用富有金属替代Si太阳能电池中的Ag电极

作者：M.Tao，Arizona State University

到2050年全球的能量需求将达28TW，到2100年则为46TW。部署的光伏太阳能电池必须扩展到数十万亿峰瓦，以便满足这些需求令人注目的一部分。太阳能电池的输出随一天中的时段而改变。太阳能电池的时间平均输出是其峰值功率的15-20%；所以，50TWp的太阳能电池将产生7.5-10TW的平均输出，或2100年全球能量需求的～18%。

在现今几乎所有的硅片太阳能电池中，用Ag作为n型发射极上的指形电极，而Al用于作为p型基极上的背电极。硅片太阳能电池达到万亿瓦数量级的主要瓶颈之一是Ag的稀少。根据美国地质调查（U.S. Geological Survey），地球上已知的Ag储量约为570,000公吨。众多分析估计，从硅片太阳能电池可能得到的最大功率受Ag储量的限制。他们得出相似的结论，即已知Ag储量将把硅片太阳能电池约束在小于1万亿瓦时间平均输出，这是我们2100年能量需求的很小部分。此外，Ag的价格自2010年夏季以来急速上涨，现在已经是电池成本的重要部分。若太阳能电池工业继续以现在的步伐增长（年均约50%），对Ag的需求也将持续增加，肯定会使Ag价更高。因此，为使硅片太阳能电池成为未来能源的重要来源，必须用低成本地球富有金属替代Ag。

本文考察了多个地球富有金属，目的是确定Ag的合适替代品。结论是，Cu和Al是Ag的合适替代金属。讨论了Cu和Al替代Ag的一些挑战。给出了解决Al替代Ag时碰到的挑战的初步结果。

Ag的潜在替代品

确定Ag合适替代品的主要考虑因素是材料的丰度和电阻率。作为指形电极，替代金属的电阻率必须低且与Ag的电阻率相当。若采用较高电阻率的金属，为了保持同样的指形电阻，指形电极的宽度或高度就不得不增加。这样，或者电池效率受损，或者制造难度增加。

作为参考，Ag是所有金属中电阻率最低的之一，其电阻率为1.59×10-6Ω-cm。表1从低到高列出了不同金属的电阻率。根据电阻率，Cu是Ag的最佳替代品，其电阻率仅比Ag高6%。若用Al且指形宽度保持一样，指高度或高宽比必须增加77%才能保持同样的指电阻。这颇具挑战性，不过仍有潜在的可行性。Ca的电阻率高111%，但Ca与水气反应，故不适宜用作接触金属。Ca以上任何金属的电阻率太高，不宜用于指形电极。



表2根据U.S.Geological Survey列出各种金属已知的储备量和目前的年产量。储备量包括有经济价值和经济价值不大的资源。依据储量和年产量，Ag比不过其他金属。Sn的年产量与其他金属比也很小。Cu和Al二者有巨大的储量，它们的年产量在数千万吨范围内，足以支持万亿瓦级硅片太阳能电池的生产。


    
替代金属的挑战

从上述讨论可得出结论，Ag的合适替代品有Cu和Al。硅片太阳能电池中用Cu或Al作为指电极存在一系列挑战：

1）抗氧化：Ag在各种温度下是抗氧化的。这保证了接触烧结（一般是750℃）后有低电阻金属指形电极。在这一温度下，Cu氧化成高电阻p型半导电的Cu2O和CuO，而Al部分氧化为绝缘的Al2O3。二者均会显著增加指电极电阻。Cu或Al指电极的烧结也许不得不在无氧环境下进行。

2）阻挡层：Cu和Al二者要求与Si的阻挡层，由于各种不同的原因，Al能与Si直接接触。因为它是Si中的p型杂质，必须避免Al与n型发射极合金化。这似乎可以用阻挡层实现。Cu是恶名昭著的少数载流子杀手，会引起效率的严重损失。TaN一类的阻挡层是半导体工业中常用的，避免Cu与Si直接接触。

3）长期可靠性低：Cu在普通环境条件下会缓慢氧化，产生了对长期可靠性的担忧。要求对水密封和气密封设计更加严格的指标。这方面Al比较好，因为Al的氧化物（Al203）形成高密度保护层，可防止下面的Al进一步氧化。

目前还难以得出结论，在硅片太阳能电池中Cu或Al那一种金属是指电极更好的替代品。尽管如此，仍能对它们各自的优缺点作出分析。Cu的最大优点是电阻率低，这导致与Ag比较的阴影损失很小。它可以电镀，这是保证低成本的工艺解决方案。在小电池上的效率已显示有17.2%，商用尺寸的电池上达18.4%。Cu的主要缺点是要求有阻挡层。Ni和Ti均得到良好的效果。Ni可电镀，但Ti不行。由于Cu的氧化，Cu的长期可靠性是另一个要顾及的问题。此外，若引入电镀，工业应有经验学习曲线。

就Al来说，尽管与n型Si的合金化必须避免，但它能与Si直接接触。因氧化长期远景看低的问题对Al比较好。丝网印刷对Al来说是成熟工艺，原则上它能应用于Al指形电极。Al的主要优点是Si与Al之间的肖特基势垒高度能用工程方法获得低接触电阻，本文将加以讨论。对Cu来说，接触电阻由阻挡层金属确定，其他考虑因素（如Cu扩散性）常常决定阻挡层金属的选择。另一方面，较高电阻率的Al要求较高高宽比的指形电极，对目前的丝网印刷工艺提出挑战。关于Al指形电极的R&D还没有开始。

作为Ag替代品的Al

若能实现高高宽比，作为Ag 指形电极的替代品，Al比Cu更具吸引力。这方面有二个原因。一个是在Al和n型Si间呈现创纪录低的肖特基势垒0.08eV，这确保了低接触电阻。另一个是直至400℃，Al和Si间的界面反应可得到抑制。用价补Si(100)表面可获得这些结果。