JP2012146730A - 太陽電池用リード線及びそれを用いた太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池を薄板化した場合でも太陽電池用リード線の接合時に太陽電池セル（例えば、シリコンセル）の反り若しくは破損が生じにくく、且つ、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】導体の表面の一部又は全部にめっきが被覆された太陽電池用リード線において、導体の結晶粒径を６μｍ以上２０μｍ以下にすると共に導体の引張試験における０．２％耐力を９０ＭＰａ以下にし、且つ、導体の表面の酸化膜の厚さを２ｎｍ以下にしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池用リード線（太陽電池用電極線）及びそれを用いた太陽電池に係り、特に、太陽電池のシリコンセル（シリコン結晶ウェハ）とはんだ接続するのに好適な太陽電池用リード線及びそれを用いた太陽電池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においては、図３に示すように、通常、シリコンセル５１の所定の領域に太陽電池用リード線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。

この太陽電池用リード線５３は、平角導体の表面に、シリコンセル５１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６１としてタフピッチＣｕや無酸素Ｃｕなどの純Ｃｕを用い、その外側に形成されたはんだめっき膜６３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６３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、太陽電池を構成する部材のうち、シリコンセル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セル５１の薄板化が検討されている。しかし、シリコンセル５１を薄板化すると、太陽電池用リード線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に示すように、はんだ接続前（ａ）はフラットであったシリコンセル５１及び太陽電池用リード線５３が、はんだ接続後（ｂ）にはんだめっき５５を介して接続したシリコンセル５１と太陽電池用リード線５３が反ったり、破損したりする虞があった。このため、これに対処すべく、太陽電池用リード線５３として、シリコンセル５１を薄板化した場合でも太陽電池用リード線５３の接合時にシリコンセル５１の反り若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、従来の太陽電池用リード線を用いた場合と比べて、太陽電池用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、シリコンセルと太陽電池用リード線が反ったり、破損したりする虞が低減する。

特開平１１−２１６６０号公報 特開２００２−２６３８８０号公報 特開２００６−５４３５５号公報 特開２００８−１４０７８７号公報

しかしながら、太陽電池用リード線の０．２％耐力を小さくするために導体の結晶粒径を大きくしす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（例えば、特許文献４参照）。

即ち、太陽電池（太陽電池モジュール）として製造した後でも、その設置後に太陽電池に機械的なストレスが繰り返し加わることで、図６（ａ），（ｂ）に示すように、隣接する複数の太陽電池セル６０，６１の一方の太陽電池セル６０の表面側電極と他方の太陽電池セル６１の裏面側電極を接合するべく、隣接する太陽電池セル６０，６１間において太陽電池用リード線５３が引き回されている部分（略Ｌ字型に曲げられている部分）Ａ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太陽電池用リード線の接合時に太陽電池セル（例えば、シリコンセル）の反り若しくは破損が生じにくく、且つ、屈曲疲労特性に優れる太陽電池用リード線及びそれを用いた太陽電池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及びそれを用いた太陽電池を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、導体の表面の一部又は全部にめっきが被覆された太陽電池用リード線において、前記導体の結晶粒径を６μｍ以上２０μｍ以下にすると共に前記導体の引張試験における０．２％耐力を９０ＭＰａ以下にし、且つ、前記導体の表面の酸化膜の厚さを２ｎｍ以下にした太陽電池用リード線である。

隣接する複数の太陽電池セルの一方の太陽電池セルの表面側電極と他方の太陽電池セルの裏面側電極とを接合するために使用されると良い。

前記導体の露出箇所が、めっきを被覆した箇所４００ｃｍ²あたり３０箇所以下であると良い。

また、本発明は、隣接する複数の太陽電池セルの一方の太陽電池セルの表面側電極と他方の太陽電池セルの裏面側電極とを接合するために、導体の表面の一部又は全部にめっきが被覆された太陽電池用リード線を備えた太陽電池であって、前記太陽電池用リード線は、前記導体の結晶粒径が６μｍ以上２０μｍ以下にされると共に前記導体の引張試験における０．２％耐力を９０ＭＰａ以下にされ、且つ、前記導体の表面の酸化膜の厚さが２ｎｍ以下にされた太陽電池である。

前記導体の露出箇所が、めっきを被覆した箇所４００ｃｍ²あたり３０箇所以下であると良い。

本発明によれば、太陽電池を薄板化した場合でも太陽電池用リード線の接合時に太陽電池セルの反り若しくは破損が生じにくく、且つ、屈曲疲労特性に優れる太陽電池用リード線及びそれを用いた太陽電池を提供することができる。

また、本発明によれば、導電率が良好な太陽電池用リード線及びそれを用いた太陽電池を提供することができる。

本発明の一実施の形態における熱処理条件及び結晶粒径と、０．２％耐力、耐クラック、及びセルの反りの関係を示す図である。 本発明の一実施の形態における各種導体材料の線膨張係数、ヤング率、体積抵抗率を示す図である。 一般的な太陽電池セルへの太陽電池用リード線の接続状態を示す斜視図である。 従来の太陽電池用リード線を示す断面図である。 従来の太陽電池セルと太陽電池用リード線とをはんだ接続する際に発生する反りを説明する図である。 太陽電池用リード線を用いた隣接する太陽電池セル間のはんだ接続を説明する図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面にしたがって説明する。ここでは、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めっきが被覆されたものを言う。

