JP2013219118A - Solar battery and manufacturing method of the same - Google Patents
Solar battery and manufacturing method of the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013219118A JP2013219118A JP2012086853A JP2012086853A JP2013219118A JP 2013219118 A JP2013219118 A JP 2013219118A JP 2012086853 A JP2012086853 A JP 2012086853A JP 2012086853 A JP2012086853 A JP 2012086853A JP 2013219118 A JP2013219118 A JP 2013219118A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solar cell
- lead
- solar battery
- free solder
- conductive member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/546—Polycrystalline silicon PV cells
Abstract
Description
本発明は、太陽電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
一般的な電子回路においては、鉛フリー半田は、ボール状に形成しやすく、溶融性、ぬれ性の良好なものを用いる必要がある。このため、構成する合金の質量パーセント濃度が調整されており、このようにして調整された鉛フリー半田を接続材料に用い、母材と相手材との接続がなされている(例えば特許文献1)。 In a general electronic circuit, it is necessary to use a lead-free solder that is easy to form in a ball shape and has good meltability and wettability. For this reason, the mass percent concentration of the alloy which comprises is adjusted, the lead-free solder adjusted in this way is used for a connection material, and the base material and the other party material are connected (for example, patent document 1). .
上記従来の鉛フリー半田は、無鉛であるため環境にやさしいが、シリコンなどのぜい性材料を用いた太陽電池セルを母材とした場合には、従来の鉛半田より融点が高いため、母材と集電電極などの相手材との線膨張差に起因して生じる熱応力が大きく、母材が割れやすいという問題があった。 The conventional lead-free solder is environmentally friendly because it is lead-free. However, when a solar cell using a brittle material such as silicon is used as the base material, the melting point is higher than that of the conventional lead solder. There was a problem that the thermal stress generated due to the difference in linear expansion between the material and the other material such as the current collecting electrode was large, and the base material was easily cracked.
また、例えばCVD法によりアモルファスシリコン層などがシリコン基板上に形成されたヘテロ構造の太陽電池セルは、発電効率が高いことで知られるが、200℃以上の高温においては、半導体特性の劣化が生じるため、Sn3Ag0.5Cuに代表される従来の鉛フリー半田を用いることができなかった。 Further, for example, a heterostructure solar cell in which an amorphous silicon layer or the like is formed on a silicon substrate by CVD, for example, is known to have high power generation efficiency, but the semiconductor characteristics deteriorate at a high temperature of 200 ° C. or higher. Therefore, conventional lead-free solder typified by Sn 3 Ag 0.5 Cu cannot be used.
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、シリコンなどのぜい性材料を用いた太陽電池セルの表面に配線材料などの導電材料として鉛フリー半田を形成した太陽電池であって、熱応力による破壊不良が生じ難く、かつ、半導体特性が劣化し難い太陽電池を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and is a solar battery in which lead-free solder is formed as a conductive material such as a wiring material on the surface of a solar battery cell using a brittle material such as silicon. It is an object of the present invention to obtain a solar cell in which breakdown failure due to is difficult to occur and the semiconductor characteristics are hardly deteriorated.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明による太陽電池は、半導体薄膜を用いた薄膜型の太陽電池セルと、前記太陽電池セルの表面に、Sn-Bi-Ag系の鉛フリー半田を用いて接合された導電部材とを具備している。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a solar cell according to the present invention includes a thin-film solar cell using a semiconductor thin film, and a Sn-Bi-Ag lead on the surface of the solar cell. And a conductive member joined using free solder.
本発明によれば、Sn-Bi-Ag系の鉛フリー半田を用いて、太陽電池セルの表面と、相手材である導電部材とを接合することにより、鉛フリー半田が融点から常温へ温度変化する際に生じる熱応力を緩和し、太陽電池セルにおける表面での割れを抑制するという効果を奏する。 According to the present invention, by using Sn-Bi-Ag-based lead-free solder, the temperature of the lead-free solder changes from the melting point to room temperature by joining the surface of the solar battery cell and the conductive member as the counterpart material. The effect of relieving the thermal stress generated during the process and suppressing cracks on the surface of the solar battery cell is exhibited.
