“我們將在日本東北地區(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)驗成立銅膏材料制造企業(yè)，并將其培育成世界級企業(yè)。

　　用來形成銀布線的銀膏在太陽能電池單元的材料成本中約占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)與減小布線寬度技術(shù)，還可提高電池轉(zhuǎn)換效率。小池稱“海外研究機構(gòu)認為可提高3～4個百分點”。

　　因此，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)域存在銅向硅中擴散，導(dǎo)致太陽能電池單元性能變差，以及銅在燒結(jié)時氧化，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散阻擋層防止銅擴散，(2)改進銅膏的燒結(jié)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(gòu)成。不僅可防止銅擴散，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，因此對太陽光的透射率幾乎沒有影響。目前的擴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。在硅晶圓上涂布擴散阻擋層后，印刷銅膏形成布線。(照片由東北大學(xué)提供)

　　(2)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氣中，難以去除樹脂。如果為去除樹脂提高氧濃度，銅表面就會氧化。雖然相關(guān)工藝細節(jié)未公布，但據(jù)稱開發(fā)了在燒結(jié)爐中同時實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(jié)(圖2)。另外還證實，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，如果在500℃以上溫度下燒結(jié)，電阻率就會下降。將燒結(jié)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(xué)提供

　　新企業(yè)也有機會

　　目前關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)完畢，并在2012年度內(nèi)確認了太陽能電池單元的特性，計劃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，同時向材料廠商、制造設(shè)備廠商及太陽能電池廠商等實施技術(shù)授權(quán)，推進實用化 注1)。

圖3：力爭盡快實現(xiàn)業(yè)務(wù)運作

　　關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和概念驗證預(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，向各廠商提供技術(shù)授權(quán)，盡快實現(xiàn)業(yè)務(wù)運作(b)。其間將新成立銅膏制造企業(yè)。

　　小池之所以堅信能夠?qū)�銅膏材料制造企業(yè)“培育為世界級企業(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個百分點的銀膏新材料，而快速提高了份額。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(yè)，也能夠充分擴大份額。