JP5765471B2 - 太陽電池用電極線材 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の接続用リード線として用いられる電極線材に関する。

太陽電池は、ＰＮ接合を有するシリコン半導体で形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面に線状に設けられた複数の表面電極に交叉するように設けられたはんだ帯にはんだ付けされた接続用リード線を備えており、通常、所望の起電力を得るために複数の太陽電池を直列に接続して使用される。直列接続は一の太陽電池の表面電極に接続用リード線の一方の表面（下面）をはんだ付けし、他方の表面（上面）を隣接する太陽電池の、比較的大きな領域の裏面電極にはんだ付けすることによってなされる。

従来、前記接続用リード線の素材となる電極線材は、タフピッチ銅で形成された丸形断面の銅線が圧延されて平坦状に潰された潰し銅線を芯材とし、その表面に溶融はんだめっき層が積層形成されたものが用いられていた。前記溶融はんだめっき層は、前記潰し銅線に溶融めっき法を適用すること、すなわち酸洗等により表面を清浄化した潰し銅線を溶融はんだ浴に通すことによって、潰し銅線からなる芯材の表面に積層形成される。前記溶融はんだめっき層は、芯材の上に付着した溶融はんだが凝固する際に表面張力の作用によって、芯材の幅方向の端部から中央部にかけて膨らんだ山形になる。

前記電極線材を半導体基板にはんだ付けするに際し、加熱温度ははんだ材の融点近傍の低温に厳格に制御される。その理由は、電極線材の芯材を形成する銅と半導体基板を形成する、例えばシリコンとの熱膨張率が相違するためである。すなわち、高価な半導体基板にクラックを発生させる原因となる熱応力をできるだけ小さくするように電極線材は低温ではんだ付けされる。

前記半導体基板は、従来、その厚さが３００μm 程度のものが用いられてきたが、近年、コスト低減のため、薄肉化する傾向にあり、最近では２５０μm 程度のものが用いられるようになってきた。このため、従来の潰し導線を芯材とした電極線材では、はんだ付けの際に半導体基板にクラックが発生し易いという問題があった。このようなクラックを防止するため、近年では半導体基板材料との熱膨張差の小さい導電性材料を芯材として用いるようになってきた。このような材料としては、例えば特開昭６０−１５９３７号公報（特許文献１）に、Ｆｅ、Ｎｉの合金であるインバー（代表的組成：Ｆｅ−３６％Ｎｉ）で形成された中間層の両面に銅層を積層一体化したクラッド材が提案されている。低熱膨張合金として、前記インバーのほか、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のコバール（登録商標）が用いられる場合もある。

一方、太陽電池の分野とは異なるが、半導体用リードフレームの素材として、特開昭５９−２０４５４７号公報（特許文献２）や特開昭５９−２０４５４８号公報（特許文献３）には、アルミニウムまたはアルミニウム合金材と銅または銅合金材との接合界面にクロム層や亜鉛層を形成したアルミニウム−銅系のクラッド材が提案されている。

特開昭６０−１５９３７号公報 特開昭５９−２０４５４７号公報 特開昭５９−２０４５４８号公報

前記特許文献１に開示のクラッド材を芯材とする電極線材（「クラッド電極線材」と呼ぶことがある。）は、なるほど半導体基板に生じる熱応力を軽減することができるものの、体積抵抗率が比較的高いＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などの合金材によって中間層が形成されるため、平均の電気抵抗が高くなり、太陽電池の発電効率が低下するという問題がある。
なお、前記特許文献２、３のアルミニウム−銅系のクラッド材は、太陽電池の電極線材とは用途が異なる上、一方の表面にはアルミニウムが露出するため、その表面に溶融はんだめっき層を形成することができないという問題もある。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、従来のクラッド電極線材と代替可能であり、はんだ付けに際し太陽電池用半導体基板にクラックが生じ難く、しかも導電性に優れた太陽電池用電極線材を提供することを目的とする。

