太陽能電池新改進(jìn)，銅布線兼顧高效率與低成本

　　“在日本東北地區(qū)開創(chuàng)全球性產(chǎn)業(yè)”。開發(fā)太陽能電池用新材料的日本東北大學(xué)教授小池淳一充滿信心地表示。小池開發(fā)的技術(shù)可將標(biāo)準(zhǔn)用作太陽能電池受光面電極的銀布線換成更加便宜的銅布線。小池過去曾開發(fā)出用作半導(dǎo)體勢(shì)壘金屬的銅鎂合金材料，并得到了半導(dǎo)體廠商的采用。小池的目標(biāo)是利用這一經(jīng)驗(yàn)成立銅膏材料制造公司，并將其培育成世界級(jí)企業(yè)。

　　印刷到硅晶圓上的銅布線

　　用來形成銀布線的銀膏在太陽能電池單元的材料成本約占1/4。通過將銀膏換成更便宜的銅膏，可使材料成本瞬間削減兩成。

　　研究小組獲得的數(shù)據(jù)表明，使用銅膏的布線電阻值比銀膏低，通過組合使用此次的技術(shù)與布線寬度減小技術(shù)，還可提高電池轉(zhuǎn)換效率。“海外研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為可提高3～4個(gè)百分點(diǎn)”（小池）。

　　所以將銀布線換成銅布線一直備受全球太陽能電池廠商的關(guān)注。但該領(lǐng)域存在銅向硅中擴(kuò)散，導(dǎo)致太陽能電池單元性能變差，以及銅在燒結(jié)時(shí)氧化，導(dǎo)致電阻值升高等問題。東北大學(xué)通過（1）在硅晶圓與銅布線之間形成擴(kuò)散阻擋層防止銅擴(kuò)散，（2）改進(jìn)銅膏的燒結(jié)條件防止氧化等措施解決了上述問題。

　　同時(shí)實(shí)施氧化與還原

　?。?）中的擴(kuò)散阻擋層由厚度為5～10nm的氧化物構(gòu)成。不僅可防止銅擴(kuò)散，而且還具有導(dǎo)電性以及與銅膏的高密著性（圖1）。由于很薄，因此對(duì)太陽光的透射率幾乎沒有影響。目前的擴(kuò)散阻擋層是將硅晶圓浸入溶液狀的材料后，在500℃左右的溫度下燒結(jié)形成的。

　　圖1：涂布擴(kuò)散阻擋層后印刷銅膏

　　東北大學(xué)開發(fā)出了太陽能電池使用的銅膏材料。在硅晶圓上涂布擴(kuò)散阻擋層后，印刷銅膏形成布線。（照片由東北大學(xué)提供）

　?。?）中的銅膏燒結(jié)條件是部分置于還原氣體中。銀膏是在大氣中燒結(jié)，膏中的樹脂等會(huì)變成揮發(fā)性氧化物，容易去除。但銅膏為防止氧化則置于氮?dú)庵?，難以去除樹脂。為去除樹脂提高氧濃度的話，銅表面就會(huì)氧化。雖然相關(guān)工藝細(xì)節(jié)未公布，但據(jù)稱開發(fā)了在燒結(jié)爐中同時(shí)實(shí)施氧化和還原的工藝。

　　在500℃下燒結(jié)1分鐘燒結(jié)后，銅布線電阻率變?yōu)榕cAg布線同等或更小的5μΩcm左右。即使延長燒結(jié)時(shí)間，電阻率也不會(huì)上升，因此可在充分防止銅氧化的同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)（圖2）。另外還證實(shí)，調(diào)整燒結(jié)氣體的話電阻率還可降至3μΩcm左右。

　　圖2：燒結(jié)條件為500℃下1分鐘

　　印刷銅膏后，在500℃以上溫度下燒結(jié)的話，電阻率就會(huì)下降。將燒結(jié)時(shí)間延長到1分鐘以上，電阻率也不會(huì)有大的變化。（圖片由東北大學(xué)提供）

　　新企業(yè)也有機(jī)會(huì)

　　目前關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)完畢，并在2012年度內(nèi)確認(rèn)了太陽能電池單元的特性，計(jì)劃2013年度內(nèi)完成量產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)（圖3）。其間將成立銅膏材料制造公司，同時(shí)向材料廠商、制造設(shè)備廠商及太陽能電池廠商等實(shí)施技術(shù)授權(quán)，推進(jìn)實(shí)用化 注1）。

　　圖3：目標(biāo)是盡快實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)運(yùn)作

　　關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和概念驗(yàn)證預(yù)定在2012年度內(nèi)完成（a）。今后將在開發(fā)量產(chǎn)技術(shù)的同時(shí)，向各廠商提供技術(shù)授權(quán)，盡快實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)運(yùn)作（b）。其間將新成立銅膏制造企業(yè)。

　　小池之所以堅(jiān)信能夠?qū)~膏材料制造公司“培育為世界級(jí)企業(yè)”，就在于曾經(jīng)有過新材料席卷市場的先例。以前就有企業(yè)開發(fā)出了可使電池單元轉(zhuǎn)換效率提高0.35個(gè)百分點(diǎn)的銀膏新材料，而快速提高了份額。因此，可提高3～4個(gè)百分點(diǎn)的銅膏材料，即便是新涉足的企業(yè)，也能夠充分?jǐn)U大份額。