Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von ebenem Gut in Durchlaufanlagen

Die Erfindung betrifft den Transport bzw. die Förderung und die elektrische Kontaktierung von ebenem Gut in elektrolytischen oder nasschemischen Durchlaufanlagen . Bei dem Gut handelt es sich z. B. um Wafer, Solarzellen aus Silizium, Leiterplatten oder Hybride, die mindestens bei einem Prozess nur einseitig unter Anwendung von Außenstrom, z. B. elektroly- tisch zu behandeln sind. Dabei soll die nicht zυ behandelnde Seite des Gutes von der Behandlungsflüssigkeit nicht benetzt oder verunreinigt werden. Selbst geringste Benetzungen als Spuren müssen vermieden werden, um einen Ausschuss des Gutes zu vermeiden.

Die Druckschriften DE 10 2005 038 449 Al und EP 0 992 617 A2 zeigen weit verbreitete Durchlaufanlagen mit typischen angetriebenen Fördermitteln als Walzen mit Ringen und Wellen mit Rollen und Rädchen.

Durch die Anordnungen der Fördermittel in diesen Durchlaufanlagen werden sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Gutes bestimmungsgemäß mit der Behandlungsflüssigkeit benetzt. Soll oder darf nur die Unterseite des Gutes benetzt werden, so bedarf es eines erheblich größeren technischen Aufwandes, zumindest bei einer elektrolytischen Behandlung des Gutes . In diesem Falle reicht die Behandlungsflüssigkeit nur bis zur Unterseite des meist dünnen Gutes heran. Zur sicheren elektrischen Kontaktierung muss mindestens von einer Seite eine Kontaktkraft auf das flache Gut ausgeübt werden. Eine derartige Galvanisiereinrichtung beschreibt die Druckschrift DE 10 2005 039 100 Al. Die Oberseiten der Güter, z. B. Substrate als Solarzellen, werden in einem Rahmen mittels Dichtungen gegen ein Eindringen der bis an die Unterseite derselben heranrei- chenden Behandlungsflüssigkeit geschützt. Sehr weiche Andruck-

rollen drücken die Solarzellen zur elektrischen Kontaktierung gegen die Kontakte der Rahmenvorsprünge. Der Rahmen dient zur Aufnahme mehrerer Solarzellen.

Bei den zuerst genannten beiden Druckschriften rollen die Transportmittel bzw. Kontaktmittel auf der Oberseite und Unterseite des Gutes ab. Transportmittel dienen nur zum Zwecke des Transports des Gutes . Die Kontaktmittel dienen zum Transport und zur elektrischen Kontaktierung des Gutes oder nur zu dessen Kontaktierung.

Selbst wenn das Niveau der Behandlungsflüssigkeit und die Höhe der Transportbahn so eingestellt sind, dass nur die Unterseite des Gutes benetzt wird, bleibt die Oberseite beim Stand der Technik mindestens partiell nicht trocken, weil das Gut in Abschnitten, z. B. als Solarzellen parallel und hintereinander durch die Durchlaufanläge gefördert wird. Zwischen jedem Gut befindet sich allseitig ein Freiraum von etwa 10 bis 30 mm, der nachfolgend quer zur Transportrichtung bzw. Förderrichtung als Querlücke bezeichnet wird. Die unteren rotierenden Fördermittel sind vollständig in der Behandlungsflüssigkeit eingetaucht und von ihr benetzt. Diesen Fördermitteln gegenüber befinden sich an der Oberseite des Gutes weitere Fördermittel. Sie rollen auf der Oberseite des dort zunächst trockenen Gutes ab. Nach jedem Abschnitt von Gut kommt eine Querlücke. In dieser Lücke rollt das obere noch trockene Fördermittel auf dem unteren nassen Fördermittel kurzzeitig ab, insbesondere dann, wenn das Gut sehr dünn ist und/oder wenn diese Querlücke die genannte Länge aufweist. Das obere Fördermittel nimmt dabei Behandlungsflüssigkeit vom unteren Fördermittel auf. Diese Behandlungsflüssigkeit wird dann auf die Oberfläche der Oberseite des nachfolgenden Gutes übertragen.

