降本增效是光伏行业的永恒主题。对于新型光伏电池片技术，金属化环节的银耗量成为了影响电池成本的关键因素之一。尤其是对于异质结HJT技术，由于其低温工艺限制，需要使用价格更高的低温银浆，导致其综合成本居高不下。降低银耗量成为金属化环节降本关键。铜电镀是一种非接触式的电极金属化技术，在基体金属表面通过电解方法沉积金属铜制作铜栅线，收集光伏效应产生的载流子。与半导体、PCB领域电镀铜工艺类似，光伏电池通过制备种子层、图形化、电镀、后处理制作铜的非接触式金属化电极，实现“以铜代银” ，制成包括种子层、粘合层、传导层、焊接层的电极。传统异质结HJT产线在TCO膜制备之后采用银浆印刷电路，而铜电镀则把银浆丝网印刷替换成铜栅线制备环节。图1. 异质结电池铜电镀工艺流程图
铜电镀具体工艺流程较为复杂，制备种子层/图形化/电镀/后处理四个环节中，图形化环节依次包括涂覆感光材料、曝光固化、清洗显影3步骤；后处理环节依次包括镀锡抗氧化、去感光材料、刻蚀种子层3步骤。综上，电镀铜四大环节、多项工艺步骤可被简要概括为图形化+金属化两部分。图2. 异质结电池电镀电极结构图
图形化环节主要包括镀种子层、掩膜/感光胶、曝光显影等步骤。直接在TCO上电镀的话，由于镀层和TCO间的接触为物理接触，附着力主要为范德华力，容易引起电极脱落，且在TCO上电镀金属是非选择性的，需在电镀之前在透明导电薄膜表面沉积种子层，并沉积图形化的掩膜，以实现选择性电镀。为改善金属与TCO的接触及附着特性，需要引入一层极薄的种子层，增加电镀金属与TCO之间的附着力；然后通过图形转移技术选择性地获得电极设计图案，步骤包括喷涂感光材料、曝光固化、显影清洗等。感光材料分为干膜材料/湿膜油墨/铝膜三种，其中湿膜油墨性能略差但比干膜便宜，适用于追求低成本的光伏行业。曝光固化分为光学投影掩膜光刻/接近接触式光刻/激光直写光刻(Laser Direct Imaging，LDI)/喷墨打印共计4种，其中LDI在线宽、自动化、成本方面具有综合优势。目前来看，在多条技术路线下，感光油墨+激光直写技术组合(油墨LDI) 具有一定优势。
图3. 感光专用油墨作用机理
金属化工艺是指特定图形的铜沉积(电镀铜)，然后使用不同的抗氧化方法进行处理（电镀锌或使用抗氧化剂制作保护层），除去之前的掩膜/感光胶，刻蚀去除多余铜种子层，避免电镀铜在种子层腐蚀过程中引入缺陷，露出原本的 TCO，其后再进行表面处理，至此形成完整的铜电镀工序。整个过程使用的主要设备是电镀设备。
电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀其它金属或合金的过程，从而起到防止金属氧化（如锈蚀），提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性（硫酸铜等）及增加美观等作用。根据技术路线划分，目前主要有垂直电镀和水平电镀两种技术方案。
垂直电镀就是让欲镀表面、铜阳极板与镀液液面垂直，同时欲电镀表面与铜阳极板之间保持平行；而水平电镀就是让欲镀表面、铜阳极板与镀液液面保持水平，同样，欲镀表面与铜阳极板也要保持平行。水平电镀与垂直电镀方法和原理相同，都必须具有阴阳两极，通电后产生电极反应使电解液主成分产生电离，使带电的正离子向电极反应区的负相移动；带电的负离子向电极反应区的正相移动，于是产生金属沉积镀层和放出气体。这种技术的关键就是应制造出相适应的、相互配套的水平电镀系统，具有高分散能力的镀液，在改进供电方式和其它辅助装置的配合下，显示出比垂直电镀法更为优异的功能作用。
图4. 垂直电镀(左)与水平电镀(右)工艺对比