以下に、本発明にかかる太陽電池およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。 Embodiments of a solar cell and a method for manufacturing the solar cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding. The same applies between the drawings.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による太陽電池の構成を示す斜視図である。図2は本実施の形態1で用いられる太陽電池セルの断面模式図である。図3(a)〜(c)は同太陽電池の製造方法を示す工程説明図である。本実施の形態1の太陽電池においては、ぜい性材料である単結晶シリコン基板上に半導体薄膜を形成して形成した太陽電池セル1の表面に、接続材料であるSn-Bi-Ag系の鉛フリー半田2を介して、CuまたはCu合金から成る電圧取り出し用の導電部材3a、3bが接続されている。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a solar cell according to
このSn-Bi-Ag系の鉛フリー半田2としては、融点146℃で、クリープ性が、鉛半田よりも優れた低融点の半田であるSn57Bi1Agを用いている。クリープとは物体に持続応力が作用すると時間の経過とともに歪が増大する現象をいう。つまりクリープ性が高いほど、応力に対して変位し易く、応力吸収性を持つと考えることができる。そこで本実施の形態では、接続に用いる半田については、融点だけでなく、クリープ性が太陽電池セルのストレス緩和に貢献するという点に着目し、半田材料を選択した。本実施の形態の接合において有効であるのは、従来のSnを主成分とする半田に、BiおよびAgを添加したものであって、Biを添加することで融点を低下させ、Agを添加することでクリープ性を高めている。Biの添加量は、融点を所望の値に下げることのできる範囲であり、Agの添加量は、クリープ性を十分に高めることのできる値の範囲であって、両者を満たす範囲内にあるSn-Bi-Agを用いるのが望ましい。
As this Sn-Bi-Ag-based lead-
このSn57Bi1Agは、低融点であるだけでなく、クリープ性が高く、かつ半田接合工程における温度上昇に際しても、クリープ指数の変化が小さく、高いクリープ性を維持しているため、接合工程における温度上昇および温度降下に際しても緩衝性が高く、太陽電池セルにストレスを与え、破壊を招くようなこともない。したがって、鉛フリー半田が融点から常温へ温度変化する際に生じる熱応力を、大きく緩和し、太陽電池セルの割れを抑制する。つまり、低融点であることから、接合工程において太陽電池セルが受ける温度変化を低減するとともに、全温度領域において、変化無く安定して高いクリープ性を持つことから、全工程にわたり、高いクリープ性によって、熱応力の緩和効果を得ることができる。 This Sn 57 Bi 1 Ag not only has a low melting point, but also has a high creep property and a small change in the creep index even when the temperature rises in the solder joint process, and maintains a high creep property. Even when the temperature rises and falls, the buffering property is high, and stress is not applied to the solar battery cell to cause destruction. Therefore, the thermal stress generated when the temperature of the lead-free solder changes from the melting point to room temperature is greatly relieved and cracking of the solar battery cell is suppressed. In other words, since it has a low melting point, it reduces the temperature change that solar cells receive in the bonding process, and has a stable and high creep property without change in all temperature regions. The effect of relaxing thermal stress can be obtained.
実施の形態1で用いられる太陽電池セル1は、図2に断面模式図を示すとおりであり、結晶系半導体基板であるn型単結晶シリコン基板101を基板として用いる。n型単結晶シリコン基板101の受光面側101aには、真性(i型)アモルファスシリコン層102とp型アモルファスシリコン層103と、p側電極104とが設けられている。n型単結晶シリコン基板101の受光面と反対の面(裏面)側101bには、真性(i型)アモルファスシリコン層105と、n型アモルファスシリコン層106と、n側電極107とが設けられている。p側電極104は、太陽電池セル1の受光面側101a全面に形成された酸化インジウム錫(ITO)などの透光性電極で構成されている。そして、n側電極107は、太陽電池セル1の裏面側101bに形成された金属電極で構成されている。
The
次に、この太陽電池セル1を外部接続用の導電部材に接続して太陽電池を形成する工程について説明する。
Next, a process of forming a solar battery by connecting the
まず、図3(a)に示すように、n型単結晶シリコン基板101上にi型アモルファスシリコン層、p型アモルファスシリコン層、n型アモルファスシリコン層などの半導体薄膜を形成し、受光面側(表面)側1aおよび裏面側1bに図示しない電極を有する太陽電池セル1を形成する(この工程については後述する)。
First, as shown in FIG. 3A, a semiconductor thin film such as an i-type amorphous silicon layer, a p-type amorphous silicon layer, or an n-type amorphous silicon layer is formed on an n-type single
次いで、図3(b)に示すように、半導体薄膜の形成された太陽電池セル1の上にSn57Bi1Agからなる鉛フリー半田2をスクリーン印刷により形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, lead-
そして、図3(c)に示すように、太陽電池セル1の表面1aおよび裏面1bに塗布された鉛フリー半田2上にCu合金製の断面四角形の条材からなる導電部材3a、3bを配し、150℃に加熱する。この導電部材3a、3bは外部取り出し用の配線であり、隣接する太陽電池セル1と直列接続し、最初段および最終段で、太陽電池パネルより電力を取り出す配線に接続され、パワーコンディショナーなどの処理回路に接続される。パワーコンディショナーに接続されるまでには、複数の太陽電池パネルが直列に接続されることも多い。
Then, as shown in FIG. 3C,
