JP2006089815A - 太陽電池のインターコネクタ用材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】 太陽電池のインターコネクタ用材料において、強度と導電率を損なうことなく、軟化開始温度が高いものを提供する。
【解決手段】 本発明は、銅と、カルシウム又はストロンチウムと、を含み、残部が銀からなる太陽電池のインターコネクタ用材料である。この合金において、銅の含有量は、原子％で０．０８〜０．８とし、カルシウム添加の場合の含有量を原子％で０．０１５〜０．１５、ストロンチウム添加の場合の含有量を原子％で０．００５〜０．２とすることが好ましい。
【選択図】 なし
Description
本発明は、人工衛星に搭載される太陽電池のインターコネクタ用材料に関する。詳しくは、熱サイクルによる材料の軟化がなく、更に、機械的強度に優れ、導電率も高い材料に関する。
人工衛星に搭載される太陽電池のインターコネクタ用材料として、銀を主成分とした合金材料が従来から知られている。銀合金がかかる用途に使用される理由としては、銀は各種金属の中でも最も導電率の高い金属であることからであり、銀を主成分としつつ適宜に合金元素を添加することで、太陽電池インターコネクタという宇宙空間で使用される導電部材に適したものとするためである。
ここで、従来から知られている太陽電池のインターコネクタ用材料としては、特許文献１にＣａを１０〜１０００ｐｐｍ含有するＡｇ合金からなるものが、特許文献２にはＢｅ、及びＬａ、Ｎｄ、Ｐｒ等の希土類元素、Ｉｎのうちの１種又は２種以上を１０〜７５０ｐｐｍ含有し、残りがＡｇからなる合金が、更に、特許文献３に、Ｃａを１０〜１０００ｐｐｍ含有し、更にＩｎ、Ｂｅ、及び希土類元素のうちの１種又は２種以上を１０〜７５０ｐｐｍ含有し、残りがＡｇからなる材料が記載されている。
特公平７−８３１３２号公報
特許第２７２７７２９号公報
特許第２７２７７３０号公報
これらインターコネクタ用材料の銀合金における添加元素は、宇宙空間における熱サイクルによる材料特性の経時的変化に対応するものである。即ち、宇宙空間においては−２００℃から＋１３０℃までの間の温度間での熱サイクルを受けるが、純銀は再結晶温度が低いため、その加工履歴によっては当該温度範囲で再結晶を生じ軟化する。そこで、上記添加元素を添加することで、再結晶温度を上昇させ、熱サイクルによる特性変化を抑制するものである。
上記従来の銀合金からなるインターコネクタ用材料は、熱サイクルによる軟化の抑制においては一応の効果がある。しかしながら、本発明者等によれば、従来の銀合金材料を適用したインターコネクタを採用する太陽電池においては、使用に伴う破損のおそれがあることが把握されている。
本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、太陽電池のインターコネクタ用材料において、熱サイクルを受けた際の材料の軟化が抑制されていることに加え、使用に伴い生じ得る太陽電池の破損も招きにくいものを提供することを目的とする。この場合において、導電率の低下は極力ないものを追求した。
本発明者等は上記課題を解決すべく、使用に伴うインターコネクタ破損の要因について検討したところ、材料自体の強度不足にその要因があると考察した。インターコネクタは複数の太陽電池セルを接合しモジュール化するための部材であるが、この際に太陽電池セルの基板と接合される。そして、熱サイクルにより、インターコネクタと基板との両者の間に熱膨張差が生じ、これによる応力サイクルにインターコネクタが耐えきれず破断するために、太陽電池の破損が生じると考えた。従って、より好適なインターコネクタ用材料を得るためには、単に軟化し難い銀合金とすることに加え、導電率を低下させずに材料の強度そのものをより向上させることが必要であると考えた。
そこで、本発明者等は、導電率を低下させずに強度を向上させることのできる添加元素を見出すべく検討を行った結果、銅が効果的であることを見出した。そして、添加元素として銅を採用した銀合金において、熱サイクルによる軟化を抑制できる添加元素として、カルシウム及びストロンチウムが好適であることを見出し本発明に想到した。
即ち、本発明は、銅と、カルシウム又はストロンチウムと、を含み、残部が銀からなる太陽電池のインターコネクタ用材料である。
本発明において、銅は、上述のように、銀の強度を向上させることを目的とするものであるが、銅は銀の導電率の低下を極力押えることのできる添加元素である。この銅の含有量は、原子％で０．０８〜０．８％とすることが好ましい。０．０８％未満であると、合金の強度不足が生じ使用時における破断が生じるおそれがあるからであり、また、０．８％を超えると、導電率の低下が著しくインターコネクタとしての機能が不十分となるからである。そして、特に好ましい添加量は、０．１５〜０．３５原子％である。カルシウム又はストロンチウムを添加した際に、強度と導電率のバランスが特に良くなるからである。
