太陽電池銅電極技術發展趨勢

刊登日期:2015/1/5
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銅電鍍電極技術
由於電鍍技術在其他領域發展與應用已經很多年,為一個很成熟且常見的技術,且是一個快速、便宜、低溫、非真空與可量產的金屬成長技術。在所有金屬之中,考量成本以及導電特性等,銅為取代銀之最佳選擇。根據圖一,2014年 SEMI International Technology Roadmap for Photovoltaic ( ITRPV )預測,銅電鍍電極技術將於 2018年導入量產階段。圖二(a)為常見傳統的網印銀膠電極之 p型太陽電池,圖二(b)則為銅電鍍電極 p型太陽電池,從該示意圖可以發現,銅電鍍電極為鎳、銅與錫之堆疊層,由鎳作為種子層( Seed Layer )與擴散阻障層( Diffusion Layer ),銅則為主要導電層,而錫當作防止氧化之保護層( Capping Layer ),由於該層不須太厚,約 150 nm即可,也有研究單位用銀當作保護層。


圖一、ITRPV預測銅電極將於2018年進入量產

由於銅在常溫狀態下, 在矽基材的擴散係數很高,為 2.8•10-7 cm2/s,銅在本質的矽基材中只需1分鐘即可走 10 μm的深度,容易擴散形成深層能階缺陷,因此銅與矽基材中必須有一層擴散阻障層,而這層也可以做為後續電鍍銅之種子層。一般常見的擴散阻障層,以過渡金屬或其氮化物與矽化物為主,如鎳(Ni)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉻(Cr)和鉬(Mo)等。

而電化學沉積的方式,基本上分為無電鍍( Electroless Plating )與電鍍( Electroplating ),另外,拜太陽電池特性所賜,還有改良型照光的電化學沉積方式,光誘發無電鍍( Light Induce Electroless Plating )與光誘發電鍍( Light Induce Electroplating )。
2. 光誘發電鍍
光誘發電鍍( Light Induce Plating; LIP )為電鍍的改良版,原理與光誘發無電鍍很像,皆是利用太陽電池的特性,在鍍浴槽體外加光源,當太陽電池受光會產生電子與電洞對,其光誘發之電子會跑至n型射極區域,與鍍浴中的金屬離子結合,還原沉積金屬層;而電洞則往 p型區與背電極區移動,倘若此時沒有對電池施以偏壓的話,則會使背電極被氧化( Oxidised ),造成背電極鋁膠的金屬離子會跑至鍍浴中。相對地,若在電池的背電極施以偏壓的話,如圖三示意圖,將會降低背電極被腐蝕析出,且會使電鍍之電流密度接近其電池的短路電流,能有效加快電鍍之鍍率,而電鍍之鍍率會與照光強度有關。此方式為目前銅電鍍電極之主流方式,普遍認為是未來量產最可行的方式。如圖四為 IMEC與 Besi MECO研究團隊,先利用光誘發電鍍鎳在雷射開孔處沉積鎳層,有了此種子層,接著再以電鍍銅或是光誘發電鍍銅方式來沉積銅之導電層,最後用上很薄的銀做為保護層以防止銅氧化。

銅電鍍電極之關鍵技術
銅電鍍電極技術雖然擁有低溫、低成本與高效率等優點,但仍有幾個關鍵點須克服,如下列所示:
2.表面溢鍍(Background Plating):
又可稱為 Ghost Plating 或 Over Plating,其造成的原因可以分為很多層面,像是矽基材表面或本身的雜質( Impurity )、懸浮粒子
( Particle )與內裂( Creak )等,易造成表面的鈍化層(Passivation Layer)或抗反射層( Antireflection Layer )容易出現小孔隙(Pinhole),使得在電鍍製程中,鍍在小孔隙上造成遮光、短路等缺點,如圖五所示
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖五、銅電鍍電極之表面溢鍍現象

作者:李立宇、陳秉群、杜政勳、林福銘/工研院綠能所;
            王孟智、李育舟/太極能源科技(股)公司

 ★完整內容請見下方檔案。


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