太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(lái)形成銀布線的銀膏在太陽(yáng)能電池單元的材料成本約占1/4。通過(guò)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(wèn)題。東北大學(xué)通過(guò)（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(wèn)題。

　　同時(shí)實(shí)施氧化與還原

　　（1）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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)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)