摘要
硅基异质结太阳电池因其高转换效率、低温度系数、双面入光、工艺简单、无光衰等优点成为新一代硅基太阳电池的核心技术。但是在其产业化过程中，由于制造成本相对较高，尤其是其栅线电极用到的低温银浆材料成本，阻碍了其产业化进程。通过电镀的方式制备铜栅线替代传统银浆栅线的无银技术有望降低硅异质结电池的制造成本，引起了产业界与学术界的广泛关注。由于在ITO上直接电镀铜栅线存在铜栅线沉积不均匀以及铜栅线与ITO结合差易脱落的问题。因此需要在铜栅线与ITO之间额外沉积一层金属种子层来改善这一问题。然而通过磁控溅射的方式沉积的金属种子层存在结晶度差体电阻率高的问题导致铜栅线与ITO之间较高的接触电阻率（1mΩ·cm2）。此外，电镀工艺制备的铜栅线存在应力的问题，电镀工艺中的边缘效应与过高的电镀电流密度（16 A/dm2）会导致金属种子层与ITO脱落进而影响铜栅线与ITO之间的接触电阻率，而低的电镀电流密度会限制电镀铜栅线的电镀速率。因此针对上述问题需要同时对金属种子层的沉积工艺与铜栅线的电镀工艺进行优化，实现铜栅线与ITO之间低的接触电阻率，并提高其电镀速率。另外，由于ITO需要横向传输电流到铜栅线中，而通过提升其载流子浓度来提高导电性能会导致ITO自由载流子吸收严重，需要对铜栅线的宽度与数量进行设计来降低ITO导电性能的要求，进一步的对ITO进行优化减少自由载流子吸收。为了解决以上问题本文对铜栅线制备工艺中的金属种子层沉积工艺、电镀工艺以及铜栅线与ITO的设计进行了研究，研究进展如下: 1.针对硅异质结电池铜电镀金属化过程中铜栅与ITO接触电阻率较高（大于1 mΩ·cm2）的问题，对复合金属种子层（Ti/Cu）沉积的溅射功率和沉积厚度进行了优化，确定了 5kW的溅射功率与5/120 nm的Ti/Cu沉积厚度。并对金属种子层的结晶度变化进行了研究，得到了低于5 kW与高于5 kW的沉积功率会导致金属种子层结晶度变差的一般规律以及Ti黏附层的结晶度改善会使Cu层的结晶度改善，可使铜层的晶粒尺寸从68nm增加到76nm,最终使电镀铜栅与ITO之间实现了更低的接触电阻率（0.5 mΩ·cm2）。 2.针对硅异质结太阳电池铜栅线电镀工艺边缘效应以及电镀速率慢的问题，首先通过基于有限元方法的COMSOL器件仿真软件对边缘效应的产生原因进行了研究，得到了由于电镀电流在电池边缘过高导致边缘效应的原因，通过对电镀过程中电场线进行遮挡减弱了边缘效应，在16 A/dm2的电镀电流密度下，将栅线高度的差异从12 μm降低到4 μm。其次通过对电镀电流密度和镀液的酸铜配比进行了研究，分析了铜离子浓度对电镀电流密度的影响，确定了高铜低酸配比的镀液（230∶70），实现3 μm/min的电镀速率。并提出小电流密度（1 A/dm2）加大电流密度（16 A/dm2）的混合优化路线，在高电镀速率下依然保持铜栅线与ITO之间低的接触电阻率（最低至0.3 mΩ·cm2）。 3.针对增加ITO导电性能导致的自由载流子吸收严重的问题，基于有限元方法的Griddler栅线仿真软件对不同宽度铜栅线的数量进行了优化，降低了 ITO的功率损耗（从0.15 mW/cm2降低到0.06 mW/cm2），通过对达到电池最高效率的铜栅线宽度与相邻铜栅线间距的研究，发现随着铜栅线宽度的降低相邻铜栅线的间距会减小的一般规律，在已报道的最窄线宽为9 μm的铜栅线优化后的最佳栅线数量为161根，栅线间距为1 mm,进一步的针对这一规律提出了复合ITO层的技术路线，通过仿真研究，电池转换效率可提升0.2％,为铜电镀栅线硅异质结太阳电池效率提升提供新的器件结构设计方向。
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