Eine Durchlaufanläge besteht in Förderrichtung z. B. aus 100 oder mehr rotierenden Transportwellen, die nachfolgend kurz

als Wellen bezeichnet werden. Diese erstrecken sich quer zur Transportrichtung über die gesamte Transportbahn. Auf den Wellen sind entsprechend der Breite der Förderbahnen viele Fördermittel angeordnet. Wegen der großen Anzahl von Wellen wiederholt sich der Effekt der übertragung der Behandlungsflüssigkeit vom unteren Fördermittel an die Oberseite des Gutes 100-mal oder öfters. Das Gut wird dadurch an der Oberseite mindestens im Bereich der Transportspuren durch die Fördermittel benetzt, auch wenn das Niveau der Behandlungs- flüssigkeit nicht bis zur heranreicht.

Um die nicht zu benetzende Oberseite des Gutes im Rahmen einer einseitigen Spraybehandlung trocken zu halten, wird gemäß DE 690 00 361 T2 die Verwendung einer diese Oberseite schützenden Abdeckung vorgeschlagen. Diese Art der Lösung ist jedoch im Rahmen der vorliegenden Nassbehandlung ungeeignet, weil insbesondere in den Randbereichen des Guts durch den ohne Dichtmittel unvermeidbaren Kapillarspalt unerwünscht Flüssigkeit auch an die Oberseite des Guts gelangen würde. Bei einer zusätzlichen Verwendung von Dichtmitteln müssten diese mit relativ hohem Flächendruck an die Oberseite des Guts gepresst werden, was wiederum zu einer Beschädigung bis hin zum Bruch desselben führen würde. Derartige Dichtmittel werden in der DE 88 12 212 Ul offenbart, wobei die Dichtmittel bereits an der Unterseite des zu behandelnden Gutes angreifen und so ein übertreten einer ätzlösung auf die trocken zu haltende Oberseite verhindern. Eine Anordnung von Dichtmitteln an der Unterseite erlaubt jedoch naturgemäß nur eine unvollständige Behandlung derselben, was vorliegend unerwünscht ist.

Die Druckschriften DE 103 13 127 B4 und WO 2005/093788 beschreiben jeweils in Durchlaufanlagen durchführbare nasschemische ätzverfahren für Substrate, bei denen die Flüssigkeitshöhe so eingestellt wird, dass nur die Unterseite der Substra- te einschließlich der Kanten benetzt wird. Weil das flache Gut

allein auf unteren Fördermitteln aufliegt, wird in diesem Falle die Oberseite nicht benetzt. Dieses Verfahren zur Trockenhaltung der Oberseite ist jedoch zur elektrolytischen Behandlung von Gut nicht vorgesehen. Eine hierfür mögliche elektrische Kontaktierung an der kathodischen Unterseite, d. h. an der zu galvanisierenden Seite im Elektrolyten, erfordert eine fortlaufende anodische Entmetallisierung der Kontaktmittel in diesem Elektrolyten. Dies ist z. B. bei den in der Praxis vorkommenden Edelmetallen nicht möglich. Diese Edelme- talle lassen sich in dem gegebenen Elektrolyten dπυάisch nicht auflösen. Auf diesem Wege ist demnach eine Entmetallisierung der galvanisierten Kontakte nicht möglich. Deshalb wird bei einer nicht zu galvanisierenden, jedoch trocken zu haltenden Oberseite versucht, an dieser Seite außerhalb des Elektrolyten elektrisch zu Kontaktieren. Diese bekannten oberen Kontaktmittel werden aber in den beschriebenen Querlücken zwischen zwei aufeinander folgenden Gütern benetzt. Weil sie kathodisch gepolt sind, werden sie im Bereich der Querlücken auch besonders intensiv galvanisiert, was es zu vermeiden gilt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die horizontale Förderung von nur an einer Seite, nämlich der Unterseite unter Anwendung von Außenstrom nasschemisch oder elektrolytisch zu behandelndem Gut in Durchlaufanlagen zu ermöglichen, wobei sich an der Oberseite des Gutes entlang der Transportbahn Kontaktmittel im Kontakt mit dem Gut befinden und dass dabei die nur bis an die Unterseite des flachen Gutes heranreichende Behandlungsflüssigkeit nicht auf die trockene Oberseite übertragen wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und durch das Verfahren nach Patentanspruch 13. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung. Die Verfahren zur Behandlung von z. B. Wafern, Solarzellen oder Hybriden betreffen insbesondere das Galvani- sieren, das elektrolytische ätzen und das elektrolytische

