JP2010141050A - 太陽電池用リード線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池を薄板化した場合でもリード線の接合時にシリコンセルの反りもしくは破損が生じにくく、かつ、屈曲疲労特性に優れる太陽電池用リード線を提供する。
【解決手段】平角状に形成された導体、あるいは前記導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆された太陽電池用リード線において、前記導体の引張り試験における０．２％耐力値が、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下であり、かつ前記導体の結晶粒径が６μｍ以上、２０μｍ以下である太陽電池用リード線１３である。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池用リード線およびその製造方法に係り、特に、太陽電池のシリコンセルとはんだ接続するのに好適な太陽電池用リード線およびその製造方法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５０においては、図３に示すように、通常、シリコン結晶ウェハ（シリコンセル）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５３は、平角導体の表面に、シリコン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５２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５４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５４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５０を構成する部材のうち、シリコン結晶ウェハ５１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５１の薄板化が検討されている。しかし、シリコン結晶ウェハ５１を薄板化すると、接続用リード線５３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（ａ）に示すように、はんだ接続前は、フラットであったシリコンセル５１及び接続用リード線５３が、図５（ｂ）に示すように、はんだ接続後にはんだめっき５５を介して接続したシリコンセル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、シリコンセル５１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セル５１の反りもしくは破損が生じにくい（０．２％耐力の低い）太陽電池用リード線への切り替えが検討されている（例えば、特許文献３参照）。

０．２％耐力の低い太陽電池用リード線を用いると、従来のリード線を用いた場合と比べて、リード線が塑性変形しやすく、はんだ接合時の熱応力を小さくできるので、シリコンセルと接続用リード線が反ったり、破損したりするおそれが低減する。

特開平１１−２１６６０号公報 特開２００２−２６３８８０号公報 特開２００６−５４３５５号公報

しかしながら、リード線の０．２％耐力を小さくする為に結晶粒を大きくし過ぎると、変形に伴う亀裂発生が起こりやすく、発生した亀裂の拡大と応力集中により、容易に疲労破壊が生じる問題があった。

すなわち、太陽電池モジュールとして製造した後でも、設置後にモジュールに機械的なストレスが繰り返し加わることで、シリコンセルの間ではんだめっき線がＬ字型に曲げられている部分、すなわちシリコンセル同士を接続する部分で、破断が生じることがあった。

従って、本発明の目的は、太陽電池を薄板化した場合でもリード線の接合時にシリコンセルの反りもしくは破損が生じにくく、かつ、屈曲疲労特性に優れる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可能な太陽電池用リード線の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、平角状に形成された導体、あるいは前記導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆された太陽電池用リード線において、前記導体の引張り試験における０．２％耐力値が、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下であり、かつ前記導体の結晶粒径が６μｍ以上、２０μｍ以下である太陽電池用リード線が提供される。

好ましくは前記導体の体積抵抗率を５０μΩ・ｍｍ以下とする。また、好ましくは、前記はんだめっきが、Ｓｎ系はんだ、または第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだとする。また、好ましくは、前記導体が、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種とする。また、好ましくは前記導体が、タフピッチＣｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、および高純度Ｃｕ（９９．９９９９％以上）からなる群から選ばれた１種とする。

また本発明は、導体を圧延またはスリット加工によって平角状断面に成形し、前記平角状断面に形成された導体に熱処理を施して、前記導体の引張り試験における０．２％耐力値を、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下とし、かつ前記導体の結晶粒径を６μｍ以上、２０μｍ以下とし、さらに前記導体の表面の一部又は全部にはんだめっきを被覆した太陽電池用リード線の製造方法が提供される。

好ましくは、前記導体を、その体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下とする。また、好ましくは前記熱処理の条件を、温度４５０〜１０００℃で、かつ時間５秒〜６０秒とする。また、好ましくは前記導体がＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種とする。

本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。

（１）太陽電池を薄板化した場合でも接続用リード線の接合時に太陽電池の反りもしくは破損が生じにくく、かつ屈曲疲労特性に優れる太陽電池用リード線とすることができる。

（２）導電率が良好な太陽電池用リード線とすることができる。

（３）熱処理の際に材料間に粘着が発生せず、かつ製造コストの上昇を抑えることができる太陽電池用リード線の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず本発明の太陽電池用リード線は、太陽電池用導体の表面の一部又は全部にはんだめっき膜が被覆されたものをいう。

図１、図２は、本発明の太陽電池用リード線１３を用いた太陽電池１０を示し、特に複数のシリコンセル１１を太陽電池用リード線１３で接続してモジュール化した太陽電池１０を示し、図１は平面図、図２は正面図を示したものである。