このように、本実施の形態によれば、太陽電池セル1上に、鉛半田よりも融点が低く、鉛半田と同程度以上のクリープ定数をもつ鉛フリー半田2を用いて低温で半田接合をしているため、応力はこの鉛半田により吸収され、太陽電池セル1の破壊の恐れも無く、信頼性の高い半田接合が実現される。なお、本実施の形態では鉛フリー半田2を、あらかじめセルにスクリーン印刷にて形成したが、Cu合金製の導電部材3a、3bについて、鉛フリー半田をメッキしておくことでも、同様に製造可能である。
As described above, according to the present embodiment, solder bonding is performed at low temperature on the
これら、p側電極104およびn側電極107が、電圧取り出し用の導電部材3に接続され、外部取出しがなされるが、p側電極104およびn側電極107と電圧取り出し用の導電部材3との接続部には、集電用のグリッド電極あるいはバス電極などの集電用の電極が形成されているがここでは図示していない。集電用のグリッド電極あるいはバス電極は、スクリーン印刷法により電極材料ペーストを印刷、乾燥し、その後、200℃以下の低温で焼成することにより形成する。
The p-
この太陽電池セル1においては、図2における上面側が受光面側1a(101a)とされ、太陽光が入射される。太陽電池セル1は、p型電極104およびn型電極107が、n型単結晶シリコン基板101の表面(受光面)側101aおよび裏面側101bにそれぞれ配されたヘテロ構造型太陽電池である。これにより、太陽電池セル1は、p型電極104およびn型電極107がそれぞれ、Cu合金製の導電部材3a、3bとしての条材に接続され、光電変換電圧を取り出すようになっている。
In this
ここで導電部材3は、太陽電池セル1の受光面側101aでは受光面積を確保するために、幅を狭くするのが望ましい。このため取り出し抵抗を低減するために、厚さは厚くするのが望ましい。一方、太陽電池セル1の裏面側1b(101b)では受光面積を確保しなくてもよいため、導電部材3a、3bの幅を広くとることができる。このため、厚さは薄くすることができる。
Here, it is desirable that the conductive member 3 has a narrow width in order to secure a light receiving area on the light receiving
本実施の形態の太陽電池セル1の場合、受光面側101aでは導電部材3a、3bの厚さは200〜400μm、裏面側101bでは導電部材3a、3bの厚さは20〜50μmとした。導電部材3a、3bは比抵抗をそろえるために両面での断面積が等しくなるように構成するのが望ましい。例えば受光面側101aで導電部材3aの厚さは200μm、裏面側101bでは導電部材3bの厚さは20μmとしたとき、受光面側101aで導電部材3a、3bの幅は20μm、裏面側101bでは導電部材3bの幅は200μmというように、断面積が等しくなるようにする。
In the case of the
本実施の形態によれば、太陽電池セル1の厚さが100μm程度と薄く、かつ両面で接続される相手材すなわち導電部材3a、3bの厚さおよび接合面積が大きく異なる場合にも、クリープ性に優れた本実施の形態のSn57Bi1Agからなる鉛フリー半田2を用いることで、接合工程におけるリフロー温度においても、太陽電池セル1と導電部材3a、3bとの接続部分に生じる熱応力をクリープ変形により緩和することができ、信頼性の高い半田接合が実現される。
According to the present embodiment, even when the thickness of the
また、太陽電池セル1の厚さは、100μmの場合だけでなく、100μm〜300μmの範囲であるとき、薄いことで特にクラックが生じやすいが、本実施の形態の方法によれば、確実で信頼性の高い接合が実現される。したがって、本実施の形態の太陽電池において、特に有効な太陽電池セル1の厚さは100μm〜300μm程度であり、薄型の太陽電池セル1の場合に本実施の形態の効果が大きい。
Further, the thickness of the
また、太陽電池セル1に接続される配線のための導電部材a、3bの厚さは、20μm〜400μmの広範囲にわたって、本実施の形態の方法によれば、確実で信頼性の高い接合が実現される。
In addition, the thickness of the conductive members a and 3b for the wiring connected to the
また、太陽電池セル1の厚さが、100μm〜300μm程度と薄肉で且つぜい性が高いことで割れやすく、太陽電池セル1に接続される配線のための導電部材3aの厚さが200μm〜400μmである場合、通常の接合においてはクラックが生じやすいが、本実施の形態の場合太陽電池セル1と導電部材3との接続部分に生じる熱応力をクリープ変形により緩和することができ、信頼性の高い半田接合が実現される。
Moreover, since the thickness of the
さらにまた、太陽電池セル1の厚さが、100μm〜300μm程度と薄肉で且つぜい性が高いことで割れやすく、太陽電池セル1に接続される配線のための導電部材3bの厚さが20μm〜50μmとより薄くかつ大面積にわたって接合される場合にも、本実施の形態の場合太陽電池セル1と導電部材3との接続部分に生じる熱応力をクリープ変形により緩和することができ、信頼性の高い半田接合が実現される。
Furthermore, since the thickness of the
以下に太陽電池セル1の構成について詳述する。n型単結晶シリコン基板101は、n型のドーパント(例えばP(リン))がドープされてなることでn型の導電型を呈する結晶系半導体基板である。
Below, the structure of the
i型アモルファスシリコン層102および105は、それぞれn型単結晶シリコン基板101の受光面側101aおよび裏面側101bを被覆して積層形成されており、n型シリコン基板101の受光面側101aおよび裏面側101bの基板表面におけるキャリア再結合を抑制する表面パッシベーション層として働く。このようなi型アモルファスシリコン層102および105を形成することで、n型単結晶シリコン基板101へのパッシベーション効果が得られ、開放電圧や短絡電流密度が向上するという効果を得ることができる。
The i-type amorphous silicon layers 102 and 105 are laminated so as to cover the light-receiving
p型アモルファスシリコン層103は、i型アモルファスシリコン層102上に形成されており、i型アモルファスシリコン層102を介してn型単結晶シリコン基板101とpn接合を形成する。
The p-type
n型アモルファスシリコン層106は、i型アモルファスシリコン層105上に形成されており、n型単結晶シリコン基板101よりもn型のドーパント(例えばP)を高濃度に含有する。
The n-type
p側電極104は、発電された電力を外部に取り出すための取り出し電極であり、p型アモルファスシリコン層103上に形成されている。p側電極104は受光面側101aに配されるため、透光性電極となっている。n側電極107は、発電された電力を外部に取り出すための取り出し電極であり、n型アモルファスシリコン層106上に形成されている。
The p-
つぎに、このような太陽電池セル1の製造方法の一例について簡単に説明する。
Below, an example of the manufacturing method of such a
