JP5491682B2 - 太陽電池用平角導体及びその製造方法並びに太陽電池用リード線 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池用の平角導体とその製造方法及び平角導体を用いたリード線に関し、特に、太陽電池のシリコンセルとはんだ接続してもシリコンセルの反りが少なく、かつ電気的特性にも優れた太陽電池用の平角導体及びその製造方法並びに太陽電池用リード線に関するものである。

基板上にシリコン結晶を成長させた太陽電池においては、図３に示すように、通常、シリコン結晶ウェハ（Ｓｉセル）５１の所定の領域に接続用リード線５３を接合し、これを通じて電力を伝送する構成としている。

上記接続用リード線は、平角導体の表面に、セルとの接続のためのはんだめっき膜が形成される。例えば、図４に示すように、平角導体６１としてタフピッチ銅や無酸素銅などの純銅を用い、その外側に形成されたはんだめっき膜６３として、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、近年、環境への配慮から、はんだめっき膜の構成材として、Ｐｂを含まないはんだ（Ｐｂフリーはんだ）への切り替えが検討されている（例えば、特許文献２参照）。

ところで、太陽電池を構成する部材のうち、シリコン結晶ウェハが材料コストの大半を占めていることから、製造コストの低減を図るべくシリコン結晶ウェハの薄板化が検討されている。しかし、シリコン結晶ウェハを薄板化すると、接続用リード線のはんだ接合時における加熱プロセスや、太陽電池使用時における温度変化により、図５に示すように、はんだめっき５５を介して接続したＳｉセル５１と接続用リード線５３が反ったり、破損したりするおそれがあった。このため、これに対処すべく、接続用リード線５３として、熱膨張が小さい線材のニーズが高まっている。

熱膨張が小さい接続用リード線の一例として、図６に示すように、熱膨張が小さいインバー（Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ）７３を銅材７１でクラッドし、表面にはんだめっき膜７５を形成したものがある。
特開平１１−２１６６０号公報 特開２００２−２６３８８０号公報

表１に、銅−インバー−銅（Ｃｕ／Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ／Ｃｕ）の材料特性を、Ｃｕ単独、インバー単独（Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ）、シリコン単独の材料特性と比較して示す。

表１より、低熱膨張であるインバーを用いて、銅−インバー−銅をクラッドした平角導体を製造すると、Ｓｉとの熱膨張整合が可能になるものの、Ｃｕに比べて体積抵抗率が増大するため、導電率が低下して太陽電池としての発電効率が下落する。しかも、インバーにはニッケルが３６％程度も含まれているため、高価になってしまう。

また、上記の銅−インバー−銅の３層構造によるリードフレームでは、インバーの両側に配置されている銅材料の結晶の配向、または結晶粒の不均一によって、反りなどの変形が生ずることがあった。これらは、太陽電池モジュールの生産性低下や、長期間使用した際の発電効率低下など信頼性を低下させる原因となっていた。加えて、側面の銅−インバー−銅接合部が水分にさらされることにより、局部電池化し腐食する恐れもあった。

更に、インバーを用いたリードフレームでは、回路形成時に打抜き加工を行うため、無駄になる材料が大量に生じてしまい、製造コストの上昇を招くという課題もあった。

従って、本発明の目的は、シリコン結晶ウェハを薄板化した場合でも接続用リード線の接合時にシリコン結晶ウェハの反りもしくは破損が生じにくい太陽電池用平角導体及び太陽電池用リード線を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、導電率が良好な太陽電池用平角導体及び太陽電池用リード線を提供することにある。

更に、本発明の他の目的は、製造コストの上昇を抑えることができる太陽電池用平角導体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の太陽電池用平角導体（ただし、クラッドした平角導体を除く）は、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下で、かつ引張り試験における０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下（ただし、４９ＭＰａ以下を除く）であることを特徴とする。