（太陽電池用導体）
一実施の形態の太陽電池用導体（以下、導体と言う）は、太陽電池セル（シリコン結晶ウェハ）のシリコンセル面へ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）
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、図２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、即ち高純度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ときには、タフピッチＣｕ若しくはリン脱酸Ｃｕを選択する。

（導体の０．２％耐力）
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、前述の熱膨張率、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、低強度及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試験における０．２％耐力を用い、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。但し、０．２％耐力の低すぎる導体は疲労特性に劣るため、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、前述の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、即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、結晶粒径及び導体の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、実施例の欄において後述するが、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超であると、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超だと太陽電池へ組み込み設置した後、太陽電池用リード線、特に太陽電池セル間の平角線を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未満だと、耐クラック性は問題はないが、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以上２０μｍ以下の範囲が好ましい。

（導体の表面酸化膜厚）
更に、導体の表面の酸化膜が厚くなると、導体に対するはんだの濡れ性が低下して導体露出箇所が生じ、導体露出箇所が多く発生することでこれを起点とする疲労破壊が発生するため、導体の表面の酸化膜厚を薄くする必要がある。ここで導体露出箇所とは、はんだめっき被膜が全くなされずに導体材料であるＣｕなどが露出している部分のみならず、他の部材に比べて１０μｍ以上窪んでいる部分を含む。

導体の表面の酸化膜厚を２ｎｍ以下とすることで、導体露出箇所をはんだめっき被覆箇所の４００ｃｍ²あたり３０箇所以下とすることができ、導体露出箇所を起点とする疲労破壊を抑制することができる。従って、導体の表面の酸化膜厚は２ｎｍ以下とすることが望ましい。

また、導体の表面の酸化膜厚の下限値は、これに限定する趣旨ではないが、現状の製造技術を考慮すると、０．１ｎｍまでは制御できることから、導体の表面の酸化膜厚は０．１ｎｍ以上であり、従って、導体の表面の酸化膜厚としては、０．１ｎｍ以上２ｎｍ以下の範囲が好ましい。

（好適な導体の０．２％耐力、結晶粒径、及び表面の酸化膜厚）
前述したことから、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６μｍ以上２０μｍ以下の条件が好ましい。更に、導体の表面の酸化膜厚は２ｎｍ以下であることが望ましい。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でき、尚かつ結晶粒径粗大化による脆性及び導体露出箇所を起点とする疲労破壊を防止できるため、クラックや長期信頼性の低下を防止することができる。

（導体（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、好適な平角導体は、導体をダイス伸線若しくはロール圧延、或いはそれらの複合工程により平角状に成形した後、通電方式若しくはバッチ式の設備若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若しくは連続式加熱方式が望ましい。或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℃のときには加熱時間は５〜６０秒程度のときが最も適正であり、結晶粒径６μｍ以上２０μｍ以下を得ることができる。

熱処理条件は前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℃のときには加熱時間は１〜３０分程度のときが適正であり、結晶粒径６μｍ以上２０μｍ以下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。

はんだめっき前の導体の表面の酸化膜厚を２ｎｍ以下とする具体的な方法としては、圧延前においては、圧延前の導体を２５℃且つ湿度５０ＲＨ％以下で保管することで、導体の表面の酸化膜厚を２ｎｍ以下に保つ方法がある。その上で、圧延後の工程においては、圧延やバッチ焼鈍後の導体を湿度５０ＲＨ％以下で保管する方法や、前述の通り不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス、アルゴンガス雰囲気）や水素還元雰囲気の炉で焼鈍する方法、めっき前処理液のｐＨを２．５以下とする方法などを適用することが考えられる。

もっとも、これらの方法に限定されるものではなく、圧延前において、導体の表面の段剥き工程を設けることで導体の新生面の上にめっきする方法でもよい。

（太陽電池用リード線）
本発明の一実施の形態における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、本実施形態の導体を用いることで、シリコンセルの反りを小さくできることから、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、或いは第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０．１ｍａｓｓ％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、太陽電池セル（シリコン結晶ウェハ）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（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、本実施の形態の太陽電池用リード線は、太陽電池セルとはんだ接続しても、従来方式よりも太陽電池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、且つ電気的特性にも優れる。

即ち、導体の０．２％耐力として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、太陽電池セルに発生する熱応力を低減できる。このため、太陽電池セルとはんだ接続後の熱収縮の際に、太陽電池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６μｍ以上２０μｍ以下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太陽電池セルの反りを防止することができる。

また、Ｃｕの結晶粒径２０μｍ超の場合や導体の表面の酸化膜厚が２ｎｍを超える場合は、導体そのものの亀裂やめっき表面の導体露出箇所を起点とした疲労破壊が生じやすいため、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、本実施形態のＣｕの結晶粒径は６μｍ以上２０μｍ以下で、導体の表面の酸化膜厚が２ｎｍ以下であるため、太陽電池用リード線の好適な疲労特性を十分に得ることができ、成型加工、長期に亘る信頼性に優れる。

