JP2007273908A - 光電変換装置及び光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池1は、複数の光電変換セル3に分割されている。太陽電池1の対向する辺部にリード取付け部50,51が設けられ、当該リード取付け部50,51に帯状の半田ディップリード線5が取り付けられている。
半田ディップリード線5の取付けは、従来技術と同様に非鉛半田を使用した半田付けによるが、積層体53の表面52から半田ディップリード線5までの高さHが従来に比べて高い。高さHは、140μmを越えるものであり、推奨すべき高さHは170μm〜350μmである。半田20の高さが140μmを越えるものであれば半田ディップリード線5の取付け強度が向上する。
【選択図】図3
Description
また本発明の光電変換装置の製造方法は、非鉛半田を使用する光電変換装置の製造方法として好適である。
しかしながら、一個の太陽電池が発生させる電圧は極めて低いものであり、一つの太陽電池だけでは実用的な電圧に達しない。そこで太陽電池の薄膜に複数の溝を設けて多数の単体電池(セル)に分割し、この多数の太陽電池のセルを電気的に直列接続し、実用的な電圧にまで高める工夫がなされている。この様な太陽電池は集積型太陽電池あるいは集積型薄膜太陽電池と称されている。
図13は、従来技術の集積型太陽電池の製造工程における半田ディップリードの取付け工程を示す集積型太陽電池の断面図である。
即ち前記した様にガラス基板100に所定の膜101を成膜し、薄膜に複数の溝を設けてセルに分割し、セルを電気的に直列に接続した後、基板の対向する辺にリード取付け領域102を設ける(図13a)。
そして図13(b)の様にリード取付け領域102に、所定間隔を開けて列状に半田バンプ103を形成する。続いて図13(c)の様に半田バンプ103に半田被覆を施した半田ディップリード線105を乗せる。半田ディップリード線105は、基板と平行に載置される。
続いて図13(d)の様に高温のコテ106を半田バンプ103に近づけ、図13(e)の様にコテ106で半田バンプ103を一つずつ押圧する。
そこで鉛成分を含まない、或いは鉛成分の組成が小さい半田( 以下、非鉛半田という)
の開発が急がれている。例えば、特許文献1には、Ag3〜5重量%、Cu0.5〜3重量%、Sb0〜5重量%であり、残部がSnの組成からなる非鉛半田が開示されている。
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、リードの取付け強度が高い光電変換装置及び当該光電変換装置の製造方法を開発することを課題とするものである。
その結果、電極層に対する半田ディップリードの取付け強度は、半田の高さと相関性があり、半田の高さがある程度高いと半田ディップリードの取付け強度が高まることが判った。
図14(a)は、従来技術における太陽電池のリード取付け領域を概念的に図示した拡大断面図であり、同(b)は、半田ディップリードを基板に対して垂直方向に引っ張ろうとした場合の挙動を示す集積型太陽電池のリード取付け領域の断面図である。
また図15(a)は、半田の高さを従来に比べて高くした集積型太陽電池を概念的に図示した拡大断面図であり、(b)(c)は、半田ディップリードを基板に対して垂直方向に引っ張ろうとした場合の挙動を示す集積型太陽電池のリード取付け領域の断面図である。
なお図14、図15は、半田等の挙動を概念的に示すものであり、説明を簡単にするために成膜(透明電極膜、半導体膜、裏面電極膜等)を含めた基板を基板100と表示しており、以下の説明についても、成膜を含む基板を基板100と称する場合がある。
従来技術の集積型太陽電池では、半田ディップリード線105を引っ張ると、図14(b)の様に半田ディップリード線105の引き上げに追従する形で半田110が基板100側より剥離して半田ディップリード線105が離脱した。厳密には基板100に積層された膜101から半田ディップリード線105が離脱した。
そして半田110の高さHを高くして半田ディップリード線105を半田付けした場合の半田ディップリード線105の取付け強度は、従来のそれに比べて数段に高いものであった。