Polieren. Die Erfindung eignet sich auch für weitere Nassprozesse, wie z. B. das Dotieren, Aktivieren, Passivieren, Texturieren und das chemische ätzen, falls hierfür durch einen Außenstrom eine Beschleunigung oder Verbesserung des Prozesses erreicht werden kann. Derartige Prozesse kommen bei Gütern vor, die in sehr großer Stückzahl produziert werden. Dafür werden die Durchlaufanlagen zur Produktion eines mindestens in den Abmessungen stets gleichbleibenden Gutes hergestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung nur noch am Beispiel H^s Gdivanisierens und der hierfür erforderlichen Anoden beschrieben. Sie gilt jedoch auch für die anderen Prozesse bei Anwendung von Außenstrom. Hierfür können die erforderlichen Gegenelektroden anodisch oder kathodisch sein und die Kontakte sowie das Gut kathodisch oder anodisch.

Die Erfindung wird am Beispiel von Solarzellen mit den weit verbreiteten Abmessungen 156 x 156 mm ² beschrieben. Sie gilt jedoch uneingeschränkt auch für anderes flaches Gut, das als Abschnitte in Durchlaufanlagen zu behandeln ist.

Die Behandlung der Solarzellen stellt eine ganz besondere technische Herausforderung dar. Die Dicke dieser Silizium ^¬ scheiben beträgt z. B. 140 μm oder weniger. Daher sind sie sehr Bruch empfindlich. Die bei der Nassbehandlung trocken zu haltende Oberfläche der Oberseite würde mit den Behandlungsflüssigkeiten meist sehr heftig reagieren, d. h. sie muss gegen eine Benetzung sicher geschützt werden. Dies bedeutet, dass auch obere Fördermittel und/oder Kontaktmittel in den oben beschriebenen Querlücken von den unteren Fördermitteln oder weiteren Konstruktionsmitteln nicht benetzt werden dürfen. Gleiches gilt für andere Produkte als Abschnitte, die mit trockener Oberseite zu behandeln sind.

In einer Durchlaufanläge werden in der Regel mehrere gleiche

Güter, z. B. Solarzellen parallel, d. h. nebeneinander beschickt und nacheinander eingefahren. Die Wellen, die quer zur Transportrichtung angeordnet sind, enthalten entsprechend viele Förderspuren, z. B. 8 mit den erforderlichen Transport- mittein und/oder Kontaktmitteln auf jeder Welle. Die Förderspuren werden nachfolgend mit Großbuchstaben bezeichnet, z. B. A bis H für 8 Förderspuren. Jede Welle befindet sich in Förderrichtung auf einer Position der Durchlaufanläge, die hier mit Ziffern bezeichnet werden sollen, z. B. Position Pos .1 für die ^p rste Welle der Durchlaufctuidge .

Die Erfindung sieht an der Unterseite nur Fördermittel vor, deren Längs- und Querabstände von den Abmessungen des Gutes abhängen. An der Oberseite sieht die Erfindung Kontaktmittel vor, die zugleich auch als Fördermittel wirken können. Die Anzahl dieser Mittel an den beiden Seiten des Gutes ist bevorzugt unterschiedlich groß. Das Niveau des Elektrolyten reicht bis an die Unterseite des Gutes heran, so dass diese Seite nass behandelt werden kann. An den Stellen, an denen sich die oberen Kontaktmittel und/oder obere Fördermittel befinden, ist das Niveau des Elektrolyten erfindungsgemäß mindestens so weit abgesenkt, dass diese Kontakt- und/oder Fördermittel auch dann nicht benetzt werden können, wenn sich kein Gut vor dem Kontakt oder Fördermittel befindet. Zur Absenkung des Niveaus dienen örtlich begrenzt wirkende überläufe .