まず、半導体基板として、n型ドーパント原子としてPを所定の濃度で含有するn型単結晶シリコン基板101を用意する。n型単結晶シリコン基板101は、溶融したシリコンを引き上げ、冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージが残っている。そこで、まずはこのダメージ層の除去も兼ねて、n型単結晶シリコン基板101を酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面をエッチングすることにより、n型単結晶シリコン基板101の切り出し時に発生してn型単結晶シリコン基板101の表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。このあと、光の反射率をさらに低下させるため、表面に凹凸形状を作製するテクスチャエッチング工程を実行してもよく、その場合にはさらに性能の高い太陽電池を得ることができる。
First, an n-type single
つぎに、このn型単結晶シリコン基板101の両面にプラズマCVD法によりi型アモルファスシリコン層102およびi型アモルファスシリコン層105を形成する。つぎに、n型単結晶シリコン基板101の受光面側101aにプラズマCVDによりp型アモルファスシリコン層103を堆積する。つぎに、n型単結晶シリコン基板101の裏面側101bにプラズマCVDによりn型アモルファスシリコン層106を堆積する。
Next, an i-type
つぎに、n型単結晶シリコン基板101の受光面側101aにおいて、p型アモルファスシリコン層103上にスパッタリング法などによりp側電極104を形成する。
Next, the p-
つぎに、n型シリコン基板101の裏面側101bにおいて、n型アモルファスシリコン層106上にスパッタリング法などによりn側電極107を形成する。
Next, an n-
この後、p側電極104、n側電極107上に集電用のグリッド電極およびバス電極を形成する。このグリッド電極およびバス電極の形成は、例えばスクリーン印刷法により電極材料ペーストを印刷、乾燥し、その後焼成することにより行う。
Thereafter, a grid electrode and a bus electrode for current collection are formed on the p-
以上のような工程を実施することにより、図2に示す本実施の形態にかかる太陽電池セル1を作製することができる。なお、上記の各部においてp型とn型を入れ替えてもよい。
By performing the steps as described above, the
ここで、太陽電池セル1は、単結晶シリコン基板だけでなく、単結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンなど所望の結晶系基板を用いることができる。また、太陽電池セル1の構成としては、単結晶シリコン、多結晶シリコンなどのシリコン系基板にアモルファスシリコン等の別の層をCVD法などにより形成し、その上に集電電極を形成したもの、あるいはシリコン基板に不純物を導入することでn型領域、p型領域を形成し、その上に集電電極を形成したもの、などが用いられる。
Here, the
次に、本実施の形態で用いたSn57Bi1Agからなる鉛フリー半田について説明する。前述したように、本実施の形態では,太陽電池の割れを防ぐためには、融点だけではなくクリープ特性を考慮する必要があるとの発見により、クリープ特性を評価した。以下にSn57Bi1Agを含む鉛フリー半田のクリープ特性を、他の鉛フリー半田と比較したクリープ試験結果を示す。ここでクリープ試験を行なった鉛フリー半田は、Sn57Bi1Ag、Sn3Ag0.5Cu、Sn2.5Ag0.4Cu20In、Sn2.5Ag0.4Cu15Inである。また、参考として、鉛を含むSn37Pbについても同様の試験を行い、その結果を示した。 Next, the lead-free solder made of Sn 57 Bi 1 Ag used in the present embodiment will be described. As described above, in this embodiment, in order to prevent cracking of the solar cell, creep characteristics were evaluated based on the discovery that it is necessary to consider not only the melting point but also the creep characteristics. The creep test results comparing the creep characteristics of the lead-free solder containing Sn 57 Bi 1 Ag with those of other lead-free solders are shown below. The lead-free solder subjected to the creep test here is Sn 57 Bi 1 Ag, Sn 3 Ag 0.5 Cu, Sn 2.5 Ag 0.4 Cu 20 In, Sn 2.5 Ag 0.4 Cu 15 In. For reference, Sn 37 Pb containing lead was also subjected to the same test and the results were shown.
クリープ試験は、評価対象に圧子を圧入するインデンテーション法を用いて行った(非特許文献1)。当該試験では、試験温度25℃と100℃のそれぞれにおいて、厚さ5mmの鉛フリー半田2の試験片に最大押し込み荷重300mN〜1000mN、最大押し込み荷重の保持時間1200sでビッカース圧子を圧入し、このときの押し込み荷重Fと押し込み量hの連続データを測定した。押し込み荷重Fを曲線aで示すとともに押し込み量hは曲線bで示した。図4は、クリープ特性をインデンテーション法で評価するときに測定される連続データの一例である。最大押し込み荷重の保持時間700s〜1200sのデータを用いて、クリープ速度ε=dh/dtと応力σ=F/(3×26.3h2(t))を算出し、定常クリープ則ε=Cσmよりクリープ定数C、クリープ指数mを評価した。
The creep test was performed using an indentation method in which an indenter is pressed into an evaluation target (Non-Patent Document 1). In this test, a Vickers indenter was pressed into a test piece of lead-
図5および図6は、各鉛フリー半田の25℃と100℃のそれぞれにおけるクリープ速度と応力の関係を示したものである。表1は、それら鉛フリー半田のクリープ特性値を示したものである。表1記載のクリープ定数logCとクリープ指数mは、一般に用いられる鉛フリー半田Sn3Ag0.5Cuの25℃におけるクリープ特性により無次元化している。 5 and 6 show the relationship between the creep rate and the stress of each lead-free solder at 25 ° C. and 100 ° C., respectively. Table 1 shows the creep characteristic values of these lead-free solders. The creep constant logC and creep index m shown in Table 1 are dimensionless due to the creep characteristics at 25 ° C. of commonly used lead-free solder Sn 3 Ag 0.5 Cu.
