JP2008168339A - 太陽電池用めっき線及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉセルとはんだ接続した後の熱収縮時においてもＳｉセルの反りが少なく、かつ高導電性を有する太陽電池用めっき線及びその製造方法を提供するものである。
【解決手段】本発明に係る太陽電池用めっき線２は、太陽電池セル１に接合すべく、断面平角状に形成された導体３の表面の一部又は全部にめっき層４が被覆されたものであり、導体３の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）が、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向しているものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、太陽電池のＳｉ結晶を接続する太陽電池用めっき線及びその製造方法に関するものである。

太陽電池には多結晶及び単結晶のＳｉウェハが用いられているが、図１に示すように、Ｓｉウェハ（太陽電池セル１）の所定の領域に接続用リード線２をはんだで接合し、これを通じて発電された電力を伝送する構成となっている。公知例には、図３に示すように、導体３にタフピッチＣｕや無酸素Ｃｕなどの純Ｃｕの平角導体を用い、めっき層４にＳｎ−Ｐｂ共晶はんだを適用したものがある（特許文献１等）。

また、近年環境への配慮からＰｂを含まないはんだを使用したものへの切り替えが検討されている（特許文献２等）。

太陽電池を構成する部材のうち材料コストの大半をＳｉ結晶ウェハが占める。そのため、Ｓｉ結晶ウェハの薄板化が検討されているが、薄板化した際に、図２（ａ）に示す接続用リード線２と太陽電池セル１の接合時の加熱プロセスや、太陽電池使用時の温度変化により、図２（ｂ）に示すように、太陽電池セル１が反ったり、破損したりするという不具合が生ずる。

これに対処するため、接続用リード線として熱膨張が小さい材料のニーズが高まっている。例えば、表１に示すように、低熱膨張材であるインバー（Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用い、図４に示すように、Ｃｕ５／インバー６／Ｃｕ５のクラッド材（ＣＩＣ）で導体３を形成し、そのＣＩＣの導体３をめっき層４（はんだめっき）で被覆した接続用リード線２を用いることで、Ｓｉとの熱膨張整合が可能になる。表１は、Ｃｕ／インバー／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ（インバー）、Ｓｉの材料特性を示したものである。

また、導電率の高い導体の０．２％耐力を低減することにより、Ｓｉとの熱膨張整合を可能とし、はんだ接続後の導体熱収縮によって発生する、セルを反らせる力を低減させた太陽電池用リード線がある（特許文献３）。

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

図４に示したＣＩＣを用いた接続用リード線は、インバー６の導電率が低い（体積抵抗率が高い）ことから、ＣＩＣ全体の導電率も低下してしまい、太陽電池としての発電効率が下落してしまうという問題があった。

また、特許文献３記載の太陽電池用リード線において、セルを反らせる力を低減させるためには、めっき層を備える太陽電池用リード線における導体の０．２％耐力を、ある基準値以下にする必要がある。しかしながら、導体の０．２％耐力をある基準値以下にするために一定の熱処理条件で製造しても、結晶方位は必ずしも一定にならず、製品の０．２％耐力にばらつきが生じることから、歩留り向上が困難であった。

さらに、よく知られている０．２％耐力を低減させる方法として、熱処理で結晶粒を大きくする手法があるが、この方法をとる際は、一般に、結晶粒が容易に粗大化しやすい無酸素Ｃｕ（酸素濃度≦１０ｐｐｍ）や、高純度Ｃｕ（９９．９９９９％）が太陽電池用リード線の導体材料として用いられるため、材料コストが高くなるという問題があった。

本発明の目的は、Ｓｉセルとはんだ接続した後の熱収縮時においてもＳｉセルの反りが少なく、かつ高導電性を有する太陽電池用めっき線を提供することにある。また、本発明の他の目的は、Ｓｉセルの反りを少なくするために要求される０．２％耐力のばらつきが小さく、かつ、低コスト化が可能な太陽電池用めっき線の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、太陽電池セルに接合すべく、断面平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にめっき層が被覆された太陽電池用めっき線において、上記導体の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）が、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向していることを特徴とする太陽電池用めっき線である。

請求項２の発明は、上記導体の体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下である請求項１記載の太陽電池用めっき線である。