Zur Förderung wird das Gut in Förderrichtung mindestens von den Fördermitteln getragen und gefördert, die sich auf den unteren Wellen befinden. Die Fördermittel können als Transporträder, Transportringe, Transportscheiben auf rotierenden Wellen ausgebildet sein. Der Abstand a der Wellen oder Walzen in Förderrichtung ist im Allgemeinen unabhängig von den Abmessungen des Gutes und der Querlücke. Er richtet sich insbesondere nach der Länge des Gutes. Um eine sichere Förde-

rung zu gewährleisten, sollten stets mindestens zwei Wellen mit Fördermitteln in Förderrichtung mit dem Gut im Eingriff sein.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der schematischen und nicht maßstäblichen Figuren 1 bis 3 weiter beschrieben.

Figur 1 zeigt als Ausschnitt in der Draufsicht die Anordnung der Fördermittel und der überläufe im Arbeitsbehälter. Figur 2 zeigt in der Seitenansicht eine Durchlaufanläge zum elektroly- tiochen Belicuidein von Solarzellen. Figur 3 a zeigt mit Blick in Transportrichtung die Situation eines Kontaktes während der elektrischen Kontaktierung. Figur 3 b zeigt diese Situation während einer Querlücke im Bereich des Kontaktes.

In Figur 1 wird das Gut 1 in Richtung des Transportrichtungspfeiles 2 gefördert. Hierzu dienen rotierend angetriebene Wellen 3 als Fördermittel. Diese Wellen 3 können, wie dargestellt, mit Ringen 4 versehen sein, die den endgültigen Außendurchmesser des Fördermittels ergeben. Das Gut 1 liegt auf den mit der Welle 3 rotierenden Ringen 4 auf. Es wird nicht zuletzt wegen des im unten beschriebenen überlaufrohr 5 auftretenden Soges an die Ringe 4 herangezogen, wodurch ein spurgenauer Transport des Gutes 1 erfolgt. Als Fördermittel eignen sich auch Rädchenwellen oder Walzen. Die Walzen weisen überwiegend den entsprechend großen Außendurchmesser auf. Jedem Fördermittel 3 kann im Bereich einer jeden Förderspur A, B, C, usw. mindestens ein Kontaktmittel zugeordnet sein. In der Figur 1 ist nach jedem dritten Fördermittel 3 ein nicht dargestelltes Kontaktmittel vorgesehen. Im Bereich dieser Kontaktmittel ist das Niveau des Elektrolyten erfindungsgemäß so weit abgesenkt, dass auch ein nicht mit dem Gut im Eingriff befindlicher Kontakt nicht benetzt wird. Dies wird im Arbeits ^¬ behälter durch örtlich begrenzt angeordnete überläufe für den Elektrolyten erreicht. Im Beispiel der Figur 1 dienen über-

laufrohre 5 oder Fallrohre zur örtlichen Absenkung des Niveaus . Diese überläufe reichen oben bis nahe an die Ebene der Unterseite der Güter 1 heran, wodurch der Transport der Güter nicht behindert wird. Die überlaufkante der überlaufröhre 5 liegt damit geringfügig unter dem allgemeinen Niveau der Behandlungsflüssigkeit des Arbeitsbehälters. Mit dieser Höhendifferenz kann die Menge der überlaufenden Behandlungsflüssigkeit je überlauf eingestellt werden. Das andere Ende des überlaufrohres 5 endet in einem vom Arbeitsbehälter getrennten Unterbehälter als Auffangbehälter und Pumpensumpf . Die Anzahl der Kontaktmittel wird in Transportrichtung so groß gewählt, dass stets mindestens ein Kontakt je Gut 1 im Eingriff ist. Die überläufe und damit die Kontakte auf den Kontaktmitteln sowie die Ringe 4 auf den Wellen 3 sind quer zur Transportrichtung zur Vermeidung von Spurbildungen jeweils von Position zu Position bevorzugt versetzt angeordnet.

