(hù)的陰極和 陽(yáng)極都會(huì)沉積上金屬，造成太陽(yáng)能電池的短路，降低太陽(yáng)能電池的光 電轉(zhuǎn)換效率。而本發(fā)明的方法中，即使存在暴露的陽(yáng)極表面，但由于 在太陽(yáng)能電池接收到光照后，在其陽(yáng)極只能接受電子而不能釋放電子， 所以金屬不可能沉積在太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極上，從而從根本上解決了由 于陽(yáng)極短路所造成的電池效率下降的問(wèn)題。同時(shí)，由于太陽(yáng)能電池片的厚度一般在200微米左右，任何局部 的物理接觸都很容易造成碎裂，而本發(fā)明的電化學(xué)沉積金屬過(guò)程可以 不需要連接外置電源，因此本發(fā)明的電化學(xué)過(guò)程可以不使用任何電接 觸，從而避免了損壞太陽(yáng)能電池片的可能。更進(jìn)一步，由于太陽(yáng)能電池的陰極表面的電阻一般比較大，如果 依靠外部電接觸就會(huì)造成在太陽(yáng)能電池的陰極表面的電勢(shì)不均勻，最 終導(dǎo)致在太陽(yáng)能電池的表面沉積的金屬不均勻。而在本發(fā)明的電化學(xué) 反應(yīng)中，只要光照強(qiáng)度在太陽(yáng)能電池的表面是均勻的，太陽(yáng)能電池所 產(chǎn)生的電勢(shì)在其整個(gè)表面也是均勻的，即，在其表面沉積的金屬是均 勻的。另一方面，在本發(fā)明的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，含有太陽(yáng)能電池陰極 的表面和電解質(zhì)溶液接觸，太陽(yáng)能電池的另一表面不和電解質(zhì)溶液接 觸，因此不必使用外置電源保護(hù)太陽(yáng)能電池的另一表面的金屬。這樣， 太陽(yáng)能電池表面的電勢(shì)可以從零開(kāi)始變化，能很好地控制在太陽(yáng)能電池陰極表面的電化學(xué)反應(yīng)速率，電化學(xué)沉積金屬的速率也可以通過(guò)改 變光照強(qiáng)度進(jìn)行任意的變化。本發(fā)明的方法制成的太陽(yáng)能電池的陰極表面所沉積的金屬是非常 均勻的。這是因?yàn)樘?yáng)能電池產(chǎn)生的電勢(shì)正比于它所接收到的光照強(qiáng) 度，只要在保證光照強(qiáng)度均勻的條件下，太陽(yáng)能電池的電勢(shì)在整個(gè)表 面是非常均勻的，不受陽(yáng)極金屬塊所處的位置、形狀和尺寸的影響。 均勻的電勢(shì)產(chǎn)生了均勻的電化學(xué)反應(yīng)速率，因此也就能得到均勻的金 屬沉積層。池。為了減少太陽(yáng)能電池的反射率，在其具有高方塊電阻的表面上一 般會(huì)鍍上一層降低反射率的減反膜。這層減反膜在本發(fā)明電化學(xué)沉積 金屬的過(guò)程中作為掩膜，阻止太陽(yáng)能電池的陰極所產(chǎn)生的電子與電解 質(zhì)溶液中的金屬離子接觸。而在進(jìn)行過(guò)選擇性擴(kuò)散的低方塊電阻表面 沒(méi)有該掩膜的保護(hù)，太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電子和電解質(zhì)溶液內(nèi)的金屬 離子接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在其表面生成金屬導(dǎo)電電極。本發(fā)明的電化學(xué)沉積金屬的過(guò)程可以是間隙的，也可以是連續(xù)的。在間隙電化學(xué)沉積金屬的過(guò)程中，本發(fā)明的太陽(yáng)能電池3 0被固定 在電解質(zhì)溶液20的上方，其含有陰極的表面與電解質(zhì)溶液20接觸。 當(dāng)太陽(yáng)能電池30接收到發(fā)光器件60所發(fā)出的光后，電解質(zhì)溶液20中 的金屬離子就會(huì)在太陽(yáng)能電池的陰極表面接收到電子，生成金屬并沉 積在太陽(yáng)能電池的陰極表面。在連續(xù)電化學(xué)沉積金屬的過(guò)程中，本發(fā)明的太陽(yáng)能電池3 0在水平 方向移動(dòng)。移動(dòng)太陽(yáng)能電池30的方式可以是滾輪，或者是移動(dòng)支架。例如，太陽(yáng)能電池30可以被放置在一組滾輪上，其含有陰極的表面和 在其下面的電解質(zhì)溶液20接觸，當(dāng)這組滾^^向某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，太陽(yáng) 能電池30就在這組滾輪上沿著該方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)電化學(xué)沉積金屬 的過(guò)程。以下為使用本發(fā)明的方法的幾個(gè)具體實(shí)施例。 一、第一實(shí)施例 第一步為制作傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池P型硅片在經(jīng)過(guò)制絨，擴(kuò)散，邊緣刻蝕，N型表面氮化硅鍍膜，P 型表面絲網(wǎng)印刷鋁漿，N型表面絲網(wǎng)印刷銀漿，經(jīng)燒結(jié)后測(cè)得該太陽(yáng) 能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為16.57%，其中它的開(kāi)路電壓，電流密度，串 聯(lián)電阻，并聯(lián)電阻和填充因子分別為625mV; 35.3mA/cm2; 0.0075Q; 13.11Q; 75.1%。第二步為配制電解質(zhì)溶液銅電解質(zhì)溶液的配制把200克硫酸銅，120克辟u(mài)酸，4.5毫升光 亮劑VF100,均勻地溶入l升的水中。錫電解質(zhì)溶液的配制將50克硫酸亞錫，60克硫酸，48克酚磺 酸，2.4克甲酚均勻地溶入1升的水中。第三步為電化學(xué)沉積金屬把太陽(yáng)能電池的陰極表面和上述銅電解質(zhì)溶液接觸，太陽(yáng)能電池 的陽(yáng)極和在銅電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體銅連接。