作为Ag替代品的Al

　　若能实现高高宽比，作为Ag 指形电极的替代品，Al比Cu更具吸引力。这方面有二个原因。一个是在Al和n型Si间呈现创纪录低的肖特基势垒0.08eV，这确保了低接触电阻。另一个是直至400℃，Al和Si间的界面反应可得到抑制。用价补Si(100)表面可获得这些结果。

　　价补钝化

　　“价补（valence mending）”的概念是Kaxiras提出的，旨在解除半导体表面的悬空键。对于Si(100)表面，价补是用硫或硒的单原子层实现的。在新生Si(100)表面，每一表面原子占据二个悬空键。这些悬空键是表面态的起源，它们钉扎表面费米能级。在金属/Si界面，费米能级钉扎效应使肖特基势垒高度与金属功函数没什么关系，主要受表面态（或更恰当地说是界面态）的控制。硫或硒的单原子层淀积在Si(100)表面时，它们在二个Si原子间桥接，很好地中止了Si(100)上的悬空键。然而，对于万亿瓦级光伏应用，硫比硒丰富得多。

　　电学上，中止Si(100)表面上的悬空键使表面态最小化，这一直是巴丁时代以来半导体技术最为精彩的一页。使表面态最小的重要结果是莫特-肖特基（Mott-Schottky）理论将被更严格遵守，即金属与Si之间的肖特基势垒高度将主要由金属功函数与Si电子亲和势决定。在n型价补后的Si(100)表面上淀积低功函数金属就能实现低肖特基势垒。我们在有Al 的Se钝化n型Si(100)表面上展示了创纪录低的肖特基势垒。

　　实验是在低剂量1015cm-3Sb掺杂n型Si(100)硅片上进行的。钝化后，在硅片上用电子束蒸发和剥离（lift-off）工艺制作直径200μm的Al圆点。重要的是，钝化后的溅射工艺要缓和，因为溅射淀积能破坏钝化层。确定Se钝化n型Si(100)上Al势垒高度的激活能测量，以及斜率给出的势垒高度，取决于偏压，势垒高度在0.06-0.10eV间变化，远远低于Al/n型Si接触长期建立的值0.72eV。

　　创纪录低的势垒高度应导致Al和n型Si间极低的接触电阻。轻掺杂与重掺杂Si的接触电阻分别由下面二式给出：

　　任一情况中，接触电阻是势垒高度的指数函数。例如，Si中掺杂为1×1019cm-3时，势垒高度从0.6到0.4 eV适度地减少0.2eV就使接触电阻降低4个数量级！这就是降低n型Si上肖特基势垒能大大减少接触电阻的原因。低接触电阻对接触面积有限的指形电极是很重要的。它也能缓解由于Al电阻率较高而造成的指形电极电阻增加。更加重要的是，低接触电阻能在轻掺杂Si上实现，提供了硅片电池设计更多灵活性。

　　在Si(100)表面中止悬空键的另一结果是抑制了表面的化学活性。这就是抑制Al与Si合金化的机理，也抑制了无意中Si 的p型掺杂。

　　实验是通过检验在Se钝化Si(100)表面上Ni硅化进行的。在二片Si(100)硅片上淀积50nm Ni膜，一片有Se钝化，另一片没有Se钝化。在N2中400-700℃间加热这些样品60秒进行硅化，用透射电子显微镜检查Ni/Si界面。对于没有Se且在400℃下退火的控制样品，观察到硅化，结果在Ni和Si间有二层硅化物堆叠。这证实了Foll等人早先对于Ni硅化的TEM研究。他们的结论是，二层堆叠分别为Ni2Si和NiSi。500℃退火后，单层NiSi出现在控制样品的Ni/Si界面。但是，钝化样品的表现完全不同。400℃退火后，Ni与Se钝化Si(100)表面间没有硅化而且界面陡削。500℃退火后，Ni与Se钝化Si(100)表面间仍然没有明显的反应。仅仅在600℃退火后，Ni与Se钝化Si(100)反应形成单层NiSi。因此，Ni/Se钝化Si(100)界面的热稳定性是～400℃。

　　上述结果说明，直到400℃均能防止Al与Si合金化，或直到400℃能抑制n型Si的无意p型掺杂。由于目前Al浆一般在750℃烧结，需要开发新的低温Al浆，用于以低于400℃烧结温度的n侧接触。若p侧Al浆仍然在750℃烧结，对于这样的全Al硅片太阳能电池就必须采用二步烧结工艺：第一次烧结在750℃用于p侧接触，第二次烧结在400℃用于n侧接触。二步烧结工艺似乎比目前的一步烧结工艺成本较高，不过，这或许是我们为了在硅片太阳能电池中避免用Ag不得不付出的代价。