Die Figur 2 zeigt die Kontakte 6, die sich an stationär angeordneten Kontaktmitteln 7 befinden. Bei den Kontakten 6 handelt es sich um gleitende Kontakte, die auf der elektrisch leitfähigen Oberseite 9 des Gutes 1 entlang gleiten und dabei den zur elektrolytischen Behandlung erforderlichen elektrischen Strom auf das Gut 1 übertragen. Die Kontakte 6 bestehen z. B. aus elektrisch leitfähigen fein drahtigen Litzen oder dünnen elastischen Bänder. An Stelle der gleitenden Kontakte 6 können auch rotierende Kontakte verwendet werden. Diese befinden sich auf rotierend angetriebenen Wellen an der Oberseite 9 des Gutes 1 im Bereich der jeweiligen Kontaktspuren und der überläufe. Das eigentliche Kontaktmittel des Kontaktrades sind z. B. ebenfalls fein drahtige Litzen oder dünne elastische Bänder. Die Kontakte rollen auf der Oberseite 9 des Gutes 1 ab. Sie unterstützen dabei den Transport desselben, wodurch eine größere Kontaktkraft realisierbar ist. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein Gut an der Unterseite vollflächig mit großer Stromdichte zu behandeln ist. In diesem

Falle ist ein größerer Strom über jeden rotierenden Kontakt zu übertragen, z. B. 10 Ampere.

Von der Oberseite 9 gelangt dieser Strom durch das Gut hin- durch zu Unterseite 10, die die eigentliche Behandlungsseite ist. Durch diese Art der elektrischen Kontaktierung wird erreicht, dass die kathodischen Kontakte 6 sehr vorteilhaft nicht galvanisiert werden. Von daher ist auch eine Entmetalli- sierung der Kontakte nicht erforderlich, was erfahrungsgemäß einen sehr großen technischen Aufwand erfordern würde.

Zur sicheren Vermeidung einer Metallisierung der Kontakte 6 dürfen diese nicht mit dem Elektrolyten in Berührung kommen. Hierzu dient ein überlauf, der hier als überlaufrohr 5 darge- stellt ist. Der Elektrolyt 11 fließt, getrennt von der Flüssigkeit im Arbeitsbehälter 12, laminar an der Innenwand des überlaufrohres 5 durch den Boden 14 des Arbeitsbehälters 12 in den Unterbehälter 13, der als Auffangbehälter und zugleich als Pumpenbehälter dient .

Vom Unterbehälter 13 gelangt der Elektrolyt 11 mittels mindestens einer Pumpe 15 in den Arbeitsbehälter 12 zurück, wodurch der Elektrolytkreislauf geschlossen wird.

Die an den Kontaktmitteln 7 befestigten Kontakte 6 gleiten unter einer Vorspannung mechanisch stromübertragend über die Oberseite 9 des Gutes 1. Diese Situation ist links dargestellt. Im Bereich einer Querlücke 8 entspannt und streckt sich der gleitende oder rotierende Kontakt und taucht unter die Ebene der Unterseite 10 des Gutes 1 ab. Dabei berührt er weder die benetzte Innenwand des überlaufrohres 5 noch die Welle 3 bzw. die Fördermittel, die ebenfalls mit Elektrolyt benetzt sein können. Diese Situation ist am rechten überlauf dargestellt .

An Stelle der überlaufröhre 5 können auch langgestreckte überläufe im Bereich der Kontaktmittel angeordnet sein. Ein Beispiel hierfür ist eine überlaufrinne quer zur Transportrichtung .

Die Wellen 3 durchdringen lagernd die überlaufröhre 5. Dies erlaubt eine sehr genaue Einstellung der Höhenlage des Gutes von seiner Unterseite 10 zur Höhe der öffnung der überlaufrohre 5 an dieser Seite. Dadurch bleiben auch bei sehr großen Durchlaufanlagen temperaturbedingte Veränderungen der sungen der Konstruktionselemente ohne Einfluss auf den zum überlauf erforderlichen Abstand von Gut und überlaufröhr .