あるいは半田110の高さが低いと、半田110が急冷されて半田110が収縮し、半田ディップリード線105と半田110との接続端部や半田ディップリード線105と半田110との界面に残留応力が残り、両者の接合強度が低下するのではないかと推測される。
あるいは半田110の高さが高いと冷却速度が低下し、半田ディップリード線105と半田110との界面の残留応力が小さくなるのではないかと推測される。
図1は、本発明の実施形態の集積型太陽電池の斜視図である。図2は、図1のA−A部の拡大断面図である。図3は、図1のB−B部の拡大断面図である。
本実施形態の集積型太陽電池(以下、単に太陽電池と称する場合もある)1は、ガラス基板等の絶縁性透光性基板2に透明導電膜(第一電極層)6と光電変換膜7と、裏面導電膜(第二電極層)8を積層したものである。
また太陽電池1は、図1の様に複数の光電変換セル3に分割されている。そして太陽電池1を図1の様に平面的に観察した時、対向する辺部にリード取付け部50,51が設けられ、当該リード取付け部50,51に帯状の半田ディップリード線5が取り付けられている。
また図3に示すリード取付け部51では、透明導電膜(第一電極層)6に対して半田ディップリード線5が取り付けられている。
ここで半田ディップリード線5は、図2,3の円内に図示した様に銅等の芯線16に半田15が被覆されたものである。
即ち図2に示すリード取付け部50では、裏面導電膜(第二電極層)8に接する半田バンプ9が直列状かつ一定の間隔を開けて設けられており、当該半田バンプ9に半田ディップリード線5が取り付けられている。
ここで本実施形態で特記すべき事項は、積層体53の表面52から半田20内の半田ディップリード線5の表面までの高さHである。なお図2では、作図の関係状「H」及び矢印を半田20の外の位置(中空状に張られた半田ディップリード線5)に図示しているが、高さHは、半田20の高さであって、張られた半田ディップリード線5の位置ではない。
前記した様に半田ディップリード線5は、銅等の芯線16に半田層15が設けられたものであるが、半田ディップリード線5に被覆された半田層15の高さは、前記した高さHには含まない。
前記した高さHの上端側の基準は、図2の様に、半田ディップリード線5の被覆された半田層15の表面である。
また前記した高さHの上端側の基準は、積層体53の裏面導電膜8の表面である。
そしてこの高さHが従来に比べて高い。
前記した高さHは、半田ディップリード線5の半田ディップ面(被覆された表面)を基準としている。従って半田ディップリード線5の芯線16の位置は、高さHに被覆された半田15の厚さを加えたものとなる。半田ディップリード線5に設けられた半田層15の厚さは、後記する様に10μm〜80μm程度であり通常は、40〜60μmである。
高さHは、具体的には140μmを越える高さである。推奨すべき高さHは140μmを越え、350μm以下の高さである。
また最も推奨される範囲は、200μm〜300μmである。
図3に示すリード取付け部51においても、半田20内における積層体53の表面52からの高さHが従来に比べて高い。即ち図3に示すリード取付け部51においても裏面導電膜(第二電極層)8の表面から半田ディップリード線5の裏面に至る高さが従来に比べて高い。
高さHは、具体的には140μm以上であり、推奨すべき半田20の高さHは140μmを越えて350μm以下の高さである。また最も推奨される範囲は、200μm〜300μmである。
図4は、本発明の実施形態の集積型太陽電池の製造工程における半田ディップリード線の取付け工程を示す集積型太陽電池の断面図である。図5は、図4に示す集積型太陽電池の製造工程の中で加熱押圧工程をより詳細に説明した集積型太陽電池の断面図である。
本実施形態の太陽電池についても従来技術と同様に、ガラス基板等の絶縁性透光性基板2に透明導電膜6と光電変換膜7と、裏面導電膜8を積層した積層体53を成膜し、この薄膜に複数の溝を設けてセルに分割し、セルを電気的に直列に接続した後、基板2の対向する辺にリード取付け領域50,51を設ける(図4a)。
そして図4(b)の様にリード取付け領域に、所定間隔を開けて列状に半田バンプ9を構成する。続いて図4(c)の様に半田バンプ9に半田被覆を施した半田ディップリード線5を乗せる。半田ディップリード線5は、基板2と平行に載置される。
続いて図4(d)の様に高温のコテ55を半田バンプ9に近づけ、図4(e)の様にコテ55で半田バンプ9を一つずつ押圧する。より大型のこてを使用して複数の半田バンプ9を一度に押圧してもよい。
