袁小武 江瑜侯泽荣东方电气集团中央研究院。成都611731

摘要：对比研究了常用于晶硅太阳能电池正面电极的银和铜的光电性能和技术发展前景等，着重研究了新型铜基复合电

极的优点、技术难点及其解决方案，阐述了国内外晶硅电池铜基复合电极的最新进展。

关键词：铜基复合电极；太阳能电池；前电极

中图分类号：7n(914 文献标识码：A 文章编号：1001—9006(2014)02—0050-04

Research on Metallic Electrode of Silicon Solar CelI

YUAN Xiaowu，JIANG Yu，HOU Zerong

(Central Rescarch Academy of DEC，61 1731，Chengdu，China)

Abstract：The electrical properties and reserves of materials that can be used for current solar cell electrode are compared of in this

paper．The copperbased composite electrode is viewed on its advantages，technical difficulties and solutions．The research progress of

copper based composite electrode used in silicon ceU is analyzed in both domestic and oi'el'$eas industries．

Key words：copper based composite electrode；solar cell；front electrode

雾霾肆虐，能源危机在加剧，而未来提供可

持续发电的清洁能源——光伏产业却成本高昂，

世界需要高效、低成本的光伏产品。

在晶硅电池中，电极制作是晶硅电池制备的

关键工艺之一，收集光生电流主要依靠电池的电

极。目前电极原材料银浆成本一般占到晶体硅晶

硅电池制造非硅材料的40％以上，晶硅电极工艺

的更新和材料成本的降低一直是晶体硅晶硅电池产业的一个重要研发方向。

1 可用于晶硅电池电极的金属材料

理想的晶硅电池电极通常有以下要求：接触

电阻小，收集效率高，遮蔽面积小，能与硅形成

牢固的接触即结合力好，电极金属稳定性好，宜

于加工生产，成本低，易于引线可焊性强，体电

阻小，污染小。

晶硅正面电极金属的关键因素是材料的丰度

和电阻率。作为导电电极，金属的电阻率必须尽

可能低，若采用较高电阻率的金属，为了保持同

样的串联电阻，细栅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。

目前，晶硅电池的电极材料为银及玻璃相混

合体，这是由于Ag在所有金属中电阻率最低，仅

为1．59 X 10。6n·cm，最适合作为晶硅电池的正面电

极。在富有金属中，Cu的电阻率为1．68 X10“Q·cm，

与Ag的电阻率最接近，仅比Ag高6％，如表1所

示¨o。Cu的储量为10亿t，年产量160万t，分别

是Ag储量的1700多倍和年产量的800倍。采用

cu作为电极材料完全能够满足硅基晶硅电池大规

模应用的需求，如表2所示。

表1与Ag比较，不同金属的电阻率(单位：10“Q·cm)

金属 Ag Cu Al Ca zn Ni Fe Sn Pb Ti

电阻率1．59 1．68 2．82 3．36 5．90 6．99 10．0 10．9 22．0 42．0

增加／％0 5．7 77 111 271 340 529 586 1284 2541

表2地球富有金属储量和年产量(单位：106 t)

