作者：M.Tao，Arizona State University

到2050年全球的能量需求將達(dá)28TW，到2100年則為46TW。部署的光伏太陽(yáng)能電池必須擴(kuò)展到數(shù)十萬(wàn)億峰瓦，以便滿(mǎn)足這些需求令人注目的一部分。太陽(yáng)能電池的輸出隨一天中的時(shí)段而改變。太陽(yáng)能電池的時(shí)間平均輸出是其峰值功率的15-20%；所以，50TWp的太陽(yáng)能電池將產(chǎn)生7.5-10TW的平均輸出，或2100年全球能量需求的～18%。

在現(xiàn)今幾乎所有的硅片太陽(yáng)能電池中，用Ag作為n型發(fā)射極上的指形電極，而Al用于作為p型基極上的背電極。硅片太陽(yáng)能電池達(dá)到萬(wàn)億瓦數(shù)量級(jí)的主要瓶頸之一是Ag的稀少。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查（U.S. Geological Survey），地球上已知的Ag儲(chǔ)量約為570,000公噸。眾多分析估計(jì)，從硅片太陽(yáng)能電池可能得到的最大功率受Ag儲(chǔ)量的限制。他們得出相似的結(jié)論，即已知Ag儲(chǔ)量將把硅片太陽(yáng)能電池約束在小于1萬(wàn)億瓦時(shí)間平均輸出，這是我們2100年能量需求的很小部分。此外，Ag的價(jià)格自2010年夏季以來(lái)急速上漲，現(xiàn)在已經(jīng)是電池成本的重要部分。若太陽(yáng)能電池工業(yè)繼續(xù)以現(xiàn)在的步伐增長(zhǎng)（年均約50%），對(duì)Ag的需求也將持續(xù)增加，肯定會(huì)使Ag價(jià)更高。因此，為使硅片太陽(yáng)能電池成為未來(lái)能源的重要來(lái)源，必須用低成本地球富有金屬替代Ag。

本文考察了多個(gè)地球富有金屬，目的是確定Ag的合適替代品。結(jié)論是，Cu和Al是Ag的合適替代金屬。討論了Cu和Al替代Ag的一些挑戰(zhàn)。給出了解決Al替代Ag時(shí)碰到的挑戰(zhàn)的初步結(jié)果。

Ag的潛在替代品

確定Ag合適替代品的主要考慮因素是材料的豐度和電阻率。作為指形電極，替代金屬的電阻率必須低且與Ag的電阻率相當(dāng)。若采用較高電阻率的金屬，為了保持同樣的指形電阻，指形電極的寬度或高度就不得不增加。這樣，或者電池效率受損，或者制造難度增加。

作為參考，Ag是所有金屬中電阻率最低的之一，其電阻率為1.59×10-6Ω-cm。表1從低到高列出了不同金屬的電阻率。根據(jù)電阻率，Cu是Ag的最佳替代品，其電阻率僅比Ag高6%。若用Al且指形寬度保持一樣，指高度或高寬比必須增加77%才能保持同樣的指電阻。這頗具挑戰(zhàn)性，不過(guò)仍有潛在的可行性。Ca的電阻率高111%，但Ca與水氣反應(yīng)，故不適宜用作接觸金屬。Ca以上任何金屬的電阻率太高，不宜用于指形電極。



表2根據(jù)U.S.Geological Survey列出各種金屬已知的儲(chǔ)備量和目前的年產(chǎn)量。儲(chǔ)備量包括有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值不大的資源。依據(jù)儲(chǔ)量和年產(chǎn)量，Ag比不過(guò)其他金屬。Sn的年產(chǎn)量與其他金屬比也很小。Cu和Al二者有巨大的儲(chǔ)量，它們的年產(chǎn)量在數(shù)千萬(wàn)噸范圍內(nèi)，足以支持萬(wàn)億瓦級(jí)硅片太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)。