發(fā)光器件》文置在透明的電解質(zhì)溶液槽的下部。在太陽(yáng)能電池受到光照十五分鐘后，測(cè)得沉積在 太陽(yáng)能電池的陰極導(dǎo)電電極上的銅層厚度約為10微米。然后再把經(jīng)上述步驟得到的太陽(yáng)能電池的陰極和上述錫電解質(zhì)溶 液接觸，太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和在錫電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體錫連接。發(fā)光 器件放置在透明的電解質(zhì)溶液槽的下部。在太陽(yáng)能電池受到光照 一分 鐘后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的陰極導(dǎo)電電極上的錫層厚度約為0.01微米。同時(shí)測(cè)得該太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率被提高到16.94%，其中 它的開(kāi)路電壓為626mV,電流密度為35.2mA/cm2,串聯(lián)電阻為 0.0045a并聯(lián)電阻為49.41Q,填充因子為76.9%。二、第二實(shí)施例第一步為制作埋柵電池P型硅片在經(jīng)過(guò)制絨，淺擴(kuò)散，邊緣刻蝕，氧化，在N型表面用 激光刻埋柵槽，在埋柵槽內(nèi)深擴(kuò)散，在P型表面濺射鋁，然后鋁燒結(jié)， 在埋柵槽內(nèi)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，再進(jìn)行鎳燒結(jié)后形成鎳硅合金。第二步為配制電解質(zhì)溶液鎳電解質(zhì)溶液的配制將150克硫酸鎳，8克氯化鈉，30克硼酸， 40克無(wú)水硫酸鈉，均勻地溶入1升的水中。銅電解質(zhì)溶液的配制把200克硫酸銅，120克硫酸，4.5毫升光 亮劑VF100,均勻地溶入1升的水中。銅鋅合金電解質(zhì)溶液的配制把75克氰化亞銅，9克氰化鋅，55 克氰化鈉，IO克碳酸鈉，4克氟化鈉，均勻地溶入l升的水中。第三步為電化學(xué)沉積埋柵電池陰極金屬把該太陽(yáng)能電池的陰極表面和上述鎳電解質(zhì)溶液接觸，太陽(yáng)能電 池的陽(yáng)極和在鎳電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體鎳連接。發(fā)光器件放置在透明的 電解質(zhì)溶液槽的下部。在太陽(yáng)能電池受到光照五分鐘后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的埋柵槽內(nèi)的鎳層厚度約為0.1微米。再把經(jīng)過(guò)上述步驟的太陽(yáng)能電池的陰極表面和上述銅電解質(zhì)溶液 接觸，該太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和在銅電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體銅連接。發(fā)光 器件放置在透明的電解質(zhì)溶液槽的下部。在太陽(yáng)能電池受到光照二十分鐘后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的埋柵槽內(nèi)的銅層厚度約為15微米。然后再把經(jīng)過(guò)上述步驟的太陽(yáng)能電池的陰極表面和上述銅鋅合金 電解質(zhì)溶液接觸，該太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和在銅鋅合金電解質(zhì)溶液內(nèi)的 固體銅鋅合金連接。發(fā)光器件放置在透明的電解質(zhì)溶液槽的下部。在 太陽(yáng)能電池受到光照二分鐘后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的埋柵槽內(nèi)的 銅鋅合金層厚度約為0.01微米。同時(shí)測(cè)得該太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效 率為17.53%,其中它的開(kāi)路電壓為620mV,電流密度為35.7mA/cm2， 串聯(lián)電阻為0.0040Q,并聯(lián)電阻為〉1000,填充因子為79.2%。三、第三實(shí)施例第一步為制作全背面導(dǎo)電電極太陽(yáng)能電池在N型硅片上制絨，N型擴(kuò)散，氧化，采用光刻膠作為掩膜把P 型電極接觸區(qū)打開(kāi)，P型深擴(kuò)，采用光刻膠作為掩膜把N型電極接觸 區(qū)打開(kāi)，在電極接觸區(qū)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，再進(jìn)行鎳燒結(jié)后形成鎳硅合金。第二步為配制電解質(zhì)溶液鎳電解質(zhì)溶液的配制將150克硫酸鎳，8克氯化鈉，30克硼酸， 40克無(wú)水石克酸鈉，均勻地溶入1升的水中。銅電解質(zhì)溶液的配制把200克硫酸銅，120克硫酸，4.5毫升光 亮劑VFIOO，均勾地溶入1升的水中。銅錫電解質(zhì)溶液把20克氰化亞銅，30克錫酸鈉，20克氰化鈉， IO克氫氧化鈉，均勻地溶入l升的水中。第三步為電化學(xué)沉積全背面導(dǎo)電電極太陽(yáng)能電池電極把該太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極表面和上述鎳電解質(zhì)溶液接觸，該太 陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和一個(gè)外置電源的陰極相聯(lián)接，該外置電源的陽(yáng)極和 在鎳電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體鎳連接。發(fā)光器件放置在太陽(yáng)能電池的上部。 