楊智敏 李曉東* 張 霞

（1、天津恒電空間電源有限公司，天津300384 2、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

空間用太陽(yáng)電池的上、下表面都蒸鍍有金屬電極，其中上表面電極為梳形柵線設(shè)計(jì)，保證正表面入射的太陽(yáng)光產(chǎn)生的光生電流能夠被有效收集，并使太陽(yáng)電池保留有足夠多的受光面產(chǎn)生光生電流。上表面電極柵線采用Au、Ag 材料，通過(guò)電子束蒸鍍方式制備，保證電極導(dǎo)電性、牢固性符合空間環(huán)境電性能要求[1]。Lift-Off 法是一種常見(jiàn)的半導(dǎo)體工藝，其特點(diǎn)是采用光刻膠材料，以光學(xué)加工的形式制備出特定光刻膠圖形，最終制備出符合設(shè)計(jì)需求的金屬圖形，是制備空間用太陽(yáng)電池上電極柵線的主要方式。Lift-Off光刻技術(shù)主要分為兩種：一種是采用反轉(zhuǎn)光刻膠的光刻技術(shù)[2]；另一種是采用負(fù)性光刻膠的光刻技術(shù)。反轉(zhuǎn)光刻膠具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來(lái)在空間用太陽(yáng)電池的生產(chǎn)工藝中廣泛采用。本文采用的負(fù)性光刻膠體系具備工藝時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)[3]，只需一次曝光，但是其工藝穩(wěn)定性尚未在空間用太陽(yáng)電池工藝中得到驗(yàn)證。因此，我們采用空間用三結(jié)GaAs 太陽(yáng)電池，遴選了兩種較為典型的國(guó)產(chǎn)負(fù)性Lift-Off 光刻膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和論證。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 負(fù)性Lift-Off 光刻膠工藝流程

在負(fù)性光刻膠的Lift-Off 工藝中，首先在太陽(yáng)電池基片上旋涂一層光刻膠膜，并將表面膜特定區(qū)域去除，形成與柵線對(duì)應(yīng)的具有上窄下寬的梯形截面膜槽，如圖1（a）、圖1（b），然后蒸鍍金屬層。由于已有光刻膠的遮擋，金屬層蒸鍍后，將形成槽內(nèi)金屬直接蒸鍍?cè)谔?yáng)電池基片表面、槽外金屬蒸鍍?cè)诠饪棠z表面，并且槽內(nèi)、槽外金屬互不接觸的狀態(tài)，如圖1（c）、圖1（d）。之后將帶有光刻膠的金屬層去除，最終得到帶有金屬柵線的太陽(yáng)電池基片，如圖1（e）、圖1（f）。

圖1 光刻工藝制備柵線流程

圖2 光刻工藝步驟

表1 光刻膠的光刻工藝參數(shù)

負(fù)性Lift-Off 光刻膠通過(guò)涂膠、前烘、曝光、中烘、顯影，最終形成蒸鍍槽，工藝步驟見(jiàn)圖2。

1.2 樣品制備

涂膠設(shè)備為自動(dòng)涂膠一體機(jī)，涂膠完成后能夠自動(dòng)進(jìn)行熱板前烘；選用了兩種國(guó)產(chǎn)負(fù)性光刻膠，分別命名為A 光刻膠、B 光刻膠（主要交聯(lián)成分均為酚醛樹(shù)脂），顯影液采用濃度為2.38%的TMAH 溶液。光刻膠厚度采用Alphastep 臺(tái)階儀測(cè)試，截面觀測(cè)采用LEICA 光學(xué)顯微鏡觀測(cè)。光刻膠工藝實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)太陽(yáng)電池基片進(jìn)行預(yù)烘處理，之后進(jìn)行涂膠、前烘、曝光、中烘、顯影，得到具備蒸鍍柵線條件的樣品。

A 光刻膠、B 光刻膠的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

之后進(jìn)行電極蒸鍍、光刻膠剝離、電極燒結(jié)和劃片，得到電池樣品。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 光刻膠圖形

顯影結(jié)束后，采用臺(tái)階儀測(cè)試光刻膠厚度，兩種光刻膠的厚度均為8 微米。Lift-Off 光刻膠在顯影后形成上窄下寬的截面圖形，用顯微鏡觀察光刻膠上表面時(shí)，光刻膠的邊緣會(huì)形成半透明的長(zhǎng)條區(qū)域，該長(zhǎng)條區(qū)域的寬度與光刻膠截面的倒角角度密切相關(guān)。當(dāng)線條傾斜度較大時(shí)，顯微鏡下可以觀察到較粗的線條邊緣，當(dāng)線條傾斜度較小時(shí)，顯微鏡下線條邊緣較窄。采用這種方式可以對(duì)光刻膠顯影截面進(jìn)行粗篩。光刻圖形正表面觀測(cè)圖形見(jiàn)圖3。

