ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЙ КОНТАКТ КРЕМНИЕВОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую, в частности, к конструкциям контактов на полупроводниковом фотоэлектрическом 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, МКИ H 01 L 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 продольной 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, МКИ H 01 L 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.
Полезная модель решает задачу повышения механической прочности соединений в конструкции контактов. Технический результат заключается в повышении срока службы фотоэлектрического преобразователя и качества сборки солнечных модулей, снижении трудоемкости и стоимости его изготовления, а также повышении эффективности фотоэлектрического преобразователя за счет улучшения условий токосъема путем исключения попадания материала никеля на широкие токосъемные полосы.
Технический результат достигается тем, что в толстопленочном контакте кремниевого фотоэлектрического преобразователя, включающего по меньшей мере узкие токопроводящие проводники с металлическим покрытием, проходящие вдоль одной оси фотоэлектрического преобразователя на расстоянии шага друг от друга, и широкие токопроводящие проводники, проходящие параллельно другой его оси на одинаковом расстоянии по обе стороны от нее для присоединения токоотводящих проводников, металлическое покрытие расположено на расстоянии не более трех миллиметров от краев широких токопроводящих
площади 95-98% от общей площади поверхности узких токопроводящих проводников.
Целесообразно металлическое покрытие выполнить с одинаковым или различным отступом от краев широких токопроводящих проводников на каждом, узком токопроводящем проводнике.
Целесообразно металлическое покрытие по меньшей мере на одном узком токопроводящем проводнике расположить непосредственно у края широкого токопроводящего проводника.
Предпочтительно узкие токопроводящие проводники выполнить в виде токосборных полос.
Предпочтительно узкие токопроводящие проводники выполнить в токосборных полос с уширительными площадками, расположенными в местах пересечений узких и широких токопроводящих проводников.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Сущность полезной модели заключается в том, что металлическое покрытие наносится только на узкие токосъемные полосы и его площадь составляет 95-98% от общей площади узких токосборных проводников.
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) выполнен 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 пластины, и выполнен в виде толстопленочной контактной сетки, состоящей из проходящих без разрыва параллельно поперечной (горизонтальной) оси с определенным шагом, 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 имеющих 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 псевдо квадрата, 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 контактами возникает электрическое напряжение, а через сниженный потенциальный 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 узких токосборных полос 2 позволяет сохранить гарантированное хорошее качество контакта широких токосъемных полос 3 к кремниевой 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 кремниевой пластине 1) в предлагаемом ФЭП.
При изготовлении толстопленочного контакта 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 для
нанесения металлического покрытия остались зоны 6 на некоторых (фиг.2б, фиг.2в, фиг.2 г, фиг.3б, фиг.3в, фиг.3г) или на всех узких токосборных полосах 2 (фиг.2а, фиг.3а). Экспериментально установлено, что при общей площади металлического покрытия 4 в пределах 95-98% от общей площади узких токосборных полос 2, не происходит ухудшение 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 0-3 мм от краев широких токосъемных полос 3, т.е. непосредственно у краев широких токосъемных полос 3 и/или на расстоянии 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 полос 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 4) узких токосборных проводников 2 от попадания растворов;
- применением для защиты широкой части токосъемных полос 3 и части поверхности (краев) 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.
4
2
4
3
5
Для примера конкретного выполнения толстопленочного контакта использовались пластины монокристаллического кремния р-типа или n-типа с ориентацией (100). После формирования диодной структуры в полупроводниковой пластине 1 любым известным способом на обе ее стороны методом трафаретной печати серебросодержащей пасты наносится контактная сетка, состоящая из узких 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 4 узких токосборных проводников 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, NiSO - 220 г/л, NaSO - 200 г/л, НBO - 5 г/л в течение 5-10 минут наносится слой никеля, при этом широкие (облуженные) токосъемные
полосы 3 часть общей поверхности узких токосборных полос 2 защищаются от попадания электролита специальным приспособлением в виде маскирующего шаблона, размеры которого превышают размеры токосъемных полос 2 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 70-100г при угле отрыва 90° (см.таблицу 1) от облуженной контактной площадки медной шины толщиной 0,1 миллиметра и шириной 1,3 миллиметра.
Таблица 1
ФЭП
Расстояние (d)слоя никеля слева от широких проводников, мм
Расстояние (d)слоя никеля справа от широких проводников, мм
Площадь слоя никеля от общей площади узких проводников, %
Площадь слоя никеля на широких проводниках, %
Прочность контактов толстопленочных проводников, г
Эффектив ность ФЭП, %
1. Базовый
0
0
100
3
60-70
15
2. Вариант - фиг.1a
3
3
95
0
70-80
16
3. Вариант - фиг.1б
0
0-3
97
0
90-100
16
4. Вариант в)
0-3
0
97
0
90-100
16
5. Вариант - фиг.1г
0-3
0-3
98
0
80-90
16
6. Вариант - фиг.2а
3
3
95
0
70-80
16
7. Вариант - фиг.2б
0
3
96
0
70-80
16
8. Вариант - фиг.2в
3
0
96
0
70-80
16
9. Вариант - фиг.2г
0-3
0-3
98
0
90-100
16