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　　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型半導電的Cu2O和CuO，而Al部分氧化為絕緣的Al2O3。二者均會顯著增加指電極電阻。Cu或Al指電極的燒結(jié)也許不得不在無氧環(huán)境下進行。

　　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。因為它是Si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現(xiàn)。Cu是惡名昭著的少數(shù)載流子殺手，會引起效率的嚴重損失。TaN一類的阻擋層是半導體工業(yè)中常用的，避免Cu與Si直接接觸。

　　3）長期可靠性低：Cu在普通環(huán)境條件下會緩慢氧化，產(chǎn)生了對長期可靠性的擔憂。要求對水密封和氣密封設計更加嚴格的指標。這方面Al比較好，因為Al的氧化物（Al203）形成高密度保護層，可防止下面的Al進一步氧化。

　　目前還難以得出結(jié)論，在硅片太陽能電池中Cu或Al那一種金屬是指電極更好的替代品。盡管如此，仍能對它們各自的優(yōu)缺點作出分析。Cu的最大優(yōu)點是電阻率低，這導致與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18.4%。Cu的主要缺點是要求有阻擋層。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的長期可靠性是另一個要顧及的問題。此外，若引入電鍍，工業(yè)應有經(jīng)驗學習曲線。

　　就Al來說，盡管與n型Si的合金化必須避免，但它能與Si直接接觸。因氧化長期遠景看低的問題對Al比較好。絲網(wǎng)印刷對Al來說是成熟工藝，原則上它能應用于Al指形電極。Al的主要優(yōu)點是Si與Al之間的肖特基勢壘高度能用工程方法獲得低接觸電阻，本文將加以討論。對Cu來說，接觸電阻由阻擋層金屬確定，其他考慮因素（如Cu擴散性）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，對目前的絲網(wǎng)印刷工藝提出挑戰(zhàn)。關于Al指形電極的R&D還沒有開始。

　　作為Ag替代品的Al

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

　　價補鈍化

　　“價補（valence mending）”的概念是Kaxiras提出的，旨在解除半導體表面的懸空鍵。對于Si（100）表面，價補是用硫或硒的單原子層實現(xiàn)的。在新生Si（100）表面，每一表面原子占據(jù)二個懸空鍵，如圖1（a）所示。這些懸空鍵是表面態(tài)的起源，它們釘扎表面費米能級。在金屬/Si界面，費米能級釘扎效應使肖特基勢壘高度與金屬功函數(shù)沒什么關系，主要受表面態(tài)（或更恰當?shù)卣f是界面態(tài)）的控制。硫或硒的單原子層淀積在Si（100）表面時，它們在二個Si原子間橋接，很好地中止了Si（100）上的懸空鍵，如圖1（b）所示。我們已有論文報道過硫或硒用于Si（100）表面的價補鈍化，然而，對于萬億瓦級光伏應用，硫比硒豐富得多。

　　電學上，中止Si（100）表面上的懸空鍵使表面態(tài)最小化，這一直是巴丁時代以來半導體技術最為精彩的一頁。使表面態(tài)最小的重要結(jié)果是莫特-肖特基（Mott-Schottky）理論將被更嚴格遵守，即金屬與Si之間的肖特基勢壘高度將主要由金屬功函數(shù)與Si電子親和勢決定。在n型價補后的Si（100）表面上淀積低功函數(shù)金屬就能實現(xiàn)低肖特基勢壘。我們在有Al 的Se鈍化n型Si（100）表面上展示了創(chuàng)紀錄低的肖特基勢壘。

　　實驗是在低劑量1015cm-3Sb摻雜n型Si（100）硅片上進行的。鈍化后，在硅片上用電子束蒸發(fā)和剝離（lift-off）工藝制作直徑200μm的Al圓點。重要的是，鈍化后的濺射工藝要緩和，因為濺射淀積能破壞鈍化層。圖2說明確定Se鈍化n型Si（100）上Al勢壘高度的激活能測量，以及斜率給出的勢壘高度。取決于偏壓，勢壘高度在0.06-0.10eV間變化，遠遠低于Al/n型Si接觸長期建立的值0.72eV。