図5および図6から分かるように、Sn57Bi1Agは、高温(100℃)において他の鉛フリー半田(Sn3Ag0.5Cu、Sn2.5Ag0.4Cu20In、Sn2.5Ag0.4Cu15In)に比べ、同じ負荷応力に対するクリープ速度(クリープ変形のしやすさ)が特に大きく、鉛半田であるSn37Pbと比べてもクリープ変形しやすい。また、低温においても、Sn57Bi1Agは、他の鉛フリー半田に比べて、クリープ変形しやすい。さらにまたSn57Bi1Agは温度変化に対するクリープ速度の変化が小さく、ほぼ一定である。 As can be seen from FIGS. 5 and 6, Sn 57 Bi 1 Ag is a lead-free solder (Sn 3 Ag 0.5 Cu, Sn 2.5 Ag 0.4 Cu 20 In, Sn 2.5 Ag 0.4 Cu 15 In) at a high temperature (100 ° C.). ), The creep rate (easiness of creep deformation) with respect to the same load stress is particularly large, and creep deformation is likely to occur even when compared with Sn 37 Pb which is lead solder. Even at low temperatures, Sn 57 Bi 1 Ag is more likely to undergo creep deformation than other lead-free solders. Further, Sn 57 Bi 1 Ag has a small change in creep rate with respect to a temperature change and is almost constant.
表1で説明すれば、クリープ定数logCが小さいほど、同じ負荷応力においてクリープ速度が大きいためクリープ変形しやすく、また、クリープ指数mが小さいほど、負荷応力が減少した場合にクリープ速度が減少しにくいためクリープ変形しやすい。このことから、Sn57Bi1Agは他の鉛フリー半田に比べて、特にクリープ変形しやすく、融点から常温に低下する過程において、母材と相手材との接続部分に生じる熱応力をクリープ変形により緩和する効果が大きいことが分かる。 As described in Table 1, the smaller the creep constant logC, the larger the creep rate at the same load stress, so that the creep deformation tends to occur, and the smaller the creep index m, the less likely the creep rate to decrease when the load stress decreases. Therefore, creep deformation is easy. As a result, Sn 57 Bi 1 Ag is more susceptible to creep deformation than other lead-free solders, and creep deformation is caused by the thermal stress generated at the joint between the base material and the counterpart material in the process of decreasing from the melting point to room temperature. It can be seen that the effect of relaxation is great.
表1の最下段には、クリープ定数とクリープ指数mの積を示している。クリープ定数とクリープ指数が小さいほどクリープ変形しやすいため、クリープ定数の対数とクリープ指数の積が小さいほどクリープ変形しやすい。Sn3Ag0.5Cuの25℃のクリープ特性により無次元化した25℃と100℃におけるクリープ定数の対数logC25℃とlogC100℃とクリープ指数m25℃とm100℃の積(logC25℃×m25℃)×(logC100℃×m100℃)が、Sn57Bi1Agは0.004であり、特に小さく、クリープ変形しやすいことが分かる。本発明の半田は鉛フリーであればSn57Bi1Agに限定されるものではないが、鉛半田Sn37Pbのクリープ指数m25℃とm100℃の積(logC25℃×m25℃)×(logC100℃×m100℃)が0.006であることから、本発明に用いられる半田はクリープ指数m25℃とm100℃の積(logC25℃×m25℃)×(logC100℃×m100℃)が0.006以下であることが望ましい。 The bottom row of Table 1 shows the product of the creep constant and the creep index m. The smaller the creep constant and the creep index, the easier the creep deformation. Therefore, the smaller the product of the logarithm of the creep constant and the creep index, the easier the creep deformation. Sn 3 Ag 0.5 Cu of 25 ° C. creep characteristics by dimensionless 25 ° C. and the creep constant at 100 ° C. logarithm log C 25 ° C. and log C 100 ° C. and creep index m 25 ° C. and m 100 ° C. of the product (log C 25 ° C. × m 25 ° C. ) × (log C 100 ° C. × m 100 ° C. ), Sn 57 Bi 1 Ag is 0.004, which is particularly small, and it is understood that creep deformation is likely to occur. The solder of the present invention is not limited to Sn 57 Bi 1 Ag as long as it is lead-free, but the product of the creep index m 25 ° C. and m 100 ° C. of lead solder Sn 37 Pb (log C 25 ° C. × m 25 ° C. ) Since × (log C 100 ° C. × m 100 ° C. ) is 0.006, the solder used in the present invention is the product of the creep index m 25 ° C. and m 100 ° C. (log C 25 ° C. × m 25 ° C. ) × (log C 100 (° C. × m 100 ° C. ) is preferably 0.006 or less.