また、本実施形態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、本実施形態の製造方法によれば、熱処理条件により、導体の０．２％耐力を所定値以下となるようにし、且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。

（実施例及び比較例）
幅２．０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍであり、表面の酸化膜厚が２ｎｍ以下のＣｕ材料（ＯＦＣ：無酸素Ｃｕ、ＴＰＣ：タフピッチＣｕ）を平角線状に圧延成形して導体とし、これを２５℃、湿度５０ＲＨ％以下の低温保管した後（２日）、熱処理条件を１０１０℃／３０秒、１０００℃／６２秒、１０００℃／６０秒、・・・４５０℃／５秒、及び４５０℃／４秒、５００℃／３０秒と変えて不活性雰囲気（窒素ガス）にて熱処理した。熱処理後の導体をめっき前処理槽（ｐＨ２．５）に浸漬した後に、その導体の周囲をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ系の鉛フリーはんだで溶融はんだめっき槽に浸漬すること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。その結果を図１に示す。

ここでの結晶粒径とは、はんだめっき平角線の縦断面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 Ｈ ０５０１に示される切断方法に基づき、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Ｓで、導体に０．２％の歪み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／Ｓ

熱処理の条件を１０００℃／６０秒、・・・４５０℃／５秒と変えて処理した場合、平角Ｃｕの結晶粒径は６μｍ以上２０μｍ以下であった。また、平角Ｃｕの０．２％耐力は３０ＭＰａ以上９０ＭＰａ以下であり、全て９０ＭＰａ以下であった。熱処理条件を１０１０℃／３０秒、１０００℃／６２秒、４５０℃／４秒、５００℃／３０秒（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。

前述したはんだ被覆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ずつ機械的に撓ませ、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。その結果を同じく図１に示す。同図において、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。更に、めっき外観の欄では、はんだめっきの導体に対する濡れが不十分で、導体露出箇所がはんだめっき被覆箇所の４００ｃｍ²あたり３０箇所超の試料を×、３０箇所以下の試料を○とした。導体露出箇所は平角めっき線の両面（側面は除く）を顕微鏡で観察して個数をカウントした。導体の表面の酸化膜厚の欄では、導体（Ｃｕ）の酸化膜厚をＳＥＲＡ（連続電気化学還元法）で測定し、分析条件は電流密度３０ｍＡ／ｃｍ²、分析径１．６ｍｍφとし、Ｃｕ₂Ｏの還元電位−０．３０〜−０．５９Ｖ、ＣｕＯの還元電位−０．５９〜−０．８０Ｖとして両者の膜厚の和を導体の酸化膜厚として求めた。接合力の欄における評価印の○、×はそれぞれ良（＞１０Ｎ）、不良（＜１０Ｎ）を意味する。

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を示す結晶粒径は６．２μｍのとき、シリコンセルの反りを減少させることができ、良であった。Ｃｕの結晶粒径が２０μｍになると、１９．８μｍまでは良であった耐クラック性がやや落ちた。

Ｃｕの結晶粒径が２１．３μｍのときは耐クラック性は劣っていた。また、Ｃｕの０．２％耐力が９１ＭＰａを示す結晶粒径が５．８μｍのとき、シリコンセルの反りが大きく、不良であった。更に、Ｃｕの結晶粒径は２０μｍであっても、導体の表面の酸化膜厚が２．０ｎｍよりも大きく導体露出箇所が３０を超える場合は、めっき外観が不良で耐クラック性は劣っていた。

Claims (5)

1. 導体の表面の一部又は全部にめっきが被覆された太陽電池用リード線において、前記導体の結晶粒径を６μｍ以上２０μｍ以下にすると共に前記導体の引張試験における０．２％耐力を９０ＭＰａ以下にし、且つ、前記導体の表面の酸化膜の厚さを２ｎｍ以下にしたことを特徴とする太陽電池用リード線。
2. 隣接する複数の太陽電池セルの一方の太陽電池セルの表面側電極と他方の太陽電池セルの裏面側電極とを接合するために使用される請求項１に記載の太陽電池用リード線。
3. 前記導体の露出箇所が、めっきを被覆した箇所４００ｃｍ²あたり３０箇所以下である請求項１又は２に記載の太陽電池用リード線。
4. 隣接する複数の太陽電池セルの一方の太陽電池セルの表面側電極と他方の太陽電池セルの裏面側電極とを接合するために、導体の表面の一部又は全部にめっきが被覆された太陽電池用リード線を備えた太陽電池であって、
   前記太陽電池用リード線は、前記導体の結晶粒径が６μｍ以上２０μｍ以下にされると共に前記導体の引張試験における０．２％耐力を９０ＭＰａ以下にされ、且つ、前記導体の表面の酸化膜の厚さが２ｎｍ以下にされたことを特徴とする太陽電池。
5. 前記導体の露出箇所が、めっきを被覆した箇所４００ｃｍ²あたり３０箇所以下である請求項４に記載の太陽電池。