圖3 光刻圖形正表面觀測(cè)，A1、A2 為A 光刻膠顯影后上表面圖像，B1、B2 為B 光刻膠顯影后上表面圖像

優(yōu)化后的光刻膠截面圖形見(jiàn)圖4。

圖4 光刻膠截面圖形

從圖4 可知，A 光刻膠的邊緣較為銳利，B 光刻膠的邊緣較鈍。通過(guò)工藝優(yōu)化，兩種光刻膠均達(dá)到可蒸鍍電極的標(biāo)準(zhǔn)。光刻工藝結(jié)束后，采用相同的蒸鍍工藝制備柵線，并劃片成單體電池。

2.2 電極牢固度

根據(jù)空間用太陽(yáng)電池規(guī)范的要求, 空間用太陽(yáng)電池要符合穩(wěn)態(tài)濕熱柵線結(jié)合力要求。將實(shí)驗(yàn)樣品放置在相對(duì)濕度為90%的環(huán)境條件下，恒溫60℃保持96 小時(shí)，采用專用膠帶測(cè)試柵線附著力，實(shí)驗(yàn)如圖5。

圖5 柵線附著力膠帶測(cè)試示意圖

圖6 電池樣片的EL 測(cè)試，左圖：A 電池樣品；右圖：B 電池樣品

在電極牢固性實(shí)驗(yàn)中，首先將膠帶覆蓋到電池的兩個(gè)表面，并摩擦膠帶使之沒(méi)有霧狀空白、牢固地粘住電池，隨后和電池表面成45°至90°把膠帶從電池柵線末端向主柵線一端剝離下來(lái)，目視檢查柵線脫落情況。采用A 光刻膠制備的電池樣品（以下簡(jiǎn)稱“A 電池”）在膠帶實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了柵線脫落現(xiàn)象,采用B 光刻膠制備的電池樣品（以下簡(jiǎn)稱“B 電池”）未出現(xiàn)柵線脫落現(xiàn)象。進(jìn)一步,我們采用EL 測(cè)試對(duì)未進(jìn)行膠帶實(shí)驗(yàn)的兩種樣品進(jìn)行了發(fā)光實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

通過(guò)圖6 可知, A 電池表面出現(xiàn)了較大面積的黑色區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生的原因是金屬柵線與電池基體接觸不良。B 電池表面柵線附著力較好，沒(méi)有明顯的發(fā)光不均現(xiàn)象。

2.3 電性能

對(duì)同批A、B 兩種電池進(jìn)行了電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7 可知，A 電池和B 電池的開(kāi)路電壓相同，但是A 電池的串聯(lián)電阻更大，這從2.5V 定點(diǎn)電壓處的定點(diǎn)電流更小可以看出。A 電池串聯(lián)電阻的增加正是由于部分金屬柵線與電池基體接觸不良造成的。

圖7 電池樣品的電性能IV 曲線

表2 為兩種電池電性能參數(shù)列表，從表2 可知，A 電池的電池轉(zhuǎn)換效率比B 電池低0.73%，填充因子低1.31%。

表2 樣品電性能參數(shù)

3 結(jié)論

采用了兩種國(guó)產(chǎn)光刻膠進(jìn)行了工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)分析了兩種光刻膠的表面、截面特性，證明兩種光刻膠均可以優(yōu)化到較好的顯影圖形。光刻圖形進(jìn)一步制備了金屬柵線，并進(jìn)行了牢固度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A 光刻膠制備的電池柵線發(fā)生了脫落現(xiàn)象，而B(niǎo) 光刻膠制備的電池柵線未發(fā)生脫落。證明B 光刻膠的可靠性比A 光刻膠要好。

通過(guò)電致發(fā)光實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)A 電池表面存在陰影，而B(niǎo)電池表面不存在陰影。這說(shuō)明A 電池發(fā)生電極脫落現(xiàn)象的原因是柵線與太陽(yáng)電池基體未形成良好的接觸。進(jìn)一步的電性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，A 電池的串聯(lián)電阻比B 電池更大，驗(yàn)證了我們的分析。

綜合分析得知，B 光刻膠工藝優(yōu)于A 光刻膠工藝，更適合用于空間用太陽(yáng)電池的柵線制備。