以下に、Sn57Bi1Agのクリープ変形による熱応力の緩和効果を調べるため、母材である太陽電池セル1の片側表面に接続材料である鉛フリー半田2を形成し、太陽電池セル1と相手材である導電部材3を半田付け接合した場合の、導電部材3の反り変形で生じる曲率の算出結果を示す。
In the following, in order to investigate the relaxation effect of thermal stress due to creep deformation of Sn 57 Bi 1 Ag, lead-
図7は、鉛フリー半田のクリープ変形による熱応力緩和の影響を調べるための試験サンプルと測定機を示す斜視図である。母材である太陽電池セル1としてはシリコンウエハを用い、素子領域および電極は省略している。鉛フリー半田2はSn3Ag0.5Cu、Sn57Bi1Ag、Sn2.5Ag0.4Cu20In、Sn2.5Ag0.4Cu15In、相手材はCu合金から成る導電材料3である。太陽電池セル1を構成するシリコンウエハは厚さ160μm、幅10mm、長さ45mmとし、鉛フリー半田は厚さ20μm、幅200μm、長さ45mmとし、電極は厚さ20μm、幅200μm、長さ45mmとした。なお、太陽電池セル1、鉛フリー半田2、導電材料3を構成するCu合金の幅は、一例であって他の任意の幅としてもよい。ここでは、母材である太陽電池セル1の片側表面に接続材料とする鉛フリー半田2を形成し、太陽電池セル1と相手材である導電部材3を半田付け接合したときの導電部材の長さ方向の反り変形量を、三次元レーザ変位計4により測定し曲率を算出している。
FIG. 7 is a perspective view showing a test sample and a measuring machine for examining the influence of thermal stress relaxation due to creep deformation of lead-free solder. A silicon wafer is used as the
表2は、鉛フリー半田2のクリープ変形による熱応力緩和の効果を示す。曲率の大きさは、熱応力の緩和効果を示し、曲率が大きい方が熱応力の緩和効果が小さいことを示す。一般に用いられるSn3Ag0.5Cuの曲率により無次元化すると、それぞれの曲率はSn3Ag0.5Cuが1、Sn57Bi1Agが0.45、Sn2.5Ag0.4Cu20Inが0.62、Sn2.5Ag0.4Cu15Inが0.66であり、Sn57Bi1Agは応力緩和効果が特に大きいことが分かる。
Table 2 shows the effect of thermal stress relaxation by creep deformation of the lead-
以上のように、Sn57Bi1Agが特にクリープ変形しやすく、母材と相手材の接続部分に母材と相手材の線膨張差に起因して生じる熱応力を緩和するのに特に好適であることが分かる。 As described above, Sn 57 Bi 1 Ag is particularly susceptible to creep deformation, and is particularly suitable for alleviating the thermal stress caused by the difference in linear expansion between the base material and the counterpart material at the connection portion of the base material and the counterpart material. I understand that there is.
ところで、太陽電池として、アモルファスシリコン層がCVD法で形成されたヘテロ構造の薄膜型半導体が、発電効率が高いことで知られるが、200℃以上の高温において膜の結晶性が変化し半導体特性の劣化が生じるため、Sn3Ag0.5Cuに代表される従来の鉛フリー半田を用いることができなかった。しかしながら、Sn57Bi1Agの融点は146℃であり、200℃よりも極めて低い。したがって、このようなヘテロ構造の薄膜型半導体において、半導体セルと相手材であるCuやCu合金とを半田で接合するために、このSn57Bi1Agを用いれば、半田付けにおける融点から常温への温度変化における応力緩和効果が大きく、熱応力による破壊不良が発生し難く、かつ、ヘテロ構造の薄膜半導体の特性劣化が少ない太陽電池を得ることができる。 By the way, as a solar cell, a heterostructure thin film type semiconductor in which an amorphous silicon layer is formed by a CVD method is known to have high power generation efficiency. However, the crystallinity of the film changes at a high temperature of 200 ° C. or higher, and the semiconductor characteristics are improved. Since deterioration occurs, conventional lead-free solder typified by Sn 3 Ag 0.5 Cu cannot be used. However, the melting point of Sn 57 Bi 1 Ag is 146 ° C., which is much lower than 200 ° C. Therefore, in such a hetero-structure thin film type semiconductor, if this Sn 57 Bi 1 Ag is used to join the semiconductor cell and the counterpart material, such as Cu or Cu alloy, by soldering, the melting point in soldering is changed to room temperature. It is possible to obtain a solar cell that has a large stress relaxation effect due to the temperature change, is less prone to breakage due to thermal stress, and has little characteristic deterioration of the heterostructure thin film semiconductor.
なお、母材として半導体セルのシリコンなどの太陽電池セル1の厚さは近年徐々に薄くなっており、それにより太陽電池セル1と相手材である導電部材3との間に生じる応力も大きくなっている。そのため、Sn37Pbなど、従来の鉛半田よりもクリープ変形しやすく、応力緩和の効果が大きいSn57Bi1Agは、今後の半導体セルの更なる薄膜化において、その応力緩和に特に有効である。
Note that the thickness of the
上述の実験例では、母材である太陽電池セル1の厚さを160μm、鉛フリー半田2の厚さを20μm、相手材(Cu合金)である導電部材3の厚さを20μmとしたが、例えば、太陽電池セル1の厚さを100μm〜300μm、鉛フリー半田2の厚さを10μm〜40μm、導電部材3の厚さを20μmm〜400μmの範囲から選択した場合に、特に本実施の形態の効果が大きい。
In the above experimental example, the thickness of the
実施の形態2.