本発明の太陽電池用電極線材は、体積抵抗率が２．３μΩ・cm以下で、かつ耐力が１９．６ＭＰａ以上、４９ＭＰａ以下である芯材と、前記芯材の表面に積層形成された溶融はんだめっき層を備える。
この太陽電池用電極線材によれば、芯材の耐力が１９．６ＭＰａ以上、４９ＭＰａ以下とされているので、溶融はんだめっき処理やその後の取り扱い上、過度に変形することがなく、取り扱い性が良好である。しかも半導体基板にはんだ付けする際に凝固過程で生じた熱応力により自ら塑性変形して熱応力を軽減解消することができる。このため、半導体基板にクラックが生じ難い。また、体積抵抗率が２．３μΩ・cm以下なので、導電性に優れ、発電効率にも優れる。

前記電極線材において、芯材をＣｕ含有量が９９．９mass％以上の純銅の焼鈍材あるいは酸素が２０ppm 以下の純銅の焼鈍材で形成することが好ましい。これらの焼鈍材を用いることにより、従来のクラッド電極線材に比して製造コストを著しく低減することができる。なお、芯材をクラッド材で構成したクラッド電極線材に対して、芯材を単層材で形成したものを「単層電極線材」と呼ぶことがある。

また、前記単層材の芯材の代わりに、中間層とその両面に積層形成された第１表面層および第２表面層からなるクラッド材の芯材を用いてもよい。クラッド材の芯材を用いることにより、適宜の材料を用いて、その平均の体積抵抗率及び耐力を上記所定範囲内に容易に収めることができ、種々のクラッド電極線材を幅広く提供することができる。この場合、前記第１、第２表面層を同一材料で、同一厚さに形成しておくことにより、はんだ付けの際に電極線材の熱変形を防止することができ、はんだ付け作業性を向上させることができる。

前記第１表面層および第２表面層を純ＣｕあるいはＣｕを主成分とするＣｕ合金で形成し、前記中間層を純ＡｌあるいはＡｌを主成分とするＡｌ合金で形成することが好ましい。これらの材料は低コストで入手が容易であるため、本発明のクラッド電極線材を低コストで提供することができる。これらの材料を組み合わせて使用する場合、前記中間層はクラッド材の全体厚さに対して１０％以上、５０％以下とすることが好ましい。１０％未満では前記耐力の確保が難しくなり、５０％を超えると前記体積抵抗率の確保が難しくなるからである。

また、前記単層電極線材、クラッド電極線材は、その芯材の長さ方向に沿って溶融はんだ収容用凹部を形成し、この溶融はんだ収容用凹部に溶融はんだめっき層を形成してもよい。前記溶融はんだ収容用凹部を設けることで、前記凹部に供給された溶融はんだが凝固する際、溶融はんだの中央部は膨らみ難く、前記溶融はんだめっき層は平坦状になりやすい。このため、電極線材のはんだ付け性が向上し、優れた接合性が得られる。
前記溶融はんだ収容用凹部は、芯材幅方向の開口幅を芯材幅の９０％以上とすることが好ましい。溶融はんだ収容用凹部の開口幅を芯材幅の９０％以上とすることにより、前記溶融はんだ収容用凹部に供給された溶融はんだが凝固する際に芯材の幅全体に渡って平坦化し易くなり、はんだ付け性が向上する。

本発明の電極線材を用いた太陽電池は、ＰＮ接合を有する半導体で形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた複数の表面電極にはんだ付けされた接続用リード線を備え、前記接続用リード線が上記本発明の電極線材によって形成される。溶融はんだ収容用凹部を設けた電極線材では、前記溶融はんだ収容用凹部に充填形成された溶融はんだめっき層によってはんだ付けされる。この太陽電池によれば、接続用リード線が上記各電極線材の特徴、作用効果を備え、総じて太陽電池用半導体基板にクラックが生じ難く、また導電性に優れ、引いては発電効率に優れる。