スペーサ56の厚さは、半田バンプ9の最終的な高さを決定するものであり、半田ディップリード線5の厚さを勘案した上で、積層体53の表面52から半田ディップリード線5までの半田20の高さHが200μmから300μmの範囲となる様に設定されている
即ちスペーサ56の厚さは、半田ディップリード線5の厚さにおよそ200μmから300μmを加えたものである。
また上記した実施形態では、スペーサ56を利用してコテ55の停止位置を規制したが、コテ55を動作させる機構側にストッパを設けたり、コテ55をロボットで動作させてコテ55の位置を停止させてもよい。
また何らかのセンサー等を使用し、半田20の高さHを測定しつつ、コテ55を動作させたり、センサーで基板2との近接距離を監視しつつコテ55を動作させる方法も考えられる。
なおコテ55の停止位置は、必ずしも半田ディップリード線5の高さの位置と一致するとは限らず、本発明者らの実験によると、加熱部材たるコテ55を積層体53の表面52から100μm以上離れた位置で停止させることが望ましく、より推奨される停止位置は、200μmから300μmの範囲である。
図6は、本発明の実施形態の集積型太陽電池1を説明するための説明図である。図6に示すように、太陽電池1は絶縁性透光性基板2の上に、電力に変換する光電変換セル3を設け、絶縁透光性基板2側から入射する光を、光電変換セル3によって光電変換するものである。なお光電変換セル3は複数設けられているが、光電変換セル3間の溝等は図示を省略している。
さらに、図6の線Aの断面方向の構造の一部を説明図7に示した。図7に示すように、太陽電池1は、透光性基板2上に、透明導電膜(第一電極層)6、光電変換膜7、及び裏面電極膜(第二電極層)8を順次積層した構造を備えている。
また太陽電池1は、発生した電力を取り出すため半田ディップリード線5と、透明導電膜6、光電変換膜7、及び/又は裏面電極膜8を接続するための半田バンプ9を有している。
絶縁透光性基板2としては、例えば、ガラス板や透明樹脂フィルムなどを用いることができる。ガラス板としては、大面積な板が安価に入手可能で透明性、絶縁性が高い、二酸化珪素(SiO2 )、酸化ナトリウム(Na2 O)及び酸化カルシウム(CaO)を主成分とする両面が平滑なフロート板ガラスを用いることができる。
透明導電膜6は、ITO膜、二酸化錫(SnO2 )膜、或いは酸化亜鉛(ZnO)膜のような透明導電性酸化物層等で構成することができる。透明導電膜6は、蒸着法、CVD法、或いはスパッタリング法等それ自体既知の気相堆積法を用いて形成することができる。
なお、裏面電極膜8と光電変換膜7との間には、例えば両者の間の接着性を向上させるために、ZnOのような非金属材料からなる透明電導性薄膜(図示せず)を設けることができる。
また上記半田として、例えば、Ag2.5〜7.7重量%、Cu0.0〜4.0重量%、Sn89重量%以上の組成からなる半田、Zn1.0〜11重量%、Sn89重量%以上の組成からなる半田を使用することが出来る。さらに好ましくは、Ag2.5〜4.0重量%、Cu0.0〜1.5重量%、Sn89重量%以上の組成からなる半田である。
上記銅箔の厚みは40μm〜120μmが好ましく、さらに好ましくは、60μm〜100μmである。上記銅箔表面にコートした半田の厚みは、10μm〜80μmが好ましく、さらに好ましくは、20μm〜60μmである。またこれらの半田は、鉛の含有量が0.1重量%未満のものが採用される。好ましくは0.05重量%未満のものが採用される。
半田バンプ9に使用する半田の素材については、前記した半田ディップリード線5に被覆された半田15と類似したものであることが望ましく、例えば特許第3664308号等に開示された無鉛半田の様な、SnとZnとSb及びAlからなる半田が使用可能である。半田バンプ9に使用する半田についても鉛の含有量が0.1重量%未満のものが採用される。好ましくは0.05重量%未満のものが採用される。
またAg、Al、Cu、Sb、In、Ge、P、Ni、Biから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含み、SnとZnの組成の合計が89重量%以上である半田を使用することもできる。上記半田として、例えば、Ag2.5〜7.7重量%、Cu0.0〜4.0重量%、Sn89重量%以上の組成からなる半田、Zn1.0〜11重量%、Sn89重量%以上の組成からなる半田を使用することが出来る。さらに好ましくは、Ag2.5〜4.0重量%、Cu1.5重量%以下、Sn89重量%以上の組成からなる半田である。
