“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)出用作半導體勢壘金屬的銅鎂合金材料，并得到了半導體廠商的采用。小池的目標是利用這一經(jīng)驗成立銅膏材料制造公司，并將其培育成世界級企業(yè)。

　　印刷到硅晶圓上的銅布線

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

　　所以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，導致太陽能電池單元性能變差，以及銅在燒結(jié)時氧化，導致電阻值升高等問題。東北大學通過（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。為去除樹脂提高氧濃度的話，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，在500℃以上溫度下燒結(jié)的話，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：目標是盡快實現(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)~膏材料制造公司“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。