請求項３の発明は、上記導体が、酸素含有量２０ｐｐｍ以上の純銅で構成される請求項１又は２記載の太陽電池用めっき線である。

請求項４の発明は、上記導体材料がタフピッチＣｕ、リン脱酸Ｃｕのいずれかである請求項１から３いずれか記載の太陽電池用めっき線である。

請求項５の発明は、上記導体の引張り試験における０．２％耐力が７０ＭＰａ以下である請求項１から４いずれか記載の太陽電池用めっき線である。

請求項６の発明は、上記めっき層が、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系合金はんだの被覆層である請求項１から５いずれか記載の太陽電池用めっき線である。

請求項７の発明は、上記めっき層が、Ｎｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔから選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料の被覆層である請求項１から５いずれか記載の太陽電池用めっき線である。

請求項８の発明は、太陽電池セルに接合すべく、断面平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にめっき層が被覆された太陽電池用めっき線の製造方法において、上記導体の材料で、先ず、荒引き線を作製し、その荒引き線に伸線加工を施し、その伸線された荒引き線に圧延加工あるいはスリット加工を施して断面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焼鈍熱処理を施し、上記導体の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）を、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向させることを特徴とする太陽電池用めっき線の製造方法である。

請求項９の発明は、上記伸線加工の工程の合間に、上記荒引き線に通電方式もしくはバッチ式の設備で熱処理を施す請求項８記載の太陽電池用めっき線の製造方法である。

本発明の太陽電池用めっき線によれば、Ｓｉセルとはんだ接続後の熱収縮時においてもＳｉセルの反りが少なく、かつ高い導電性が得られる。また、０．２％耐力のばらつきを抑制することができ、歩留り向上が可能である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。

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（太陽電池用めっき線、Ｓｉセル）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（太陽電池用めっき線）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。

導体の降伏応力が小さいと、小さい力で導体が塑性変形してしまい、それ以上の変形抵抗とならない。そのため、塑性変形の指標である０．２％耐力の小さい導体を用いた太陽電池用めっき線は、Ｓｉセルへはんだ接続した後のセル反り量を低減させる効果がある。

ところが、従来、導体の０．２％耐力を精度良く低減するために、導体の結晶構造を制御することに関して規定したものはなかった。これについて、本発明者らが鋭意研究した結果、導体の中心部の結晶方位の内、ある結晶方位を所定の割合で成長させることで、０．２％耐力の低減、及びそのばらつきの抑制を達成できることを見出した。

本発明の好適一実施の形態に係る太陽電池用めっき線は、図３に示した一般的な太陽電池用めっき線２と同様の構造を有しており、導体３の表面の全部にめっき層４を被覆したものである。本実施の形態に係る太陽電池用めっき線の導体３は、その中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）が、（２１１）方位と（１００）方位であり、（２１１）方位の配向割合が３０％以上であることに特徴がある。

太陽電池用めっき線２における導体３の０．２％耐力は７０ＭＰａ以下、特に４０〜７０ＭＰａが望ましく、また、太陽電池用めっき線２全体の０．２％耐力は９０ＭＰａ以下、特に６０〜９０ＭＰａが望ましい。導体３の断面形状は、図１に示したＳｉセル１への接続が容易となるよう平角型のものが望ましい。

導体３の構成材としては、体積抵抗率が比較的小さい材料が好ましく、例えば、表２に示すように、Ｃｕの他にＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどがあり、０．２％耐力も低減できる可能性がある。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。また、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。

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。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を選択する。一方、低コスト化を図りたい時には、不純物を含むため０．２％耐力はやや大きいものの、タフピッチＣｕもしくはリン脱酸Ｃｕを選択する。

めっき層４の被覆材として、例えば、はんだめっきや、銅線のめっき材として一般的に用いられる慣用のめっきが挙げられる。また、めっき層４の被覆は、導体３の一部、例えば、導体の上下面のみであってもよい。

はんだめっきのはんだとしては、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系合金はんだが挙げられ、これらのはんだは、第３成分として１０００ｐｐｍ以下の微量元素を含んでいてもよい。

また、慣用のめっきとしては、Ｎｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔから選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料が挙げられる。この慣用のめっきをめっき層４として用いる場合、例えば、導電性接着剤を用いてＳｉセル１との接合がなされる。

導体３の０．２％耐力を７０ＭＰａ以下、太陽電池用めっき線２全体の０．２％耐力を９０ＭＰａ以下としたのは、この範囲であれば、図４に示したＣｕ／インバー／Ｃｕのクラッド材（ＣＩＣ）を用いた従来の太陽電池用めっき線よりも、Ｓｉ反りを低減することが可能であり、大きな効果が得られるためである。