図１、図２において、シリコンセル１１を接続する太陽電池用リード線１３は、詳細断面は図示していないが、図４の従来例で説明したように平角導体からなる太陽電池用導体の表面の一部又は全部にはんだめっき膜を形成してなるものである。

この太陽電池用リード線１３は、はんだめっき（図示せず）を介してシリコンセル１１に接続される。この際、シリコンセル１１を直列に接続してモジュール化するために、一の太陽電池用リード線１３ａは、並設したシリコンセル１１、１１の幅と同じ長さになるように形成される。この太陽電池用リード線１３ａは、一方のシリコンセル１１の表面に接続され、途中がシリコンセル１１、１１間でＬ字上に折り曲げられて、他方のシリコンセル１１の裏面に接続される。また、他の太陽電池用リード線１３ｂは、シリコンセル１１の幅よりやや長く形成され、それぞれ一の太陽電池用リード線１３ａと対向する側の面に接続される。

本発明においては、太陽電池用リード線１３に用いる太陽電池用導体は、平角状に形成された導体からなり、引張り試験における０．２％耐力値が、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下であり、かつ導体の結晶粒径が６μｍ以上、２０μｍ以下としたものであり、導体の表面の一部又は全部にはんだめっきを被覆して形成される。

以下この太陽電池用導体とはんだめっき膜を説明する。

（太陽電池用導体）
太陽電池用導体（以下、導体という）は、太陽電池モジュール（シリコン結晶ウェハ）のシリコンセル面ヘのはんだ接続が容易となるように、軟質材の導体の外形形状が断面平角状とされている。

（導体の体積抵抗率）
上記導体は、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１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。

特にＣｕの種類としてはタフピッチＣｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、高純度Ｃｕ（純度９９．９９９９％以上）のいずれを用いることも可能である。導体の引張り試験における０．２％耐力を最も小さくするためには純度が高いＣｕが有利であり、すなわち高純度Ｃｕ（純度９９．９９９９％以上）を選択する。一方、不純物が入り０．２％耐力は大きくなるが低コスト化を図りたい時には、タフピッチＣｕもしくはリン脱酸Ｃｕを選択する。

（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、断面積が小さ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、導体の０．２％耐力を９０ＭＰａ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（シリコンセルを反らせる力）を低減することができる。ただし、０．２％耐力の低過ぎる導体は疲労特性に劣る為、導体の０．２％耐力は３０ＭＰａ以上であることが望ましい。

（導体の結晶粒径）
また、上記０．２％耐力は導体の結晶粒径との相関が大きいことが知られており、一方で粒界が少ないほど、すなわち結晶粒径が大きいほど変形抵抗は小さい。他方で粒径が大きくなりすぎると材料の疲労特性は低下し、脆い材料となる。従って、結晶粒径および導体の０．２％耐力は一定条件範囲に入っている必要がある。ここでの結晶粒径とは、導体の結晶粒径を平均化したものである。

導体の結晶粒径が２０μｍ以上であると、導体が脆くなるため耐クラック性が落ちる。そのため導体の結晶粒径が２０μｍ以上だと太陽電池モジュールへ組み込み設置した後、太陽電池用リード線、特にセル間の平角線をＬ字に折り曲げる部分で亀裂が発生したり、長期信頼性が不十分になるといった不具合の原因になる。また、結晶粒径が６μｍ以下だと、耐クラック性は問題ないが、導体の軟質性が失われるため、シリコンセルの反りが大きくなる。従って、導体の結晶粒径としては６〜２０μｍの範囲が好ましい。

（好適な導体の０．２％耐力値、および結晶粒径）
上述したことから、導体の０．２％耐力は、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下で、また、導体の結晶粒径としては６〜２０μｍの条件が好ましい。この範囲であれば、従来方式よりも大幅にシリコンセルの反りを低減出来、尚かつ結晶粒径粗大化による脆性を防止できるため、クラックや長期信頼性の低下を防止することができる。

（太陽電池用平角導体の製造方法）
導体の加工法としては圧延加工、スリット加工のいずれも適用可能である。丸線から圧延して平角化する方式は長尺で均一なものが製造できる。スリット方式では種々の幅の材料に対応できるメリットがある。

例えば、好適な太陽電池用平角導体は、導体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もしくは連続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もしくは連続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窒素などの不活性ガス雰囲気や水素還元雰囲気の炉を用いることもできる。