铜电镀技术可以提升电池转化效率和降低成本，未来有望得到进一步发展。相比传统丝印技术，其优点主要体现在：
(1) 铜栅线的导电性比银浆更强。铜栅线是纯铜，电极的内部致密且均匀，没有明显的空隙， 可有效地降低电池电极的欧姆损耗，提高电性能；电镀电极与透明导电薄膜连成一体，无明显孔洞，具有优异的接触性能。
(2) 铜电镀工艺可以实现宽度超细线宽（≤10μm）的栅线和低接触电阻，从而提升转换效率。
(3) 铜电镀技术用低价金属铜代替贵价银粉，大幅降低了原材料成本。同时，铜电镀设备可以兼容 TOPCon 和 HJT 技术，随着未来 N 型电池逐步替代 P 型技术，在光伏行业降本增效诉求下，铜电镀技术有望进一步得到发展。
(4) 电镀铜技术可同时实现双面电镀，电池正背面电极能同时完成。但是铜电镀固有的劣势也不可忽视，成为产业化应用过程中最大的阻碍：(1) 铜栅线与银栅线的材料构成不同，导致前者相比较后者更加容易脱落：银浆是由银、树脂和其他氧化物组成，烧结后呈现出类似珊瑚状，所以本身是略有弹性线体，硅片是可弯曲的；而铜栅线是实心状态，因此本身栅线的弹性较差，从而容易脱离。
(2) 相较与传统丝印，电镀铜的工艺流程相对较长，复杂的工艺流程提高对设备精准度的要求，在设备工艺成本以及良率方面控制存在一定劣势。
(3) 电镀存在各种重金属、含氮废液、干膜废弃物，处理麻烦且环保成本较高，随着国内环保政策收紧，环保问题成为铜电镀技术大规模普及最大的限制因素。
目前布局铜电镀设备的公司包括捷德宝、东威科技、罗博特科、宝馨科技、迈为股份等。苏州捷得宝采用油墨掩膜及水平电镀路线，致力开发光伏电池铜电镀整线工艺。根据海源复材公司公告，2021 年 11 月，公司与苏州捷得宝签署《设备买卖框架合同》，捷得宝作为国内铜电镀设备龙头，目前铜电镀做验证的客户，国内外大概有12家，其中 8 家是 HJT，其他 4 家是 TOPCon。捷德宝所开发的铜电镀工艺目前已有小批量生产，主要作为研发使用；预计 2024 年才可确定最终技术路线并开始批量化生产。东威科技是国内领先的高端 PCB 专用电镀设备厂商，在光伏铜电镀领域聚焦于垂直电镀设备。根据公司公告，自2020 年 8 月立项研发“光伏电池片金属化 VCP (Vertical Conveyor Plating) 设备” ，中试线已经取得成功，大量产线已攻克了设备和自动化技术难关。2022 年 12 月 30 日公司发布第三代太阳能垂直连续硅片电镀设备，该设备预计 2023H1 出货。罗伯特科在2022年11月表明：公司正持续加快推进在太阳能电池铜电镀制备电极方向的开发步伐。公司前段时间已经完成铜电镀设备的内部测试，公司专门负责该业务的技术团队对铜电镀样片进行了初步的检验和评估，各项指标基本达预期；近期，公司已经与几家客户签订项目合作保密协议，基于公司的全新方案，目前正在按照保密协议的约定陆续采购设计样机所需物料，预计下个月将在合作客户端逐步完成铜电镀设备的样机配套并安排在客户现场进行测试。后续公司将持续加快推进该业务领域的量产化进程，争取早日为公司贡献业绩。
迈为股份涉及HJT图形化环节设备以及整线交付，宝馨科技主要是电镀机、刻蚀机等设备。2022 年 9 月，宝馨科技与迈为股份战略合作暨安徽宝馨光能子公司异质结设备采购签约仪式在宝馨科技南京总部成功举行。宝馨科技称，怀远 HJT 项目的湿化学设备等部分设备为公司研发生产，其余将应用迈为的最新一代设备产品，并由迈为对整线设备进行整合后交付投产。此外，宝馨科技将与迈为股份在铜电镀关键领域开展深度合作，由迈为负责图形化部分，宝馨提供电镀及湿法技术，双方共同攻克关键技术的研发应用。 
