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作者：M.Tao，Arizona State University
到2050年全球的能量需求將達28TW，到2100年則為46TW。部署的光伏太陽能電池必須擴展到數十萬億峰瓦，以便滿足這些需求令人注目的一部分。太陽能電池的輸出隨一天中的時段而改變。太陽能電池的時間平均輸出是其峰值功率的15-20%；所以，50TWp的太陽能電池將產生7.5-10TW的平均輸出，或2100年全球能量需求的～18%。
在現今幾乎所有的硅片太陽能電池中，用Ag作為n型發射極上的指形電極，而Al用于作為p型基極上的背電極。硅片太陽能電池達到萬億瓦數量級的主要瓶頸之一是Ag的稀少。根據美國地質調查（U.S. Geological Survey），地球上已知的Ag儲量約為570,000公噸。眾多分析估計，從硅片太陽能電池可能得到的最大功率受Ag儲量的限制。他們得出相似的結論，即已知Ag儲量將把硅片太陽能電池約束在小于1萬億瓦時間平均輸出，這是我們2100年能量需求的很小部分。此外，Ag的價格自2010年夏季以來急速上漲，現在已經是電池成本的重要部分。若太陽能電池工業繼續以現在的步伐增長（年均約50%），對Ag的需求也將持續增加，肯定會使Ag價更高。因此，為使硅片太陽能電池成為未來能源的重要來源，必須用低成本地球富有金屬替代Ag。
本文考察了多個地球富有金屬，目的是確定Ag的合適替代品。結論是，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。給出了解決Al替代Ag時碰到的挑戰的初步結果。
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。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。這頗具挑戰性，不過仍有潛在的可行性。Ca的電阻率高111%，但Ca與水氣反應，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U.S.Geological Survey列出各種金屬已知的儲備量和目前的年產量。儲備量包括有經濟價值和經濟價值不大的資源。依據儲量和年產量，Ag比不過其他金屬。Sn的年產量與其他金屬比也很小。Cu和Al二者有巨大的儲量，它們的年產量在數千萬噸范圍內，足以支持萬億瓦級硅片太陽能電池的生產。
替代金屬的挑戰
從上述討論可得出結論，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：
1）抗氧化：Ag在各種溫度下是抗氧化的。這保證了接觸燒結（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指電極的燒結也許不得不在無氧環境下進行。
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，必須避免Al與n型發射極合金化。這似乎可以用阻擋層實現。Cu是惡名昭著的少數載流子殺手，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在普通環境條件下會緩慢氧化，產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缺點作出分析。Cu的最大優點是電阻率低，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，工業應有經驗學習曲線。
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，對目前的絲網印刷工藝提出挑戰。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間呈現創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)表面可獲得這些結果。
到2050年全球的能量需求將達28TW，到2100年則為46TW。部署的光伏太陽能電池必須擴展到數十萬億峰瓦，以便滿足這些需求令人注目的一部分。太陽能電池的輸出隨一天中的時段而改變。太陽能電池的時間平均輸出是其峰值功率的15-20%；所以，50TWp的太陽能電池將產生7.5-10TW的平均輸出，或2100年全球能量需求的～18%。
在現今幾乎所有的硅片太陽能電池中，用Ag作為n型發射極上的指形電極，而Al用于作為p型基極上的背電極。硅片太陽能電池達到萬億瓦數量級的主要瓶頸之一是Ag的稀少。根據美國地質調查（U.S. Geological Survey），地球上已知的Ag儲量約為570,000公噸。眾多分析估計，從硅片太陽能電池可能得到的最大功率受Ag儲量的限制。他們得出相似的結論，即已知Ag儲量將把硅片太陽能電池約束在小于1萬億瓦時間平均輸出，這是我們2100年能量需求的很小部分。此外，Ag的價格自2010年夏季以來急速上漲，現在已經是電池成本的重要部分。若太陽能電池工業繼續以現在的步伐增長（年均約50%），對Ag的需求也將持續增加，肯定會使Ag價更高。因此，為使硅片太陽能電池成為未來能源的重要來源，必須用低成本地球富有金屬替代Ag。
本文考察了多個地球富有金屬，目的是確定Ag的合適替代品。結論是，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。給出了解決Al替代Ag時碰到的挑戰的初步結果。
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。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。這頗具挑戰性，不過仍有潛在的可行性。Ca的電阻率高111%，但Ca與水氣反應，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U.S.Geological Survey列出各種金屬已知的儲備量和目前的年產量。儲備量包括有經濟價值和經濟價值不大的資源。依據儲量和年產量，Ag比不過其他金屬。Sn的年產量與其他金屬比也很小。Cu和Al二者有巨大的儲量，它們的年產量在數千萬噸范圍內，足以支持萬億瓦級硅片太陽能電池的生產。
替代金屬的挑戰
從上述討論可得出結論，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：
1）抗氧化：Ag在各種溫度下是抗氧化的。這保證了接觸燒結（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指電極的燒結也許不得不在無氧環境下進行。
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，必須避免Al與n型發射極合金化。這似乎可以用阻擋層實現。Cu是惡名昭著的少數載流子殺手，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在普通環境條件下會緩慢氧化，產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缺點作出分析。Cu的最大優點是電阻率低，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，工業應有經驗學習曲線。
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，對目前的絲網印刷工藝提出挑戰。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間呈現創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)表面可獲得這些結果。
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