この太陽電池用めっき線２を、図１に示したＳｉセル１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。

次に、本実施の形態に係る太陽電池用めっき線２の製造方法の一例を説明する。

先ず、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下で、酸素含有量が２０ｐｐｍ以上の純銅を溶解する。この純銅としては、タフピッチ銅、リン脱酸Ｃｕ、無酸素Ｃｕ、高純度Ｃｕ（純度９９．９９９９％以上）が挙げられる。

この銅溶湯を用いて、銅の荒引き線を連続的に製造する。また、この荒引き線に、伸線加工を施す。この伸線加工の工程の合間に、荒引き線に通電方式もしくはバッチ式の設備で熱処理（再結晶処理）を施す。伸線加工と再結晶熱処理は、適宜、繰り返し行ってもよい。

伸線された荒引き線に、圧延加工（あるいはスリット加工）を施して断面平角状の導体３を作製する。その後、平角状の導体３に通電方式もしくはバッチ式の設備で熱処理（焼鈍処理）を施す。この加工と熱処理によって、導体３の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）が、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向され、かつ、導体３の０．２％耐力が７０ＭＰａ以下に調整される。

熱処理後、導体３の表面にめっき層４を被覆し、本実施の形態に係る太陽電池用めっき線２が得られる。めっき層４は、太陽電池用めっき線２の０．２％耐力が９０ＭＰａ以下となるように、めっき種類及びめっき厚さが調整される。

導体３の中心部における結晶方位（２１１）の配向割合は、例えば、再結晶熱処理の熱処理温度、熱処理時間や圧延加工の加工条件を調整することで、調整可能である。

導体３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。

また、本発明に係る太陽電池セル接続用配線導体およびはんだめっき線は、セルとの接続がなされた複数箇所に変形しやすい加工部を含んでいても良く、加工方法としてエッチング、プレス、曲げ成形のうちのいずれか、あるいは、複数を併用してもよい。さらに、その加工は素材線材、素材線材を圧延成形した圧延線材、板状素材にスリットをいれた箔状線材のいずれに施してもよい。

０．２％耐力を低減するための熱処理方式としては、通電加熱方式でもバッチ式加熱方式でも適用可能である。連続で長尺にわたって処理する場合には通電加熱方式が向いており、安定した熱処理が必要な場合にはバッチ式加熱方式が望ましい。また、導体３の酸化を防止する観点から、水素還元雰囲気の炉を用いて熱処理を行ってもよい。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る太陽電池用めっき線２によれば、導体３の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）が、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向されることで、導体３自体の０．２％耐力のばらつきが小さくなり、歩留まりが向上する。また、このように、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向させることで、導体３自体の０．２％耐力も低くなることから、セル反り抑制効果も得られる。すなわち、太陽電池用めっき線２は、導体３の結晶構造を精密に制御することにより、０．２％耐力の低減および特性のばらつきを抑制でき、それによって、はんだ接続後の導体熱収縮によって発生する、セルを反らせる力を低減させることができると共に、製品の歩留り向上が可能となる。

また、導体３の構成材に、低コストのタフピッチＣｕやリン脱酸Ｃｕを用いても、無酸素Ｃｕや高純度Ｃｕと同等の効果が得られるため、製品（太陽電池用めっき線２）の低コスト化が可能となる。さらに、導体３の構成材は純銅であるため、図４に示したＣＩＣを導体として用いた場合と比較して、導電率は良好である。

また、太陽電池用めっき線２におけるはんだめっきのはんだ組成は、これまで、Ｓｉセル１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、本構造の導体３を用いることで、接続温度の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の組成のはんだを用いることも可能である。また、はんだ接続の代わりに導電性接着剤を用いてもよい。

本発明の一実施例を以下に示す。

Ｃｕ導体（荒引き線）に伸線加工を施すと共に、その伸線加工の工程の合間に通電方式もしくはバッチ式の設備で荒引線に熱処理を行った。その後、伸線後の荒引き線に、さらに、幅２．０ｍｍ、厚さ０．１６ｍｍの平角線状に圧延成形加工を施し、所定の条件で焼鈍した後、その周囲をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ系の鉛フリーはんだで被覆し、表３に示すように、導体材料の中心部の結晶方位（リード線中心部の軸方位）が異なる種々のはんだめっき被覆平角線を製作した（試料１〜１４）。

結晶方位は、各はんだめっき被覆平角線断面の中心部におけるＸ線回折プロファイルの回折ピーク強度比から求めた。また、０．２％耐力は、引張速度２０ｍｍ／ｍｉｎの引張試験で得られたＳ−Ｓ曲線から０．２％耐力点荷重を求め、導体の断面積で除して算出した。

