太阳能电池新改进，铜布线兼顾高效率与低成本

“在日本东北地区开创全球性产业”。开发太阳能电池用新材料的日本东北大学教授小池淳一充满信心地表示。小池开发的技术可将标准用作太阳能电池受光面电极的银布线换成更加便宜的铜布线。小池过去曾开发出用作半导体势垒金属的铜镁合金材料，并得到了半导体厂商的采用。小池的目标是利用这一经验成立铜膏材料制造公司，并将其培育成世界级企业。

　　印刷到硅晶圆上的铜布线

　　用来形成银布线的银膏在太阳能电池单元的材料成本约占1/4。通过将银膏换成更便宜的铜膏，可使材料成本瞬间削减两成。

　　研究小组获得的数据表明，使用铜膏的布线电阻值比银膏低，通过组合使用此次的技术与布线宽度减小技术，还可提高电池转换效率。“海外研究机构认为可提高3～4个百分点”（小池）。

　　所以将银布线换成铜布线一直备受全球太阳能电池厂商的关注。但该领域存在铜向硅中扩散，导致太阳能电池单元性能变差，以及铜在烧结时氧化，导致电阻值升高等问题。东北大学通过（1）在硅晶圆与铜布线之间形成扩散阻挡层防止铜扩散，（2）改进铜膏的烧结条件防止氧化等措施解决了上述问题。

　　同时实施氧化与还原

　　（1）中的扩散阻挡层由厚度为5～10nm的氧化物构成。不仅可防止铜扩散，而且还具有导电性以及与铜膏的高密着性（图1）。由于很薄，因此对太阳光的透射率几乎没有影响。目前的扩散阻挡层是将硅晶圆浸入溶液状的材料后，在500℃左右的温度下烧结形成的。

　　图1：涂布扩散阻挡层后印刷铜膏

　　东北大学开发出了太阳能电池使用的铜膏材料。在硅晶圆上涂布扩散阻挡层后，印刷铜膏形成布线。（照片由东北大学提供）

　　（2）中的铜膏烧结条件是部分置于还原气体中。银膏是在大气中烧结，膏中的树脂等会变成挥发性氧化物，容易去除。但铜膏为防止氧化则置于氮气中，难以去除树脂。为去除树脂提高氧浓度的话，铜表面就会氧化。虽然相关工艺细节未公布，但据称开发了在烧结炉中同时实施氧化和还原的工艺。

　　在500℃下烧结1分钟烧结后，铜布线电阻率变为与Ag布线同等或更小的5μΩcm左右。即使延长烧结时间，电阻率也不会上升，因此可在充分防止铜氧化的同时进行烧结（图2）。另外还证实，调整烧结气体的话电阻率还可降至3μΩcm左右。

　　图2：烧结条件为500℃下1分钟

　　印刷铜膏后，在500℃以上温度下烧结的话，电阻率就会下降。将烧结时间延长到1分钟以上，电阻率也不会有大的变化。（图片由东北大学提供）

　　新企业也有机会

　　目前关键技术的开发已经完毕，并在2012年度内确认了太阳能电池单元的特性，计划2013年度内完成量产技术的开发（图3）。其间将成立铜膏材料制造公司，同时向材料厂商、制造设备厂商及太阳能电池厂商等实施技术授权，推进实用化 注1）。

　　图3：目标是尽快实现业务运作

　　关键技术的开发和概念验证预定在2012年度内完成（a）。今后将在开发量产技术的同时，向各厂商提供技术授权，尽快实现业务运作（b）。其间将新成立铜膏制造企业。

　　小池之所以坚信能够将铜膏材料制造公司“培育为世界级企业”，就在于曾经有过新材料席卷市场的先例。以前就有企业开发出了可使电池单元转换效率提高0.35个百分点的银膏新材料，而快速提高了份额。因此，可提高3～4个百分点的铜膏材料，即便是新涉足的企业，也能够充分扩大份额。