熱処理する場合、所望の結晶粒径を得るためには、時間と温度を規定する必要がある。

高温では比較的短時間で熱処理が完了する。低温では長時間を必要とするが、設備的には安価なものを用いることができる。

導体がＣｕの場合、温度が４５０〜１０００℃の時には加熱時間は５〜６０秒程度のときが最も適正であり、結晶粒径６〜２０μｍを得ることができる。

熱処理条件は上記の場合に限定されず温度と時間の組み合わせで、結晶粒径を制御できる。例えば、温度が２００〜４５０℃の時には加熱時間は１〜６０分程度のときが適正であり、結晶粒径６〜２０μｍを得ることができる。

なお、導体としてＣｕ以外のＡｇ、Ａｕ、Ａｌについても、Ｃｕの場合と同様に熱処理条件で結晶粒径を制御できる。

（太陽電池用リード線）
本発明の太陽電池用リード線は、導体の表面全体に、はんだめっき膜を施したものである。はんだめっきは、環境面から、好ましくは鉛フリー品とし、導体の表面の外周の一部又は全部について実施する。

また、はんだ組成については、これまで導体にＣｕを用いたものではシリコン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、本発明の導体を用いることで、シリコンセルの反りが小さいことから、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。

導体の被覆に用いるはんだは、Ｓｎ系はんだ、あるいは第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだであるが、第３成分として１０００ｐｐｍ以下の微量元素を含んでいるものを用いてもよい。

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）におけるシリコンセル面の所定の接点領域（例えば、Ａｇ電極領域）に接続することで、太陽電池アセンブリが得られる。

（太陽電池用リード線の効果）
以上説明したように、本発明の太陽電池用リード線は、太陽電池のシリコンセルとはんだ接続しても、従来方式よりもシリコンセルの反りが少なく、結晶粒粗大化による脆化を防止でき、かつ電気的特性にも優れる。

すなわち、導体の０．２％耐力値として３０ＭＰａ以上、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、シリコンセルに発生する熱応力を低減できる。このため、シリコンセルとはんだ接続後の熱収縮の際に、シリコンセルの反りを減少させることができる。

また、導体の結晶粒径が６〜２０μｍの範囲に入るものを用いて、結晶粒径の最大値を規制しているので、導体の脆化を防止することができ、結晶粒径の最小値を規制しているので結晶粒径の面からもシリコンセルの反りを防止することができる。

また、Ｃｕの結晶粒径が２０μｍ以上だと太陽電池パネルなどへ組み込む成型加工の際、平角線に亀裂が発生したり、長期信頼性が不十分になるといった不具合の原因になるが、本発明のＣｕの結晶粒径は６〜２０μｍであるため、太陽電池用はんだめっき線の好適な疲労特性を十分に得ることができ、成型加工、長期にわたる信頼性に優れる。

また、本発明の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、本発明の製造方法によれば、熱処理条件により、導体の０．２％耐力値を所定値以下となるようにし、かつ導体の結晶粒径が所定の範囲に入るようにしているので、コストがかからず簡易な方法で太陽電池用リード線を提供することができる。

（実施例１〜１４および比較例１〜４）
幅１．５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのＣｕ材料（ＯＦＣ:無酸素銅、ＴＰＣ:タフピッチ銅）を平角線状に圧延成形して導体とし、熱処理条件を１０１０℃／３０秒（比較例１）、１０００℃／６２秒（比較例２）、１０００℃／６０秒（実施例１）、・・・４５０℃／５秒（実施例１４）、および４５０℃／４秒（比較例３）、５００℃／３０秒（比較例４）と変えて熱処理した。

熱処理後導体の周囲を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を設け、はんだ被覆Ｃｕ平角線を形成し、そのときのＣｕの結晶粒径、Ｃｕ及びはんだ被覆Ｃｕの０．２％耐力を調べた。その結果を表２に示す。

ここでの結晶粒径とは、はんだめっき平角線の断面１２０μｍ四方における結晶粒の径を平均化したものである。具体的には、ＪＩＳ Ｈ０５０１に示される切断法に基づき、顕微鏡写真上で１２０μｍの長さの線分６本（縦線×３、横線×３）によって完全に切られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を求めている。

また、はんだ被覆品Ｃｕの０．２％耐力σは、はんだを除く導体の断面積Ａで、導体に０．２％の歪を与える引張試験における荷重（外力）Ｆを除算して求めている。式で示せば、次の通りである。

σ＝Ｆ／Ａ
熱処理条件を１０００℃／６０秒（実施例１）、・・・４５０℃／５秒（実施例１４）と変えて処理した場合、平角Ｃｕの結晶粒径は２０〜６μｍであった。また、平角Ｃｕの０．２％耐力は３０〜９０ＭＰａであり、すべて９０ＭＰａ以下であった。