図8は本発明の実施の形態2で用いられる太陽電池セル1の断面模式図である。本実施の形態では、単結晶シリコン基板表面に不純物拡散によりpn接合を形成した太陽電池セル1を用いた点が、異なるのみである。すなわち、接続材料であるSn-Bi-Ag系の鉛フリー半田2を介して、CuまたはCu合金から成る電圧取り出し用の導電部材3が接続される点では前記実施の形態1の太陽電池と同様である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of
このSn-Bi-Ag系の鉛フリー半田2としては、前記実施の形態1の太陽電池と同様、融点146℃で、クリープ性が、鉛半田よりも優れた低融点の半田であるSn57Bi1Agを用いている。このSn57Bi1Agは、低融点であるだけでなく、クリープ性が高く、かつ半田接合工程における温度上昇に際しても、クリープ指数の変化が無く、高いクリープ性を維持しているため、接合工程における温度上昇および温度降下に際しても緩衝性が高く、太陽電池セル1にストレスを与え、破壊を招くようなこともない。したがって、鉛フリー半田が融点から常温へ温度変化する際に生じる熱応力を、大きく緩和し、太陽電池セル1の割れを抑制する。つまり、低融点であることから、接合工程において太陽電池セル1が受ける温度変化を低減するとともに、全温度領域において、変化無く安定して高いクリープ性を持つことから、全工程にわたり、高いクリープ性によって、熱応力の緩和効果を得ることができる。
As this Sn—Bi—Ag-based lead-
実施の形態2で用いられる太陽電池セル1は、図8に断面模式図を示すとおりであり、シリコン基板201としては、例えばp型の単結晶シリコン基板を用いることができる。このシリコン基板201の表層に例えばリンを拡散して不純物拡散層(n型不純物拡散層)である第2導電型層202が形成されpn接合を形成している。また、シリコン基板201の裏面側には、シリコン基板201の裏面側の表層に裏面側電極205の電極材料、例えばアルミニウムが拡散された拡散層である第1導電型層203が形成されている。なお、シリコン基板201はこれに限定されるものではなく、p型の多結晶シリコン基板、n型の単結晶シリコン基板、n型の多結晶シリコン基板などを用いてもよい。また、絶縁層204は反射防止膜として設けられ、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜により形成される。206は表面側電極である。なお、集電性を高めるために表面側206と第2導電型層202との間に第2導電型層202全面にわたって透明導電膜を形成してもよい。
The
これら表面側電極および裏面側電極に対し、実施の形態1と同様に導電部材3がSn57Bi1Agからなる鉛フリー半田によって接合される。接合方法については前記実施の形態1で説明した工程と同様である。 The conductive member 3 is joined to the front surface side electrode and the back surface side electrode by lead-free solder made of Sn 57 Bi 1 Ag as in the first embodiment. The joining method is the same as the process described in the first embodiment.
このように構成された実施の形態2にかかる太陽電池セル1のシリコン基板201の受光面側には、前記実施の形態1の太陽電池セル1と同様、高さおよび形状の揃った均一且つ微細なピラミッド状のテクスチャーTが全面に均一に形成されている。高さおよび形状が均一なテクスチャーTは、該テクスチャーTで反射された光が隣接するテクスチャーTに再入射する確率を高め、太陽電池セル1の光の利用効率を増大させる。光の利用効率の増大は、太陽電池セル1で生成されるキャリア数を増加させ、光電変換効率の向上を実現させることができる。
On the light-receiving surface side of the
したがって、実施の形態2にかかる太陽電池セル1によれば、高い光利用効率と、高い開放電圧を有し、光電変換効率に優れた太陽電池が実現されている。
Therefore, according to the
なお、前記実施の形態では、Sn57Bi1Agを用いたが、Sn57Bi1Agを主成分とするSn-Bi-Ag系半田などの鉛フリー半田であれば組成については適宜変更可能である。ここでBiは融点を下げるのに寄与しており、Agはクリープ性を高めるのに寄与しているものと考えられ、適宜他の成分で置き換えても有効である。融点が低いことと、クリープ性が高いこと、また使用温度範囲においてクリープ性が大きく変化しない材料を用いることが望ましいと思われる。 In the above embodiment, Sn 57 Bi 1 Ag is used. However, the composition of the lead-free solder such as Sn—Bi—Ag solder mainly composed of Sn 57 Bi 1 Ag can be changed as appropriate. is there. Here, Bi contributes to lowering the melting point, and Ag is considered to contribute to increase creep properties, and it is effective to replace it with other components as appropriate. It seems desirable to use a material having a low melting point, a high creep property, and a material whose creep property does not change significantly in the operating temperature range.
1 太陽電池セル
1a 受光面側
1b 裏面側
2 鉛フリー半田
3、3a、3b 導電部材
4 三次元レーザ変位計
101a 受光面側
101b 裏面側
102 i型アモルファスシリコン層
103 p型アモルファスシリコン層
104 p側電極
105 i型アモルファスシリコン層
106 n型アモルファスシリコン層
107 n側電極
T テクスチャ
201 シリコン基板
202 第2導電型層
203 第1導電型層
204 絶縁層
205 裏面側電極
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記太陽電池セルの表面に、
Sn-Bi-Ag系の鉛フリー半田を用いて接合された、導電部材とを備えたことを特徴とする太陽電池。 A thin-film solar cell using a semiconductor thin film;
On the surface of the solar cell,
A solar cell comprising: a conductive member joined using Sn-Bi-Ag lead-free solder.
前記太陽電池セルの電極の少なくとも一方が前記導電部材に接合されたことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池。 The semiconductor thin film is formed by a CVD method to constitute a heterostructure solar cell,
The solar battery according to claim 1, wherein at least one of the electrodes of the solar battery cell is joined to the conductive member.