把外置電源的輸出電流控制在1安培，在太陽(yáng)能電池受到光照五分鐘 后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的陰極表面的鎳層厚度約為O.l微米，測(cè)得 沉積在太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極表面的鎳層厚度約為0.08微米。再把經(jīng)過(guò)上述步驟的該太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極表面和上述銅電解 質(zhì)溶液接觸，太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和一個(gè)外置電源的陰極相聯(lián)接，該外 置電源的陽(yáng)極和在銅電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體銅連接。發(fā)光器件放置在太 陽(yáng)能電池的上部。把外置電源的輸出電流控制在1.5安培，在太陽(yáng)能電 池受到光照二十分鐘后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的陰極表面的銅層厚 度約為15微米，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極表面的銅層厚度約為12 微米。然后再把經(jīng)過(guò)上述步驟的該太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極表面和上述銅 錫電解質(zhì)溶液接觸，該太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和一個(gè)外置電源的陰極相連 接，該外置電源的陽(yáng)極和在銅錫電解質(zhì)溶液內(nèi)的固體銅和固體錫連接。發(fā)光器件放置在太陽(yáng)能電池的上部。把外置電源的輸出電流控制在0.5 安培，在太陽(yáng)能電池受到光照二分鐘后，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的陰 極表面的銅錫層厚度約為0.01微米，測(cè)得沉積在太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極表面的銅錫層厚度約為0.008微米。同時(shí)測(cè)得該太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效 率為18.02%，其中它的開(kāi)路電壓為620mV，電流密度為36.9mA/cm2， 串聯(lián)電阻為0.0051Q，并聯(lián)電阻為MOOQ,填充因子為78.8%。本發(fā)明特別適用于陰極和陽(yáng)極分別在二個(gè)不同表面的太陽(yáng)能電池。例如，大多數(shù)商業(yè)化的太陽(yáng)能電池的陰極和陽(yáng)極分別在二個(gè)不同 的表面。商業(yè)化太陽(yáng)能電池的主受光面是它的陰極表面，為了減小電 極的遮光面積，該太陽(yáng)能電池的陰極金屬導(dǎo)電電極是由許多柵線所組 成。這種商業(yè)化太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極在其另外一個(gè)表面。本發(fā)明在應(yīng)用 于這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池時(shí)，把其陰極表面和電解質(zhì)溶液接觸，把其 陽(yáng)極表面連接固體金屬并且不和電解質(zhì)溶液接觸。這種電化學(xué)反應(yīng)的 過(guò)程，很容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。本發(fā)明也同時(shí)適用于陰極和陽(yáng)極在同 一表面的太陽(yáng)能電池。為了消除導(dǎo)電電極的遮光面積，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率， 可以把太陽(yáng)能電池的陰極和陽(yáng)極都放在太陽(yáng)能電池的主受光表面的反 面。本發(fā)明在用于這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池時(shí)，把該太陽(yáng)能電池的含有 陰極和陽(yáng)極的一面和電解質(zhì)溶液接觸。在該太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和固體 金屬之間連接一個(gè)外置電源，并且把發(fā)光器件放置于太陽(yáng)能電池的上 方。當(dāng)發(fā)光器件發(fā)出光并且外置電源進(jìn)行供電時(shí)，太陽(yáng)能電池的陰極 和陽(yáng)極同時(shí)發(fā)生電化學(xué)沉積金屬的反應(yīng)，即陰極和陽(yáng)極的金屬導(dǎo)電電極同時(shí)生成。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度和外置電源的供電強(qiáng)度， 可以調(diào)節(jié)在陰極和陽(yáng)極的沉積金屬的速率。本發(fā)明不局限于上述特定實(shí)施例子，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí) 質(zhì)情況下，熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)改變和變 形，但這些相應(yīng)改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種電化學(xué)沉積太陽(yáng)能電池金屬電極的方法，其特征在于，包括以下步驟將太陽(yáng)能電池(30)的含有陰極的表面與電解質(zhì)溶液(20)接觸；將太陽(yáng)能電池(30)的陽(yáng)極和固體金屬(50)連接；使用光源(60)對(duì)太陽(yáng)能電池(30)的主受光表面進(jìn)行光照；所述電解質(zhì)溶液(20)中的金屬離子接受所述太陽(yáng)能電池(30)陰極表面產(chǎn)生的電子后生成金屬并沉積在所述太陽(yáng)能電池(30)的陰極表面，同時(shí)所述固體金屬(50)為所述太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極提供電子后生成金屬離子并溶入電解質(zhì)溶液(20)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池(30) 除了含有陰極的表面外不與所述電解質(zhì)溶液(20)接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池(30) 與所述電解質(zhì)溶液(20)接觸的表面只含有陰極。