太陽能電池佈線換成銅，兼顧低成本和高效率

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【日經BP社報導】「在日本東北地區開創全球性產業」。開發太陽能電池用新材料的日本東北大學教授小池淳一充滿信心地表示。小池開發的技術可將標準用作太陽能電池受光面電極的銀佈線換成更加便宜的銅佈線。小池過去曾開發出用作半導體勢壘金屬的銅鎂合金材料，並得到了半導體廠商的採用。小池的目標是利用這一經驗成立銅膏材料製造公司，並將其培育成世界級企業。


印刷到矽晶圓上的銅佈線

用來形成銀佈線的銀膏在太陽能電池單元的材料成本約佔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。

研究小組獲得的數據表明，使用銅膏的佈線電阻值比銀膏低，通過組合使用此次的技術與佈線寬度減小技術，還可提高電池轉換效率。「海外研究機構認為可提高3～4個百分點」（小池）。

所以將銀佈線換成銅佈線一直備受全球太陽能電池廠商的關注。但該領域存在銅向矽中擴散，導致太陽能電池單元性能變差，以及銅在燒結時氧化，導致電阻值升高等問題。東北大學通過（1）在矽晶圓與銅佈線之間形成擴散阻擋層防止銅擴散，（2）改進銅膏的燒結條件防止氧化等措施解決了上述問題。


同時實施氧化與還原

（1）中的擴散阻擋層由厚度為5～10nm的氧化物構成。不僅可防止銅擴散，而且還具有導電性以及與銅膏的高密著性（圖1）。由於很薄，因此對太陽光的透射率幾乎沒有影響。目前的擴散阻擋層是將矽晶圓浸入溶液狀的材料後，在500℃左右的溫度下燒結形成的。


圖1：塗佈擴散阻擋層後印刷銅膏
        東北大學開發出了太陽能電池使用的銅膏材料。在矽晶圓上塗佈擴散阻擋層後，印刷銅膏形成佈線。（照片由東北大學提供）

（2）中的銅膏燒結條件是部分置於還原氣體中。銀膏是在大氣中燒結，膏中的樹脂等會變成揮發性氧化物，容易去除。但銅膏為防止氧化則置於氮氣中，難以去除樹脂。為去除樹脂提高氧濃度的話，銅表面就會氧化。雖然相關工藝細節未公佈，但據稱開發了在燒結爐中同時實施氧化和還原的工藝。

在500℃下燒結1分鐘燒結後，銅佈線電阻率變為與Ag佈線同等或更小的5μΩcm左右。即使延長燒結時間，電阻率也不會上升，因此可在充分防止銅氧化的同時進行燒結（圖2）。另外還證實，調整燒結氣體的話電阻率還可降至3μΩcm左右。


圖2：燒結條件為500℃下1分鐘
        印刷銅膏後，在500℃以上溫度下燒結的話，電阻率就會下降。將燒結時間延長到1分鐘以上，電阻率也不會有大的變化。（圖片由東北大學提供）


新企業也有機會

目前關鍵技術的開發已經完畢，並在2012年度內確認了太陽能電池單元的特性，計劃2013年度內完成量產技術的開發（圖3）。其間將成立銅膏材料製造公司，同時向材料廠商、製造設備廠商及太陽能電池廠商等實施技術授權，推進實用化 注1）。  


圖3：目標是儘快實現業務運作
        關鍵技術的開發和概念驗證預定在2012年度內完成（a）。今後將在開發量產技術的同時，向各廠商提供技術授權，儘快實現業務運作（b）。其間將新成立銅膏製造企業。

小池之所以堅信能夠將銅膏材料製造公司「培育為世界級企業」，就在於曾經有過新材料席捲市場的先例。以前就有企業開發出了可使電池單元轉換效率提高0.35個百分點的銀膏新材料，而快速提高了佔有率。因此，可提高3～4個百分點的銅膏材料，即便是新涉足的企業，也能夠充分擴大佔有率。（記者：河合基伸，《日經電子》）

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/econ/64822-20130221.html?ref=ML

咁容易成為世界級企業{:doom:}