表３に示すように、結晶方位を制御して作製したはんだめっき被覆平角線（試料１〜１２）の０．２％耐力は、最大値と最小値の差（ばらつき）が小さく１０ＭＰａ以下だったが、結晶方位を制御しない従来の製法で作製したはんだめっき被覆平角線（試料１３，１４）の０．２％耐力は、ばらつきが大きく２０ＭＰａ以上であった。

また、導体中心部の結晶方位（リード線中心部の軸方位）が、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向しているはんだめっき被覆平角線（試料１〜９）は、導体の０．２％耐力が低く、７０ＭＰａ以下であるのに対して、それ以外のはんだめっき被覆平角線（試料１０〜１３）は０．２％耐力が大きい。

さらに、０．２％耐力が６０、７０、１００、１５０ＭＰａの各はんだ被覆平角線を、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ、厚み２００μｍのＳｉセルにはんだ接続した際の、セルの反りを調べた。セル反りの評価結果を表４に示す。

表４に示すように、０．２％耐力の低下とともにセルの反り量も低減しており、はんだめっき被覆Ｃｕ平角線で０．２％耐力が７０ＭＰａのものは、タフピッチＣｕを導体として用いた従来のはんだめっき被覆Ｃｕ平角線（試料１３、０．２％耐力は１６０ＭＰａ）と比べて、セルの反り量を１／２程度に低減できた。

比較として、Ｃｕ／インバー／Ｃｕ（比率２：１：２）を導体として用いたはんだめっき被覆Ｃｕ平角線（０．２％耐力は１００ＭＰａ）と、０．２％耐力が６０ＭＰａのはんだめっき被覆Ｃｕ平角線を、それぞれＳｉセルとはんだ接続した際のセルの反りを調べた。前者の反り量は３．０ｍｍ程度であったが、後者の反り量は１．５ｍｍ程度であり、セルの反りが半分になることを確認できた。

反り量がこの範囲（３．０ｍｍ程度）以下のものであれば、太陽電池接続用リード線として使用可能である。

太陽電池セルへのはんだめっき平角線の接続状態を示す図である。 Ｓｉセルと太陽電池用はんだめっき線の接続状態を示す図であり、図２（ａ）ははんだ接続前の状態、図２（ｂ）ははんだ接続後に反りが発生した状態を示している。 一般的な太陽電池用めっき線の横断面図である。 ＣＩＣを用いた太陽電池用めっき線の横断面図である。

符号の説明

１ 太陽電池セル（Ｓｉセル）
２ 太陽電池用めっき線（はんだめっき平角線）
３ 導体
４ めっき層
５ Ｃｕ
６ インバー

Claims (9)

1. 太陽電池セルに接合すべく、断面平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にめっき層が被覆された太陽電池用めっき線において、上記導体の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）が、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向していることを特徴とする太陽電池用めっき線。
2. 上記導体の体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下である請求項１記載の太陽電池用めっき線。
3. 上記導体が、酸素含有量２０ｐｐｍ以上の純銅で構成される請求項１又は２記載の太陽電池用めっき線。
4. 上記導体材料がタフピッチＣｕ、リン脱酸Ｃｕのいずれかである請求項１から３いずれか記載の太陽電池用めっき線。
5. 上記導体の引張り試験における０．２％耐力が７０ＭＰａ以下である請求項１から４いずれか記載の太陽電池用めっき線。
6. 上記めっき層が、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系合金はんだの被覆層である請求項１から５いずれか記載の太陽電池用めっき線。
7. 上記めっき層が、Ｎｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔから選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料の被覆層である請求項１から５いずれか記載の太陽電池用めっき線。
8. 太陽電池セルに接合すべく、断面平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にめっき層が被覆された太陽電池用めっき線の製造方法において、上記導体の材料で、先ず、荒引き線を作製し、その荒引き線に伸線加工を施し、その伸線された荒引き線に圧延加工あるいはスリット加工を施して断面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焼鈍熱処理を施し、上記導体の中心部の結晶方位（めっき線の軸方位）を、（２１１）方位に３０％以上の割合で配向させることを特徴とする太陽電池用めっき線の製造方法。
9. 上記伸線加工の工程の合間に、上記荒引き線に通電方式もしくはバッチ式の設備で熱処理を施す請求項８記載の太陽電池用めっき線の製造方法。

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