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池(30) 與所述電解質(zhì)溶液(20)接觸的表面同時(shí)含有陰極和陽(yáng)極。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該電解質(zhì)溶液 (20)包括金屬離子、酸根、水和添加劑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該電解質(zhì)溶液(20) 含有至少一種或一種以上的金屬離子。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該電解質(zhì)溶液(20) 含有至少一種或一種以上的酸根。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該電解質(zhì)溶液(20) 還包括一種或 一種以上的添加劑。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述主受光表面為 該太陽(yáng)能電池(30)與所述電解質(zhì)溶液(20)相接觸的表面。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述主受光表面 為該太陽(yáng)能電池(30)未與所述電解質(zhì)溶液(20)接觸的表面。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述進(jìn)行光照 的步驟中，光照的光源(60)為自然光或照明器件發(fā)出的光。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述進(jìn)行光照 的步驟中，光直接照射到太陽(yáng)能電池(30)的表面。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述進(jìn)行光照 的步驟中，光透過(guò)電解質(zhì)或其他介質(zhì)后照射到太陽(yáng)能電池(30)的表 面。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池 (30)的陽(yáng)極和所述固體金屬(50)通過(guò)導(dǎo)線(40)電連接。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1或14所述的方法，其特征在于，所述固體金 屬(50)由至少一種金屬組成。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1或14所述的方法，其特征在于，所述固體金 屬(50)至少有一個(gè)表面接觸所述電解質(zhì)溶液(20)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括在 太陽(yáng)能電池(30)的陽(yáng)極和固體金屬(50)之間連接外置電源的步驟。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述外置電源為 直流電源，該直流電源的陰極連接所述太陽(yáng)能電池(30)的陽(yáng)極，該 直流電源的陽(yáng)極連接所述固體金屬(50)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，該直流電源的輸 出功率不小于零。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該固體金屬(50) 的成分與沉積在太陽(yáng)能電池(30)陰極表面上的金屬成分相同。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池 (30)固定在電解質(zhì)溶液(20)的上方。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池 (30)在水平方向移動(dòng)。
全文摘要
一種電化學(xué)沉積太陽(yáng)能電池金屬電極的方法，其包括以下步驟將太陽(yáng)能電池的含有陰極的表面與電解質(zhì)溶液接觸；將太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和固體金屬連接；對(duì)太陽(yáng)能電池的主受光表面進(jìn)行光照；所述電解質(zhì)溶液中的金屬離子接受所述太陽(yáng)能電池陰極表面產(chǎn)生的電子后生成金屬并沉積在所述太陽(yáng)能電池的陰極表面，同時(shí)所述固體金屬為所述太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極提供電子后生成金屬離子并溶入電解質(zhì)溶液。該方法解決了由于金屬沉積在陽(yáng)極造成短路而引起的電池效率下降的問(wèn)題，同時(shí)避免了使用任何電鍍掛具損壞太陽(yáng)能電池片以及造成沉積金屬不均勻的可能，并且能有效控制電化學(xué)反應(yīng)速率，保證所沉積的金屬的均勻性，特別有利于制備具有選擇性擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101257059SQ20071018826
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者季靜佳, 斯圖亞特·威耐姆, 施正榮, 陳麗萍 申請(qǐng)人:無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司