第３の構成元素となるカルシウム、ストロンチウムは、共に合金の熱サイクルによる経時的な軟化を抑制する作用を有する。具体的には、軟化が開始する温度（軟化開始温度）を上昇させる作用を有する添加金属である。ここで、カルシウムを添加する場合、その含有量は、原子％で０．０１５〜０．１５％とするのが好ましい。０．０１５％未満であると、軟化開始温度の上昇の効果がみられず低温での軟化が生じることとなり、また、０．１５％を超えると、導電率の低下が著しくなるからである。そして、カルシウムのより好ましい濃度範囲は、０．０３〜０．０６％である。
一方、第３の構成元素としてストロンチウムを添加する場合、その含有量は、原子％で０．００５〜０．２％とするのが好ましい。０．００５％未満であると、軟化開始温度を上昇させることができず低温での軟化が生じることとなり、０．２％を超えると強度の低下が著しくなるからである。そして、ストロンチウムのより好ましい濃度範囲は、０．０１〜０．１％である。尚、ストロンチウムの濃度範囲が高めになるのは、ストロンチウムは導電率をほとんど低下させることのない添加元素である反面、軟化開始温度の上昇効果がカルシウムより低いことによる。また、カルシウムは軟化開始温度の上昇と共に強度を向上させる効果を有する添加元素である反面、ストロンチウムよりも導電率を低下させる作用が強いため、比較的低い添加濃度とするのが好ましい。
本発明に係るインターコネクタ用材料である銀合金は、通常の溶解鋳造法により製造可能であり、特に、上記した組成範囲においては溶解鋳造により固溶体合金を得ることができる。この際、材料の酸化を防止するために真空中での溶解が好ましい。そして、鋳造後は適宜の塑性加工法により、箔状、線状のインターコネクタ用材料とすることができる。
以上説明したように、本発明に係るインターコネクタ用材料は、従来の銀合金からなるものに対し、熱サイクルによる軟化が抑制されていることに加えて強度を向上させたものである。本発明によれば、太陽電池のインターコネクタについて、宇宙空間での熱サイクルによる軟化による破損に加え、応力サイクルによる破損をも抑制することができ、太陽電池の長期的な信頼性を確保することができる。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、真空溶解鋳造法により種々の組成の銀−銅−カルシウム合金及び銀−銅−ストロンチウム合金を製造した。溶解鋳造後のインゴットは、直径５．０ｍｍに押出した後、伸線加工により直径０．８ｍｍのワイヤーとした。
そして、製造された合金線について、機械的性質、導電率、軟化開始温度を測定した。機械的性質は、引張り試験により引張強さ、０．２％耐力、ヤング率、伸びを測定し、ビッカース試験により硬さを測定した。また、軟化開始温度は、加工後の材料に対し種々の温度で熱処理を施し、熱処理温度に対する硬さの変化を測定することにより求めた。表１はその結果を示す。尚、表１には、比較例としてカルシウムを添加元素とした銀合金、及び、純銀について同様の測定を行なった際の結果を併せて示した。また、純銀については強加工後、室温時効により５０時間程度で軟化するため焼鈍後の値もあわせて示した。
表１から、まず、強度と導電率との関連について検討する。インターコネクタ材料としての適用を考慮し、両特性の目標値を４５０ＭＰａ以上、９０％ＩＡＣＳとすると、本実施形態に係る銀−銅−カルシウム合金及び銀−銅−ストロンチウム合金はこれらの目標値をほぼクリアしている。但し、銀−銅−カルシウム合金に関しては、カルシウム濃度の増加により、導電率が低下する傾向がある。これに対し、比較例の銀−カルシウム合金は、カルシウムの添加により強度、軟化開始温度を上昇させるが、それに伴い導電率の低下が生じる。そのため、カルシウム濃度を抑制すると強度が目標値を大きく下回る。この合金では、強度、導電率の調整にカルシウム濃度の調整のみによるしかなく、結局、そのバランスをとることが困難である。
また、軟化開始温度については、上述したように、宇宙空間における熱サイクルの最高温度が１３０℃程度であることを考慮しマージンを加味すれば、軟化開始温度は１５０℃程度を目標値とすることができる。従って、本実施形態に係る銀−銅−カルシウム合金及び銀−銅−ストロンチウム合金はその目標値を十分クリアしている。比較例の銀−カルシウム合金は、軟化開始温度は目標値を完全にクリアできている。しかし、軟化開始温度を２００℃以上にする必要性は必ずしもなく、上記の強度及び導電率の問題を考慮すれば、軟化開始温度のみで評価することは好ましくない。尚、純銀については、導電率は当然に高いが、強度、特に焼鈍後の強度は低い。
Claims (4)
- 銅と、カルシウム又はストロンチウムと、を含み、残部が銀からなる太陽電池のインターコネクタ用材料。
- 銅の含有量は、原子％で０．０８〜０．８％である請求項１記載の太陽電池のインターコネクタ用材料。
- カルシウムの含有量は、原子％で０．０１５〜０．１５％である請求項１又は請求項２記載の太陽電池のインターコネクタ用材料。
- ストロンチウムの含有量は、原子％で０．００５〜０．２％である請求項１又は請求項２記載の太陽電池のインターコネクタ用材料。
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