    
替代金屬的挑戰(zhàn)

從上述討論可得出結(jié)論，Ag的合適替代品有Cu和Al。硅片太陽(yáng)能電池中用Cu或Al作為指電極存在一系列挑戰(zhàn)：

1）抗氧化：Ag在各種溫度下是抗氧化的。這保證了接觸燒結(jié)（一般是750℃）后有低電阻金屬指形電極。在這一溫度下，Cu氧化成高電阻p型半導(dǎo)電的Cu2O和CuO，而Al部分氧化為絕緣的Al2O3。二者均會(huì)顯著增加指電極電阻。Cu或Al指電極的燒結(jié)也許不得不在無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行。

2）阻擋層：Cu和Al二者要求與Si的阻擋層，由于各種不同的原因，Al能與Si直接接觸。因?yàn)樗荢i中的p型雜質(zhì)，必須避免Al與n型發(fā)射極合金化。這似乎可以用阻擋層實(shí)現(xiàn)。Cu是惡名昭著的少數(shù)載流子殺手，會(huì)引起效率的嚴(yán)重?fù)p失。TaN一類(lèi)的阻擋層是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的，避免Cu與Si直接接觸。

3）長(zhǎng)期可靠性低：Cu在普通環(huán)境條件下會(huì)緩慢氧化，產(chǎn)生了對(duì)長(zhǎng)期可靠性的擔(dān)憂(yōu)。要求對(duì)水密封和氣密封設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格的指標(biāo)。這方面Al比較好，因?yàn)锳l的氧化物（Al203）形成高密度保護(hù)層，可防止下面的Al進(jìn)一步氧化。

目前還難以得出結(jié)論，在硅片太陽(yáng)能電池中Cu或Al那一種金屬是指電極更好的替代品。盡管如此，仍能對(duì)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)作出分析。Cu的最大優(yōu)點(diǎn)是電阻率低，這導(dǎo)致與Ag比較的陰影損失很小。它可以電鍍，這是保證低成本的工藝解決方案。在小電池上的效率已顯示有17.2%，商用尺寸的電池上達(dá)18.4%。Cu的主要缺點(diǎn)是要求有阻擋層。Ni和Ti均得到良好的效果。Ni可電鍍，但Ti不行。由于Cu的氧化，Cu的長(zhǎng)期可靠性是另一個(gè)要顧及的問(wèn)題。此外，若引入電鍍，工業(yè)應(yīng)有經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。

就Al來(lái)說(shuō)，盡管與n型Si的合金化必須避免，但它能與Si直接接觸。因氧化長(zhǎng)期遠(yuǎn)景看低的問(wèn)題對(duì)Al比較好。絲網(wǎng)印刷對(duì)Al來(lái)說(shuō)是成熟工藝，原則上它能應(yīng)用于Al指形電極。Al的主要優(yōu)點(diǎn)是Si與Al之間的肖特基勢(shì)壘高度能用工程方法獲得低接觸電阻，本文將加以討論。對(duì)Cu來(lái)說(shuō)，接觸電阻由阻擋層金屬確定，其他考慮因素（如Cu擴(kuò)散性）常常決定阻擋層金屬的選擇。另一方面，較高電阻率的Al要求較高高寬比的指形電極，對(duì)目前的絲網(wǎng)印刷工藝提出挑戰(zhàn)。關(guān)于Al指形電極的R&D還沒(méi)有開(kāi)始。

作為Ag替代品的Al

若能實(shí)現(xiàn)高高寬比，作為Ag 指形電極的替代品，Al比Cu更具吸引力。這方面有二個(gè)原因。一個(gè)是在Al和n型Si間呈現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄低的肖特基勢(shì)壘0.08eV，這確保了低接觸電阻。另一個(gè)是直至400℃，Al和Si間的界面反應(yīng)可得到抑制。用價(jià)補(bǔ)Si(100)表面可獲得這些結(jié)果。