これに対して、熱処理条件を１０１０℃／３０秒（比較例１）、１０００℃／６２秒（比較例２；導体はＴＰＣ）、４５０℃／４秒（比較例３）、５００℃／３０秒（比較例４；導体はＴＰＣ）と変えて処理した場合は、平角Ｃｕの結晶粒径はそれぞれ２１．８μｍ、２１．３μｍ、５．８μｍ、５．６μｍであった。また、Ｃｕの０．２％耐力はそれぞれ２８ＭＰａ、２９ＭＰａ、９１ＭＰａ、９２ＭＰａであった。

上述したはんだ被覆Ｃｕ平角線を縦１５５ｍｍ×横１５５ｍｍ、厚さ１８０μｍのシリコンセルにはんだ接続したものの耐クラックとシリコンセルの反りを調べた。耐クラックは１０枚のシリコンセルを平角線で接続したストリングスで小型モジュールを作製し、その小型モジュールの両端を固定し、中央部を水平の位置より上下に２ｃｍずつ機械的にたわませ、平角線が破断するまでのサイクル数(屈曲回数）で評価した。その結果を同じく表２に示した。

表２おいて、屈曲回数はｎ＝５の平均値を示す。また、シリコンセルの反りの欄における評価印の○、△、×は、それぞれ良（＜３ｍｍ）、やや良（３ｍｍ）、不良（＞３ｍｍ）を意味する。

実施例１４〜１において、結晶粒径の大径化に伴ってＣｕの０．２％耐力は減少する。Ｃｕの０．２％耐力が９０ＭＰａを示す結晶粒径が６．１μｍ（実施例１４）のとき、シリコンセルの反りは減少傾向にあるため、やや良（△）であったＣｕの０．２％耐力が８９ＭＰａを示す結晶粒径が６．２μｍ（実施例１３）のとき、シリコンセルの反りは減少させることができ、良（○）であった。Ｃｕの結晶粒径が２０μｍ（実施例１）になると、１９．８μｍ（実施例２）までは良であった耐クラック性がやや良に落ちた。

Ｃｕの結晶粒径が２１．３μｍ（比較例２）のときは耐クラック性は不良であった。また、Ｃｕの０．２％耐力が９１ＭＰａを示す結晶粒径が５．８μｍ（比較例３）のとき、シリコンセルの反りが大きく、不良であった。

以上より、導体の０．２％耐力は、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下で、また、導体の結晶粒径としては６〜２０μｍの範囲が好ましい。

本発明の太陽電池用リード線を用いてモジュールとした太陽電池の平面図である。 図１の正面図である。 一般的な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。 従来例の太陽電池用はんだめっき線を示す断面図である。 従来例のシリコン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。

符号の説明

１０ 太陽電池
１１ シリコンセル
１３ 太陽電池用リード線

Claims (10)

1. 平角状に形成された導体、あるいは前記導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆された太陽電池用リード線において、前記導体の引張り試験における０．２％耐力値が３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下であり、かつ前記導体の結晶粒径が、６μｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする太陽電池用リード線。
2. 前記導体の体積抵抗率が、５０μΩ・ｍｍ以下である請求項１に記載の太陽電池用リード線。
3. 前記はんだめっきが、Ｓｎ系はんだ、または第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｍａｓｓ％以上含むＳｎ系合金はんだである請求項１又は２に記載の太陽電池用リード線。
4. 前記導体が、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種である請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池用リード線。
5. 前記導体が、タフピッチＣｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、および高純度Ｃｕ（９９．９９９９％以上）からなる群から選ばれた１種である請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池用リード線。
6. 前記導体の酸素含有量が、２５ｐｐｍ〜４５０ｐｐｍである請求項５に記載の太陽電池用リード線。
7. 導体を圧延またはスリット加工によって平角状断面に成形し、
   前記平角状断面に形成された導体に熱処理を施して、前記導体の引張り試験における０．２％耐力値を、３０ＭＰａ以上、９０ＭＰａ以下とし、かつ前記導体の結晶粒径を６μｍ以上、２０μｍ以下とし、さらに前記導体の表面の一部又は全部にはんだめっきを被覆したことを特徴とする太陽電池用リード線の製造方法。
8. 前記導体の体積抵抗率が、５０μΩ・ｍｍ以下である請求項７に記載の太陽電池用リード線の製造方法。
9. 前記熱処理の条件が、温度４５０〜１０００℃で、かつ時間５秒〜６０秒である請求項７又は８に記載の太陽電池用リード線の製造方法。
10. 前記導体が、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種である請求項７〜９のいずれかに記載の太陽電池用リード線の製造方法。

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