本発明の第１実施形態にかかる単層電極線材の横断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるクラッド電極線材の横断面図である。 溶融はんだ収容用凹部が形成された、本発明にかかるクラッド電極線材の横断面図である。 溶融はんだ収容用凹部が形成された、本発明にかかる他のクラッド電極線材の横断面図である。 本発明の電極線材を用いた太陽電池の概略斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電極線材について説明する。
図１は、第１実施形態に係る単層電極線材１を示しており、帯板状の芯材２と、この芯材２の表面および裏面に積層形成された溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂを有している。前記芯材２は体積抵抗率が２．３μΩ・cm以下で、かつ耐力が１９．６ＭＰａ以上、４９ＭＰａ以下の低耐力金属で形成されている。なお、前記芯材の側面にも溶融はんだめっき層がめっき処理の際に不可避的に形成されるが、図１では記載省略されている。後述の他の実施形態を示す図において同様である。

前記芯材２を形成する金属材としては、純銅、純銀などの導電性、はんだ付け性の良好な各種金属材を用いることができるが、材料コストの点からは、純銅が好ましい。銅の純度は高いほどよく、９９．９mass％以上、あるいはそれ以上のものが好ましい。不純物の内、酸素は微量で耐力を高める作用を有するため、少ないほど好ましく、無酸素銅（ＯＦＨＣ）や真空溶解銅などの酸素含有量が２０ppm 以下のものが好適である。

図２は第２実施形態にかかるクラッド電極線材１Ａを示しており、クラッド材で形成された帯板状の芯材２Ａと、この芯材２Ａの表面および裏面に積層形成された溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂを有している。前記芯材２Ａはアルミニウム材で形成された中間層４と、その両面に銅材で積層形成された第１表面層５Ａ、第２表面層５Ｂを備えており、平均値として体積抵抗率が２．３μΩ・cm以下で、かつ耐力が１９．６ＭＰａ以上、４９ＭＰａ以下に調整されている。なお、電極線材の片面のみを半導体基板の電極にはんだ付けする場合、中間層４の一方の表面のみに銅層を設けるだけでよい。

前記アルミニウム材としては、Ａｌ含有量が９９．０mass％程度以上、好ましくは９９．９mass％以上の純アルミニウムあるいは前記Ａｌ含有量のアルミニウム合金が好ましく、例えばＪＩＳ １０５０，１０６０，１０８５，１０８０，１０７０，１Ｎ９９，１Ｎ９０を用いることができる。一方、前記銅材としては、Ｃｕ含有量が９９．０mass％程度以上、好ましくは９９．９mass％以上の純銅あるいは前記Ｃｕ含有量の銅合金が好ましく、特に耐力の低い酸素含有量が２０ppm 以下の純銅が好適である。

前記中間層４の厚さは、芯材２Ａの全体の厚さの１０％以上、５０％以下に設定することが好ましい。１０％未満ではクラッド材の平均の耐力が８５ＭＰａを超えるようになり、一方５０％を超えると平均の体積抵抗率が２．３μΩ・cmを超えるようになり、好ましくない。また、第１，第２表面層５Ａ，５Ｂの厚さは同厚とすることが好ましい。同厚にすることで、はんだ付けの際に電極線材が熱変形するのを防止することができる。

前記単層電極線材１の芯材２は、丸形断面の線材を両面が平坦面になるように圧延して帯板材に加工したもの、あるいは単層圧延シートを複数の帯板材にスリットすることによって加工したものを用いることができる。一方、前記クラッド電極線材の芯材は同断面構造を有するクラッドシートを複数の帯板材にスリットすることによって加工される。クラッドシートは、各層を構成するアルミニウムシート、銅シートを重ね合わせ、冷間あるいは温間にて一対の圧下ロールに通して圧接し、得られた圧接材を２００〜５００℃程度で数十秒〜数分程度保持する拡散焼鈍を施すことによって容易に製造することができる。