フラックスの添加は可能であるが、含まなくてもよい。
最初に、絶縁透光性基板2の一方の全面に透明導電膜6を製膜した後、例えばYAG基本波レーザ光を照射して透明導電膜6を短冊状に分割する第1の分離溝10を形成する。
次に、第1の分離溝10が形成された透明導電膜6にわたって、光電変換膜7としてアモルファスシリコン及び/又は多結晶シリコンを、プラズマCVD法等でp型、i型、n型の順に1回以上積層した後、例えばYAG第2高調波レーザ光を照射して光電変換膜7を短冊状に分割する接続溝11を形成する。
引き続き、接続溝11が形成された光電変換膜7にわたって裏面電極膜8として透明電導性薄膜及び金属膜を、この順にスパッタ法等で製膜した後、例えばYAG第2高調波レーザ光を絶縁透光性基板2側から照射して裏面電極膜8を短冊状に分割する第2の分離溝12を形成する。
さらに、電力取り出し用の半田ディップリード線5を太陽電池1に配する。例えば、図8の破線B、破線Cで示される光電変換セル3の両端位置に、YAG第2高調波レーザ光を絶縁透光性基板2側から照射して、光電変換膜7と裏面電極膜8を除去し、図9に示す形状のリードの接続溝13を作製する。この接続溝13に重なるように、図10に示すように光電変換セル3側から半田バンプ9を形成する。
この半田バンプ9の形状は、図11のように透明電極層6に固定され、接続溝13を充填し、光電変換セル3から突き出した形状となる。この形成した半田バンプ9に、半田ディップリード線5を加熱した半田ゴテ55を用いて取り付け、図7に示したように、太陽電池1に電力取り出し用の半田ディップリード線5を配した構造を作製できる。
超音波半田コテの温度が、半田バンプ9に使用する半田20の融点に近いと半田20の溶融速度が遅く、生産性が低下する場合がある。
また、超音波半田コテの温度が高すぎると半田20の酸化が進行し、品質が損なわれる場合がある。
リード線用半田コテの温度が、半田ディップリード線5に使用する半田20の融点に近いと半田20の溶融速度が遅く、生産性が低下する場合がある。また、リード線用半田コテの温度が高すぎると半田20の酸化が進行し、品質が損なわれる場合がある。
半田バンプ9に用いる半田20と半田ディップリード線5に用いる半田20のそれぞれ融点の差は、0°C〜100°Cの範囲であり、好ましくは、0°C〜50°C、さらに好ましくは、0°C〜20°Cである。半田ディップリード線5を半田バンプ9に取り付ける場合、半田バンプ9が必要以上に溶融状態に保持され、半田バンプ9と透明電極層6の接合部分の機械強度が低下することを抑制することができる。さらに、半田バンプ9に用いる半田20の融点が、半田ディップリード線5に用いる半田20より高いほうが好ましい。
そのため半田バンプ9はリード線用半田ゴテから熱を受けて溶融するものの、従来に比べて崩れ方が小さく、半田ディップリード線5の芯線部分と積層膜の表面52の表面との間に200μm〜300μm程度の高さを維持している。
屋外環境で使用される太陽電池1は、それを保護する目的で、保護フィルムを光電変換セル3側より封止する。保護フィルムは、加熱により軟化・溶融を経て硬化し得る封止樹脂を介して太陽電池1に強固に接着される。
また、内部配線剤に半田材料を用いる場合、無鉛半田を使用することが好ましい。
上述した実施の形態に従い、太陽電池1を作製した。
まず、980mm×950mmの面積と5mmの厚さを有するガラス基板2上に、透明導電膜6として、熱CVD法による厚さ約700nmの二酸化錫(SnO2 )膜を製膜した。この二酸化錫(SnO2 )膜側からYAG基本波レーザ光ビームを照射することにより、第1の分離溝10をパターニング加工形成した。
次に裏面電極膜8として、厚さ約80nmのZnO膜と厚さ約300nmのAg膜をこの順でスパッタ法で光電変換膜7上に製膜した。さらに、裏面電極膜8にガラス基板2側からYAG第二高調波レーザ光を照射して短冊上に分割し第2の分離溝12を形成した。
次に、半田バンプ9の半田20としてSn/Zn系セラミック用半田を使用した。