收稿日期：2014—01—26

作者简介：袁小武(1971一)，男，2005年毕业于四川大学材料物理与化学专业。工学博士。2010年9月人职东方电气集团中央研究院从事

太阳能技术研究。

目前银浆的价格为900万形t，Cu的价格为5．3万形t(2013年4月价格)，银浆的价格是cu的170多倍。FirstSolar公司对电池片中Ag电极价

格变化及Cu基复合电极价格变化统计如图1所

示M。。上方实线表示Ag金属价格在不断上涨，上

方虚线表示Ag电极成本在电池总成本中所占比例

越来越大，下方实线为铜金属价格的变化情况，

下方虚线表示Cu金属在电池总成本中的价格变

化，Ag电极成本为Cu电极成本的50倍左右。

爹’}三三荔多够卜一n|n；

|t)。01t’E=多铲“’“”||图1 ‘I’md>llll电池中(|Il基复合电极价格是传统

丝网印刷．～g电极的1 50

由上述可知Cu电极是Ag电极的主要替代选

择，用铜电极材料的晶硅电池可以降低晶硅电池

的生产成本。

但是现有晶硅电池生产工艺中Cu作为电极存

在以下3个问题嵋o：

(1)抗氧化。Ag比较稳定，抗氧化能力强，

保证了丝印后的约750℃的烧结中不形成氧化物，

保证了栅线电极的导电性已经电极与硅表面之间

的欧姆接触特性。而在此烧结温度下，Cu容易与

氧形成电阻率较高的Cu：0和CuO，而增加了栅线

电极的电阻率。

(2)阻挡层。栅线电极中的Cu如果扩散到硅

片中，会在硅能隙中引起有效带隙杂质态，而使

得硅片的少子寿命显著降低，从而影响器件电子、

空穴的输运。这是影响铜基复合电极在晶硅电池

和其他微电子器件中普及应用的关键原因之一。

(3)长期可靠性低。Cu的环境耐候性不如Ag

的好，暴露于潮湿空气中，cu会缓慢氧化成CuO

和Cu：O，氧化程度与湿度、温度有关。

可以采取以下措施解决上面3个技术难题：

(1)为解决cu高温氧化特性，通常采用附着

力强、不需要烧结工艺的薄膜制备技术，如磁控

溅射、电镀、光诱导镀、化学镀、等离子镀等制

备技术。目前应用最广泛的是制备cu基复合电极

的技术是电镀、光诱导镀、化学等。

(2)通常解决Cu在Si中扩散的办法是在铜与

硅之间制备缓冲阻挡层，微电子行业使用TaN作

为阻挡层。硅晶硅电池中有报道使用Ni、Ti的。

发展低成本的阻挡层材料、结构及制备技术，是

使用铜作为晶硅栅线前电极的关键技术。

(3)为防止空气中缓慢氧化，在Cu电极表面

覆盖一层Sn或者Ag，将Cu与空气隔离，也便于

后续组件的焊接工艺。

在丝网印刷工艺后，丝网印刷电极经高温烧

结形成金属化电极。高温烧结使得电极对基底的

附着力增强，满足电级对电阻率的要求。但是烧

结工艺又会使得细栅的宽度增加，从而增大了遮

光面积，降低了电池片的转换效率。为提高转换

效率，同时保证低接触电阻，就要降低栅线宽度，

增加高度宽度比。

图2是Semi，PV Group在ITRPV2013的预测

的未来电池技术中不同电极工艺所占比例，从图

中可以看出，未来电镀技术和光诱导镀技术将会

慢慢超过丝网印刷技术。这两种技术的应用，使

富有金属在光伏电极材料中的比例不断增大。

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图2不同电极工艺在电池技术中的比例预测

2国内外研究进展

国外一些著名的光伏研究所和大公司在近几

年开始涉足铜基复合电极电池领域并已取得实验

室阶段的初步进展。最近世界最大的薄膜电池公

司美国First Solar收购了美国的TetraSun公司，并

开始铜基复合电极晶硅电池研发，这一系列的举

动值得业界关注。

(1)2011年9月，在26届EU PVSEC展会

上¨J，德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所

(Fraunhofer ISE)展示了其可应用于工业生产的晶

硅电池铜基复合电极电镀工艺，这一技术可以在

未来进一步降低电池生产成本，提高效率。该研

究所已经在20 mm x 20 mm的电池上采用稳定的铜

基复合金属电极化工艺取得了效率为21．4％的P

型晶硅晶硅电池，其方块电阻为120彤sq。目前正努力在工业标准尺寸的硅片上复制这一结果。

电池片及电极结构如图3所示，白线上是铜膜，白

线下是镍膜，该结构在硅片上生长一层镍膜，然

后在镍膜上沉积铜膜，可以有效隔离铜电极与硅

片的接触。

图3 Fl’aunhoft·1 ISI‘：电池铜基复合电极结构

(2)201 1年11月，德国肖特公司利用RENA

的光诱导镀实验设备：61(如图4所示)，采用镍一铜

复合金属电极、PERC技术、背接触技术，在156 mm x 156 inn的单晶硅片上制备的铜基复合电

极晶硅电池效率达到了20％，在156 mm×156 mm

多晶硅片上制备的铜基复合电极晶硅电池转换效

率为18％。组件如图5所示。

图4 R刚、光诱导镀设备

图5 s(·holt公司电池组件

(3)2012年4月，韩国现代重工采用了激光掺

杂选择性发射极技术一J，并使用铜代替银作为正

面电极材料。据称，现代团队的关键改进在于调

整了正面氮化硅的沉积参数，解决了镀铜工艺的

一些难题。电池背面采用全铝背电极，效率达到

了19．7％(156 mm x 156 mm硅片)。

(4)2012年6月，日本KANEKA公司与比利

时研究机构IMEC宣布捧J，双方共同开发的

150 mm X 150 mm晶硅电池单元的转换效率达到了

22．68％。2011年1 1月公布的数值为“21％以

上”，两家公司用半年时间将效率提高了近1．7个

百分点。此次发布的电池单元集电极的形成与

2011年11月发布时一样，利用了IMEC的铜电镀

技术。

(5)First Solar计划在2014年下半年开始

Tetracell铜基晶硅电池的“试验性”生产H J。

Tetracell采用光诱导镀，在激光刻蚀的沟槽中电镀

了40¨m宽Cu／Ni复合金属电极。生产流程无需

使用特殊设备，电池k值超过700 mV的成果是在

125 lllm x 125 mm的cz单晶硅上实现的，其转换

效率超过了21％，其结构如图6所示。

图6 Trh．2lt-ell结构

(6)2013年7月3日，赛昂电力采用了金属铜

代替银浆作为栅线电极∽]，利用隧道效应异质结

型研制的高效晶硅电池，大幅提高了转换效率和

实际工况下发电能力，实验室转换效率为22．1％，

量产转换效率为21．4％，温度响应系数为0．22％／oC。

3结语

光伏平价上网的时代即将到来，光伏发电即

将成为重要的发电方式之一。本文对可用于晶硅

电池正面电极的金属材料储量及电学参数进行了

研究比较，得出铜金属为正面栅线电极材料的最

佳选择之一。研究了晶硅电池铜基复合电极的优

点、技术难点及其解决方案。报道了国内外研究

晶硅电池铜基复合电极的最新进展。

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(上接第49页)

其穿透性观察GaAs叠层太阳能电池下方焊接情

况，再通过电脑软件计算出空洞率。空洞率若过

高，一方面由于接触问题可能对接收器电气性能

造成较大影响，另一方面在高倍聚光条件下还可

能引起空洞内气体受热膨胀，导致电池脱离或者

炸裂。基于高倍聚光组件的工作环境和寿命要求，

接收器的空洞率应控制在较低水平(通常≤15％，

各厂商标准不同)。x射线检测后，通过，一y性能

测试获取接收器的光电参数，分选后便可将接收

器应用于高倍聚光组件的制作。

4结语

经过多年的技术发展，GaAs太阳能电池量产

技术日趋成熟。CPV系统作为GaAs太阳能电池地

面应用的载体，其系统制造和集成技术有待进一

步探索和完善。业内厂商重视自动化和批量生产

能力，在CPV接收器的制作采用了表面组装技术。

本文重点介绍了表面组装技术涉及的工艺线结构、

主要设备、回流焊工艺曲线，并对接收器制作流

程和关键工艺进行了论述和分析。

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