前記芯材２，２Ａが素材から加工される際に、芯材は加工硬化を起こして耐力が上がる。このため、加工後、耐力が所定の範囲内に入るように十分に軟化焼鈍を施すことが望ましい。一般的に電極線材は厚さが１００〜３００μm 程度なので、焼鈍条件はＣｕ／Ａｌ／Ｃｕのクラッド材の場合５００℃程度で、またＣｕ単層材の場合は９００℃程度で、各々１分間程度保持するだけで十分である。
前記軟化焼鈍を施すタイミングについては、前記単層圧延シートあるいはクラッドシートを帯板材にスリットし、これを適宜の長さに切断した芯材に軟化焼鈍を施してもよい。あるいは前記シートに軟化焼鈍（この場合、軟化焼鈍は拡散焼鈍の役目も果たす。）を施し、その後、帯板材をスリットし、これを切断して芯材としてもよい。もっとも、帯板材の耐力を１９．６ＭＰａ程度以上、４９ＭＰａ程度以下と低くする場合は、前者の方法が好ましい。
上記のようにして製造された帯板材すなわち芯材は、その後、溶融はんだめっき温度に調整されためっき浴に浸漬されて、その表面に溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂが形成される。溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂを形成するはんだ合金は後述する。前記溶融はんだめっきの温度は、はんだ合金の融点より５０〜１００℃程度高い温度に調整される。この温度を高めに設定することにより、焼鈍効果を期待することができる。このため、前記軟化焼鈍をスリット前に行う場合は、溶融はんだめっき温度は高めに設定することが好ましい。

前記単層電極線材１あるいはクラッド電極線材１Ａは、その芯材２，２Ａの断面形状が図１、図２に示すように単なる方形状であるが、クラッド材の芯材２Ａの場合を例として示せば、図３に示すように、長さ方向に沿って、横断面の形状を一方の表面（図例では下面）の中央部が平坦状に凹んだ皿状（皿断面状）に形成し、その凹み側に溶融はんだ収容用凹部６を形成することが好ましい。前記凹部の深さは、最も深い部分で１０μm 程度以上、３０μm 程度以下とすることが好ましく、またその幅（下面開口幅）は芯材２Ａの幅の９０％程度以上とすることが好ましい。幅の上限は特に制限はなく、下面全幅に渡って開口していてもよい。

かかる溶融はんだ収容用凹部６を有する電極線材１Ｂでは、芯材２Ａを溶融はんだめっきを施す際、前記凹部６をほぼ満たすように溶融はんだを充填供給することによって、前記凹部６には表面がほぼ平坦状となった溶融はんだめっき層３Ｃが形成される。この溶融はんだめっき層３Ｃは表面がほぼ平坦状であるため、はんだ付け性が向上する。

前記凹部６をほぼ満たすように溶融はんだを充填供給するには、溶融はんだめっきを行う際に溶融はんだ浴温、めっき速度を適宜制御することにより、あるいは芯材２Ａを溶融はんだ浴に浸漬して引き上げた後に、凹部６の開口部から盛り上がった余分な溶融はんだを熱風の吹き付けによって除去したり、適宜のかき取り部材によってかき取り除去することによって行うことができる。

前記溶融はんだ収容用凹部６は、帯板状の芯材に適宜の塑性加工、曲げ加工等を施すことによって容易に加工形成することができる。例えば、帯板材をロール隙間が皿状断面形状とされた型ロールに通すことにより容易に加工することができる。また、素材シートをスリットして帯板材を得る際に、スリッターの回転刃の間隔や回転速度を調整することによってスリットされた帯板材の側端部に曲げ加工を施すようにしてもよい。