前記平角導体はＣｕ，Ａｌ，Ａｇ及びＡｕからなる群から選ばれた１種とすることができる。

また、上記課題を解決するため、本発明の太陽電池用平角導体（ただし、クラッドした平角導体を除く）の製造方法は、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の導体を圧延によって平角状断面に成形後、熱処理を施して引張り試験における０．２％耐力値を９０ＭＰａ以下（ただし、４９ＭＰａ以下を除く）とすることを特徴とする。

前記熱処理は、ヒータによるバッチ式加熱方式もしくは通電加熱方式により行うことができる。

また、前期太陽電池用平角導体の表面の一部又は全部にはんだめっきを施して太陽電池用リード線とすることができる。

前記はんだめっきは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだとすることができる。

本発明においては、導体の０．２％耐力値を低減させているので、はんだ接続後の導体の熱収縮によって発生する、セルを反らせる力を低減できる。このため、シリコンセルとはんだ接続後の熱収縮の際に、セルの反りを減少させることができる。
また、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の導体を用いているので、高導電性を有する太陽電池の接続用リード線を提供することができる。

更に、本発明の製造方法によれば、熱処理により導体の０．２％耐力値を低減させているので、コストがかからず簡易な方法で太陽電池用平角導体を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
（太陽電池用平角導体）
図１に、本発明の太陽電池用平角導体の一実施形態を示す。
この太陽電池用平角導体１０は、セルヘのはんだ接続が容易となるように、軟質材の導体１の外形形状が平角状とされている。

（導体の体積抵抗率）
導体１は、太陽電池の発電ロスを軽減する観点から、体積抵抗率が比較的小さい導体材料（例えば、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の材料）を用いることが好ましい。
体積抵抗率が比較的小さい導体材料としては、表２に示すように、Ｃｕの他にＡｕ，Ａｇ，Ａｌなどがある。この中で体積抵抗率が最も低いのはＡｇであり、発電効率を最大限にすることが可能である。一方、低コスト化を優先するときにはＣｕが良く、軽量化を図りたいときにはＡｌを選択するのが望ましい。

（導体の０．２％耐力値）
一般に熱膨張率の異なる異種金属を高温で接続した場合には、温度変化に熱膨張率、ヤング率を積算した値が反りを発生させる力となる。しかし、太陽電池のように接続する両部材の剛性が著しく異なり、またはんだ接続温度も２００℃以上と高温のものでは、断面積が少ない導体の方が降伏してしまい、上記熱膨張率、ヤング率による力がそのまま反り発生力とはならない。

導体の場合、降伏応力が小さいと少ない力で塑性変形してしまい、それ以上の変形抵抗とならない。即ち、低強度および低耐力であるほど、接合時のシリコン結晶ウェハへの負荷が軽減する。このため、塑性変形の指標として引張り試験における０．２％耐力値を用い、導体１の０．２％耐力が９０ＭＰａ以下、好ましくは８０ＭＰａ以下、より好ましくは、７０ＭＰａ以下とする。このような０．２％耐力値の低い軟質の導体を選択することにより、シリコン結晶ウェハヘ導体接合の際の熱応力を低減することができる。また、０．２％耐力を８０ＭＰａ以下にすることにより銅−インバー−銅のクラッド材よりもＳｉ反りを低減することが可能となり、実用上大きな効果が得られる。

（太陽電池用平角導体の製造方法）
この太陽電池用平角導体１０は、導体１をダイス伸線もしくはロール圧延、あるいはそれらの複合工程により平角状に成形した後、通電方式もしくはバッチ式の設備で熱処理して０．２％耐力を低減することで得られる。ここで、０．２％耐力を低減するための熱処理方式としては、通電加熱方式よりも熱エネルギーを十分に与えられるヒータによるバッチ式加熱方式が望ましい。あるいは酸化を防止する観点から水素還元雰囲気の炉を用いることもできる。

（太陽電池用リード線）
図２に、本発明の太陽電池用リード線の一実施形態を示す。
この太陽電池用リード線２０は、図１に示す導体１の表面全体に、はんだめっき膜１３を施したものである。はんだめっき１３は、環境面から鉛フリー品とし、外周全体について実施する。