Im Arbeitsbehälter 12 ist zur Bildung der elektrolytischen Zelle mindestens eine lösliche oder unlösliche Anode 16 innerhalb des Elektrolyten 11 angeordnet. Diese Anode 16, die allgemein auch als Gegenelektrode bezeichnet wird, ist mit mindestens einer Galvanisierstromquelle 17 oder allgemein mit einer Stromquelle elektrisch verbunden. Somit schließt sich der elektrische Galvanisierstromkreis über die Kontaktmittel 7, die Kontakte 6, das Gut 1, den Elektrolyten 11 im Arbeitsbehälter 12 und die Anode 16. Voraussetzung für diesen Stromkreis ist, dass das Gut von der Oberseite 9 zur Unterseite 10 elektrisch leitfähig ist. Dies ist z. B. bei einem metalli- sehen Substrat der Fall. Eine Solarzelle aus Silizium, die an der Sonnenseite galvanisiert werden soll, ist zunächst bei der gegebenen Polarität elektrisch nicht leitend. Erst wenn die Sonnenseite ausreichend beleuchtet wird, wird die Solarzelle generatorisch niederohmig und sie kann den Galvanisierstrom hindurch leiten. Für diese Anwendung wird in die elektrolytische Zelle Licht eingeleitet . Dies erfolgt mit Lichtquellen 18, die bevorzugt zwischen den Fördermitteln quer zur Transportrichtung angeordnet sind.

Die Figur 3 a zeigt den Schnitt A - B der Figur 2. Der elas-

tisch vorgespannte Kontakt 6 liegt auf der Oberseite 9 des Gutes 1 elektrisch kontaktierend auf. In der Regel ist wegen der elektrolytisch zu behandelnden Fläche, die bei Solarzelle an der Sonnenseite klein ist, auch der zu kontaktierende elektrische Strom klein, z. B. 1 Ampere. Von daher ist auch nur eine kleine Kontaktkraft erforderlich. Es hat sich bei Versuchen gezeigt, dass diese Kontaktkraft der gleitenden Kontakte keinen Einfluss auf den Transport des Gutes hat. Obwohl auf obere Fördermittel völlig verzichtet wird, erfolgt der Transport spurgenau auch dann, wenn die KonLctkLe über das Gut 1 hinweggleiten. Als elastische Kontakte 6 eignen sich fein drahtige Litzen aus Kupfer, Edelstahl oder Edelmetall, die nebeneinander als Fächer von z. B. 10 mm Breite angeordnet sind. Auch ein breites elastisches Band aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, das ähnlich einer Spachtel über die Oberseite des Gutes hinweggleitet, ist als Kontakt 6 sehr gut geeignet .

Die Figur 3 b zeigt den Schnitt C - D der Figur 2. Hier befinden sich momentan das Kontaktmittel 7 und damit der Kontakt 6 im Bereich einer Querlücke 8 zwischen zwei Gütern 1. Der elastische Kontakt 6 ist entspannt. Obwohl er sich dabei mit seiner Unterkante unterhalb des allgemeinen Niveaus des Elektrolyten im Arbeitsbehälter befinden kann, wird der Kontakt nicht benetzt. Der kathodisch gepolte Kontakt 6 wird vom überlauf 5 freigehalten. Daher wird er auch nicht galvanisiert .

Durch den permanent überlaufenden Elektrolyten erfolgt an der zu behandelnden Unterseite 10 des Gutes 1 auch ein fortlaufender Elektrolytaustausch. Dies erlaubt bei einer elektrolytischen Behandlung die Anwendung von angemessen großen Stromdichten, z. B. von 10 A/dm ² bei einem sauren Kupferbad. Mittels der erfindungsgemäßen überläufe wird somit nicht nur eine trockene elektrische Kontaktierung erreicht, die keine

Entmetallisierung der Kontakte erfordert, sondern es werden zugleich vorteilhafte hydrodynamische Bedingungen an der zu behandelnden Unterseite des Gutes realisiert.

Bezugszeichenliste

1 Gut, Güter

2 Transportrichtungspfeil 3 Welle, Fördermittel

4 Ring, O-Ring

5 überlauf, Fallrohr

6 Kontakt

7 Kontaktmittel 8 Querlϋcke

D Oberseite des Gutes, Kontaktierungsseite

10 Unterseite des Gutes, Behandlungsseite

11 Elektrolyt, Behandlungsflüssigkeit

12 Arbeitsbehälter 13 Unterbehälter

14 Boden

15 Pumpe

16 Anode, Gegenelektrode

17 Galvanisierstromquelle, Stromquelle 18 Lichtquelle