Фотонная полимеризация может ускорить переход к солнечным элементам с медным покрытием

Аккумулятор FIAMM 12 FLB 450 P

Исследователи из США разработали метод фотонной полимеризации с использованием лазерного спекания для быстрого нагрева и полимеризации медной пасты на чувствительных к температуре подложках для солнечных батарей без возникновения термического напряжения. В результате этого процесса образуются плотные медные слои с низкой пористостью и хорошей адгезией к оксиду индия-олова, что обеспечивает низкое объёмное и контактное удельное сопротивление.

Исследователи из Университета Центральной Флориды в США разработали метод фотонной полимеризации, который, как сообщается, улучшает металлизацию медью (Cu) солнечных элементов за счёт снижения окисления меди.

«Мы уже добились эффективности элементов, близкой к 20 %, с использованием медной металлизации, и активно работаем над решением проблем, связанных с окислением и другими аспектами интеграции, чтобы приблизиться к внедрению в промышленность», — сказал Прасант Кумар, автор исследования. «Наша работа финансировалась Министерством энергетики США (DOE)».

Фотонная закалка g — это высокотемпературный метод, при котором для быстрого нагрева поверхности материала используются интенсивные вспышки света от импульсных ламп. Этот метод позволяет «закалять» металлы или чернила без перегрева или повреждения нижележащих слоёв, что делает его особенно полезным при производстве электроники и солнечных батарей для улучшения проводимости и качества материалов.

В ходе своей работы учёные подвергли микро- и наночастицы меди лазерному спеканию, чтобы обеспечить быстрый локальный нагрев с помощью высокоинтенсивного лазерного луча. Сообщается, что этот метод позволяет отверждать медную пасту на чувствительных к температуре подложках без термического напряжения.

«Метод лазерного спекания обеспечивает избирательное поглощение энергии, что снижает риск повреждения подложки и улучшает адгезию между слоями меди и оксида индия-олова (ITO) по сравнению с традиционными методами спекания, — объяснили учёные. — Кроме того, процесс фотонной полимеризации можно масштабировать, и он совместим с крупносерийным производством фотоэлектрических элементов».

Для экспериментов микро- и наночастицы Меди наносили на пластины Чохральского (Cz) с ITO-покрытием толщиной 140 мкм с использованием системы микродиспенсинга, в то время как спекание выполняли co₂-лазером. Для печати с высоким разрешением использовалась коммерческая медная паста, поставляемая американским производителем печатной электроники Novacentrix.

С помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) и профилометрии команда проанализировала линейное сопротивление меди, объёмное удельное сопротивление и контактное удельное сопротивление на границе раздела ITO/Cu. Они обнаружили, что в результате этого процесса образуется плотный, компактный слой меди с пониженной пористостью и хорошей адгезией медных контактов.

В «оптимизированных» условиях удельное объёмное сопротивление составило примерно 19 мкОм·см, а контактное сопротивление — около 35 мОм·см². Исследователи отметили, что эти значения достаточно низкие, чтобы можно было значительно сократить потребление меди, что открывает путь к экономически выгодным и надёжным процессам металлизации.

«В этой работе контакты, сформированные с шириной линии 150–200 мкм, имеют высокое соотношение сторон в диапазоне от 0,1 до 0,15, — заявили авторы. — В дальнейшем мы сосредоточимся на уменьшении ширины линии контактных пальцев и увеличении соотношения сторон, что особенно важно для минимизации потерь при оптическом затенении».

В дальнейшем исследователи планируют изучить тепловые взаимодействия, возникающие при лазерном спекании медной пасты, чтобы оптимизировать процесс производства солнечных батарей нового поколения.

Новая технология была представлена в статье «Фотонное отверждение медных чернил: путь к масштабируемой металлизации меди для солнечных батарей», опубликованной в physica status solidi (PSS). В исследовательскую группу входили учёные из Делавэрского университета.