上記実施形態では、前記電極線材１Ｂはその芯材２Ａの横断面形状が前記凹部６の中央底部が平坦状とされた皿状をしているが、断面形状はかかる形状に限定されるものではなく、例えば図４に示すように、芯材２Ａの断面形状全体を湾曲状としてもよい。この場合、溶融はんだ収容用凹部６Ａは底面が湾曲形となる。このような皿状あるいは湾曲状の断面形状は単純形状であり、加工が容易なため、工業的生産性にも優れる。
また、上記実施形態では、溶融はんだ収容用凹部が加工される芯材として、クラッド材の芯材２Ａを用いたが、単層圧延材の芯材を用いてもよい。また、単層圧延材あるいはクラッド材の芯材に対する軟化焼鈍は、単層電極線材の場合と同様、単層圧延シートあるいはクラッドシートを帯板材にスリットし、その帯板材を切断し、前記凹部を加工した後に軟化焼鈍を施してもよい。あるいは前記シートに軟化焼鈍を施し、その後、帯板材をスリットし、これを切断し、前記凹部を形成してもよい。後者の方法を適用する場合、溶融はんだめっき温度を高く設定し、溶融はんだめっきの際に焼鈍効果を得るようにすることが好ましい。

前記溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂ，３Ｃを形成するはんだ材としては、融点が１３０〜３００℃程度のＳｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−（０．５〜５mass％）Ａｇ合金、Ｓｎ−（０．５〜５mass％）Ａｇ−（０．３〜１．０mass％）Ｃｕ合金、Ｓｎ−（０．３〜１．０mass％）Ｃｕ合金、Ｓｎ−（１．０〜５．０mass％）Ａｇ−（５〜８mass％）Ｉｎ合金、Ｓｎ−（１．０〜５．０mass％）Ａｇ−（４０〜５０mass％）Ｂｉ合金、Ｓｎ−（４０〜５０mass％）Ｂｉ合金、Ｓｎ−（１．０〜５．０mass％）Ａｇ−（４０〜５０mass％）Ｂｉ−（５〜８mass％）Ｉｎ合金などが使用される。Ｐｂは人体に有害であり、自然環境を汚染するおそれがあるので、汚染防止の観点からはＰｂフリーのＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ合金などのはんだ材が好ましい。また、前記各はんだ材において、溶融はんだの酸化防止のため、５０〜２００ｐｐｍ程度のＰ、数〜数十ｐｐｍのＧａ、数〜数十ｐｐｍのＧｄ、数〜数十ｐｐｍのＧｅの内から１種または２種以上を添加することができる。また、前記溶融はんだめっき層としては、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕなどの種々の純金属、あるいはこれらの合金を用いて多層構造としてもよい。この場合、溶融後に所期の合金成分となるように各層の厚さを調節する。多層構造は、所定の金属めっきを順次施すことによって簡単に形成することができる。

次に、上記実施形態に係る電極線材を接続用リード線として用いた太陽電池を図を参照して説明する。
図５は、溶融はんだめっき収容用凹部が形成された電極線材を用いて形成された接続用リード線１３を備えた太陽電池を示している。この太陽電池は、ＰＮ接合を有するシリコン半導体で形成された半導体基板１１と、前記半導体基板１１の表面に線状に設けられた複数の表面電極１２にはんだ付けされた接続用リード線１３を備えている。なお、前記半導体基板１１の裏面には、４０〜８０mm² 程度の大形表面の裏面電極が複数個設けられている。

前記接続用リード線１３がはんだ付けされる前の半導体基板１１には、複数の線状表面電極１２に導通するように、これらの表面電極１２に直交して配置されたはんだ帯が形成されている。前記溶融はんだめっき収容用凹部に形成された溶融はんだめっき層が、前記はんだ帯に当接するように接続用リード線１３を半導体基板１１に載置し、半導体基板１１のはんだ帯および接続用リード線１３の溶融はんだめっき層を共に溶融して前記接続用リード線１３を半導体基板１１の表面にはんだ付けする。これによって半導体基板１１に前記電極線材によって形成された接続用リード線１３が接合される。なお、裏面電極は比較的大きい露出領域（４０〜８０mm² 程度）を有するため、表面電極へのはんだ付けに比べて、隣接する太陽電池の裏面電極へのはんだ付けは容易である。