半田溶融付着部(コテ先)の径1mm、超音波半田コテの温度300°C、超音波出力3W、半田付け時間1sにて、接続溝13に半田バンプ9を20mm間隔で46点形成した。形成した半田バンプ9の直径は2.0〜2.7mmで、高さが0.2〜0.5mm(200μm〜500μm)であった。
次に、リード線用半田コテを用いて、半田ディップリード線5と半田バンプ9を溶融・接続した。またリード線にはSn/Ag/Cu系の半田をコーティングした。
半田ディップリード線5を構成する銅箔の厚みは80μm、幅2mmとした。リード用半田コテの温度は300°Cに設定した。リード用半田コテを半田ディップリード線5に押圧し、半田ディップリード線5と半田バンプ9を溶融・接続した。
その結果、半田ディップリード線5の部位における半田20の高さ(膜から露出している部分であって半田ディップリード線5の芯線の裏面までの高さ)Hは、表1の通りとなった。なお表中のHの値は、ランダムに抽出した20点の平均値である。
また引張り強度と半田の高さHとの関係は、図12のグラフの通りであった。
表1及びグラフから、積層表面から半田ディップリード線までの高さが140μmを越える場合、特に170μm以上の場合に半田ディップリード線の接続強度が高いことが理解できる。
なお表やグラフには示していないが、半田の高さが0μm乃至20μmの場合は、半田ディップリード線は半田との界面で離脱し、取付け強度が低いものであった。また半田の高さが80μmの場合、120μmの場合及び140μmの場合は、半田ディップリード線に追従する形で順に剥離が起こった。
表1に示すように、半田ディップリード線の90°引っ張り強度は、半田の高さが250μm以上の場合に顕著に上昇し、280μm前後でピークをむかえるものであった。
また半田の形状を観察すると、表1に記載した半田の高さHの中では、半田の高さが200μm以上の場合に、半田の形状が鼓状であり、中間部分が細く、両端部が中間部よりも大径となっていた。
2 絶縁性透光性基板
3 光電変換セル
5 半田ディップリード線
6 透明導電膜(第一電極層)
7 光電変換膜
8 裏面導電膜(第二電極層)
9 半田バンプ
20 半田
50,51 リード取付け部
52 積層膜の表面
55 コテ(加熱部材)
Claims (6)
- 基板上に少なくとも第一電極層と、光電変換層及び第二電極層を積層し、光を当てることによって前記第一電極層と第二電極層の間に電位差を生じさせる光電変換装置において、前記第一電極層と第二電極層の少なくともいずれかには半田ディップリードが半田付けされており、当該半田付け部分の半田は前記層の積層表面から半田ディップリードまでの高さが140μmを越えるものであることを特徴とする光電変換装置。
- 半田付け部分の半田は積層表面から半田ディップリードまでの高さが350μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- リード取付け領域を有し、半田ディップリードは、リード取付け領域にあって基板と略平行に配置され、半田ディップリードは前記第一電極層又は第二電極層に対して部分的に半田付けされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。
- 半田の材質は非鉛半田であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光電変換装置。
- 半田付け部分の半田の形状は、積層表面部との接合部と半田ディップリードとの接合部の面積が大きく、中間部が細いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の光電変換装置。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の光電変換装置を製造する方法において、半田バンプを設ける工程と、半田バンプに半田ディップリードを載置する工程と、半田バンプに加熱部材を押圧する加熱押圧工程とを備え、加熱押圧工程に際しては加熱部材を電極層から100μm以上離れた位置で停止させることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
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