また、はんだ組成についてはこれまでセルとの熱膨張整合を考慮して低温接続が可能なものが求められていたが、本実施形態の導体１を用いることで接続温度が高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の組成のはんだを用いることが可能となる。

この太陽電池用リード線を、シリコン結晶ウェハ（太陽電池モジュール）におけるセル面の所定の接点領域（例えば、Ａｇメッキ領域）に接続することで、太陽電池アセンブリが得られる。

（本太陽電池用平角導体及び太陽電池用リード線の効果）
以上説明したように、本実施形態の太陽電池用平角導体及び太陽電池用リード線は、導体の０．２％耐力値として９０ＭＰａ以下のものを用いているので、はんだ接続後の導体の熱収縮によって発生する、セルを反らせる力を低減できる。このため、シリコンセルとはんだ接続後の熱収縮の際に、セルの反りを減少させることができる。
また、本実施形態の太陽電池用平角導体及び太陽電池用リード線は、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の高導電性を有する導体を用いているので、太陽電池としての発電効率を良好に維持することができる。

更に、本実施形態の製造方法によれば、熱処理により導体の０．２％耐力値を低減させているので、コストがかからず簡易な方法で太陽電池用平角導体を提供することができる。

幅２．０ｍｍ、厚さ０．１６ｍｍのＣｕ材料を平角線状に圧延成形し、図２に示す導体１とし、その周囲をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ系の鉛フリーはんだで被覆してはんだめっき膜１３を形成し、太陽電池用リード線２０とした。
この太陽電池用リード線２０を、熱処理条件を変えて表３に示すように種々の０．２％耐力のものを製作し、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ、厚み２００μｍのＳｉセルにはんだ接続したものの反りを調べた。

表３の結果より、０．２％耐力の低下とともに反りも低減し、０．２％耐力が４０ＭＰａのものでは従来のＣｕ導体（１４０ＭＰａ）を用いたものよりも１／３程度に反りが低減できることが分かった。

比較としてＣｕ−インバー−Ｃｕ（比率２：１：２）を接続したものと、０．２％耐力が４０ＭＰａのＣｕ導体を接続したもののセル反りを調べたところ、３．０ｍｍあったものが１．５ｍｍと半分となることを確認できた。

本発明の太陽電池用平角導体の一実施形態を示す断面図である。 本発明の太陽電池用リード線の一実施形態を示す断面図である。 太陽電池セルヘの接続用リード線の接続状態を示す斜視図である。 従来の太陽電池用リード線を示す断面図である。 Ｓｉセルと接続用リード線とをはんだ接続する際に発生する反りを示す説明図である。 従来の太陽電池用リード線を示す断面図である。

符号の説明

１ 導体
１０ 太陽電池用平角導体
１３ はんだめっき膜
２０ 太陽電池用リード線
５１ Ｓｉセル
５３ 接続用リード線
５５ はんだめっき
６１ 平角導体
６３ はんだめっき膜
７１ 銅材
７３ インバー
７５ はんだめっき膜

Claims (6)

1. 体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下で、かつ引張り試験における０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下（ただし、４９ＭＰａ以下を除く）であることを特徴とする太陽電池用平角導体（ただし、クラッドした平角導体を除く）。
2. 前記平角導体がＣｕ，Ａｌ，Ａｇ及びＡｕからなる群から選ばれた１種であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池用平角導体。
3. 体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の導体を圧延によって平角状断面に成形後、熱処理を施して引張り試験における０．２％耐力値を９０ＭＰａ以下（ただし、４９ＭＰａ以下を除く）とすることを特徴とする太陽電池用平角導体（ただし、クラッドした平角導体を除く）の製造方法。
4. 前記熱処理は、ヒータによるバッチ式加熱方式もしくは通電加熱方式により行うことを特徴とする請求項３記載の太陽電池用平角導体の製造方法。
5. 請求項１又は２記載の太陽電池用平角導体の表面の一部又は全部にはんだめっきを施したことを特徴とする太陽電池用リード線。
6. 前記はんだめっきは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項５の太陽電池用リード線。

Images