この太陽電池によれば、電極線材のはんだ付けの際、電極線材が熱応力によって塑性変形し、半導体基板に生じる熱応力を緩和するので、半導体基板にクラックが入り難く、しかも電極線材は体積抵抗率が低いため、導電性に優れ、発電効率を向上させることができる。さらに、電極線材には溶融はんだめっき収容用凹部が形成され、これに表面が平坦状とされた溶融はんだめっき層が形成されるので、はんだ付け性に優れ、接続用リード線１３が強固に半導体基板１１に接合される。このため接続用リード線が半導体基板から外れ難く、耐久性に優れる。

以下、本発明の電極線材について実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。なお、実施例（試料No.１，２）は参考例である。

アルミニウム（材質ＪＩＳ １Ｎ９０、Ａｌ：９９．９０mass％）あるいはインバー（Ｆｅ−３６．５mass％Ｎｉ）からなる中間層の両面に無酸素銅（Ｃｕ：９９．９７mass％、Ｏ：１５ppm ）からなる表面層を圧接、拡散焼鈍により積層形成した種々のクラッド材を製作した。各クラッド材（芯材素材）の全体厚さは１６０μm であり、各クラッド材の全体厚さに対する中間層の厚さの割合は表１に示すとおりである。各クラッド材をスリットし、幅２mmの帯板材を製作し、これを長さ１５０mmに切断して複数の芯材を製作した。各芯材に対して５００℃×１分の軟化焼鈍を施した。また、前記無酸素銅からなる圧延シートを用いて、前記と同様にして複数の芯材を製作し、その一部の芯材に軟化焼鈍を施した。さらに、タフピッチ銅（Ｃｕ：９９．９４mass％、Ｏ：３３ppm ）からなる潰し銅線（厚さ１６０μm で、幅ほぼ２mm）を用いて、前記長さに切断し、焼鈍を施すことなく芯材とした。
各芯材を用いて、ＪＩＳＺ２２４１に規定の方法により、長さ方向に引っ張る引張試験を行い、耐力を測定した。また、ＪＩＳＨ０５０５に規定の方法により、芯材の体積抵抗率を測定した。測定結果を表１に併せて示す。

さらに、各芯材の表面をアセトンで清浄にした後、溶融はんだめっき浴（はんだ組成：Ｓｎ−３．５mass％Ａｇ、融点：２２０℃、浴温：３００℃）に浸漬して、速やかに引き上げて芯材の表面に溶融はんだめっき層を形成した。このようにして製作された電極線材の試料の溶融はんだめっき層の厚さは片面で平均４０μm 程度であった。

このようにして得られた各電極線材を太陽電池用シリコン基板（厚さ２００μm ）のはんだ帯に当接させて、２６０℃で１分間保持してはんだ付けした。前記はんだ帯は、シリコン基板に形成された複数の表面電極を縦断するように基板の表面に付着形成されたものである。はんだ付け後、シリコン基板にクラックが発生したか否かを調べた。その結果を表１に併せて示す。

表１より、実施例にかかる電極線材（試料No. １，２，４）は、単層タイプ、クラッドタイプを問わず、耐力が４９ＭＰａ以下であるため、２００μm の薄形シリコン基板であってもクラックの発生は皆無であった。一方、試料No. ７から明らかなように、無酸素銅を用いた電極線材でも、軟化焼鈍を行わず、加工のままのものでは耐力が１４７ＭＰａと高くなり、シリコン基板にクラックが入った。一方、体積抵抗率については、実施例のものは、中間層をインバーで形成した従来例のクラッド電極線材（試料No. ５）よりも低く、優れた導電性を有することが確認された。

１，１Ａ，１Ｂ 電極線材
２，２Ａ 芯材
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 溶融はんだめっき層
４ 中間層
５Ａ，５Ｂ 銅層（第１表面層、第２表面層）
６，６Ａ 溶融はんだ収容用凹部

Claims (1)

1. 体積抵抗率が２．３μΩ・cm以下で、かつ耐力が１９．６ＭＰａ以上、４９ＭＰａ以下である芯材と、前記芯材の表面に積層形成された溶融はんだめっき層を備え、前記芯材を形成する金属材は無酸素銅である太陽電池用電極線材。

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