前記半導体薄膜に外部接続用の導電部材を接続する工程とを含む太陽電池の製造方法であって、
前記接続する工程は、
前記太陽電池セル上にSn-Bi-Ag系の鉛フリー半田を形成する工程と、
前記鉛フリー半田上に前記導電部材を配し、加熱する工程とを含み、
前記太陽電池セルと前記導電部材を接合する工程を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 Forming a semiconductor thin film on a substrate and forming a solar cell;
A method of manufacturing a solar cell comprising a step of connecting a conductive member for external connection to the semiconductor thin film,
The connecting step includes
Forming a Sn-Bi-Ag lead-free solder on the solar cell;
Arranging and heating the conductive member on the lead-free solder,
The manufacturing method of the solar cell characterized by including the process of joining the said photovoltaic cell and the said electrically-conductive member.
前記太陽電池セル上にSn57Bi1Agを主成分とする半田を形成する工程と、
前記鉛フリー半田上にCuおよびCu合金からなる導電部材を配し、加熱する工程とを含み、
前記太陽電池セルと前記導電部材を接合する工程を含むことを特徴とする請求項10に太陽電池の製造方法。 The connecting step includes
Forming a solder composed mainly of Sn 57 Bi 1 Ag on the solar cell;
Arranging and heating a conductive member made of Cu and Cu alloy on the lead-free solder,
The method for manufacturing a solar cell according to claim 10, comprising a step of joining the solar cell and the conductive member.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012086853A JP2013219118A (en) | 2012-04-05 | 2012-04-05 | Solar battery and manufacturing method of the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012086853A JP2013219118A (en) | 2012-04-05 | 2012-04-05 | Solar battery and manufacturing method of the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013219118A true JP2013219118A (en) | 2013-10-24 |
Family
ID=49590915
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012086853A Pending JP2013219118A (en) | 2012-04-05 | 2012-04-05 | Solar battery and manufacturing method of the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013219118A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017005041A (en) * | 2015-06-08 | 2017-01-05 | 三菱電機株式会社 | Solar battery, and method of manufacturing solar battery |
CN106505110A (en) * | 2016-10-14 | 2017-03-15 | 南昌大学 | Sn Bi bases solder is used for making silicon/crystalline silicon heterojunction solar cel electrode |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000036657A (en) * | 1998-07-21 | 2000-02-02 | Fujitsu Ltd | Electronic device and its manufacture |
JP2000223728A (en) * | 1999-01-28 | 2000-08-11 | Sharp Corp | Thin film solar battery module |
JP2002314104A (en) * | 2001-04-17 | 2002-10-25 | Sharp Corp | Thin film solar cell and its manufacturing method |
JP2002368241A (en) * | 2001-06-06 | 2002-12-20 | Honda Motor Co Ltd | Method of modularizing solar cell |
JP2003290974A (en) * | 2002-03-28 | 2003-10-14 | Fujitsu Ltd | Joining structure of electronic circuit device and electronic parts used for the same |
JP2005216963A (en) * | 2004-01-27 | 2005-08-11 | Kyocera Corp | Solar cell module |
-
2012
- 2012-04-05 JP JP2012086853A patent/JP2013219118A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000036657A (en) * | 1998-07-21 | 2000-02-02 | Fujitsu Ltd | Electronic device and its manufacture |
JP2000223728A (en) * | 1999-01-28 | 2000-08-11 | Sharp Corp | Thin film solar battery module |
JP2002314104A (en) * | 2001-04-17 | 2002-10-25 | Sharp Corp | Thin film solar cell and its manufacturing method |
JP2002368241A (en) * | 2001-06-06 | 2002-12-20 | Honda Motor Co Ltd | Method of modularizing solar cell |
JP2003290974A (en) * | 2002-03-28 | 2003-10-14 | Fujitsu Ltd | Joining structure of electronic circuit device and electronic parts used for the same |
JP2005216963A (en) * | 2004-01-27 | 2005-08-11 | Kyocera Corp | Solar cell module |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017005041A (en) * | 2015-06-08 | 2017-01-05 | 三菱電機株式会社 | Solar battery, and method of manufacturing solar battery |
CN106505110A (en) * | 2016-10-14 | 2017-03-15 | 南昌大学 | Sn Bi bases solder is used for making silicon/crystalline silicon heterojunction solar cel electrode |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5989243B2 (en) | SOLAR BATTERY CELL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND SOLAR BATTERY MODULE | |
JP4425917B2 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
JP5174817B2 (en) | Solar cell module | |
JP4980494B2 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
JP5220197B2 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
JP6495649B2 (en) | Solar cell element and solar cell module | |
JP5460860B2 (en) | Solar cell element and manufacturing method thereof | |
JP2008034543A (en) | Photoelectric conversion element, and manufacturing method thereof | |
WO2011074280A1 (en) | Photovoltaic device and method for preparation thereof | |
JP5449579B2 (en) | SOLAR CELL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND SOLAR CELL MODULE | |
JP2006286673A (en) | Photovoltaic power apparatus and method of manufacturing it | |
JP4506838B2 (en) | Solar cell and solar cell module | |
JP2013219118A (en) | Solar battery and manufacturing method of the same | |
JP2009290235A (en) | Solar cell, and manufacturing method thereof | |
JP2005353836A (en) | Solar cell element and solar cell module using the same | |
JP2007288113A (en) | Solar cell, solar cell string, and solar cell module | |
EP3573113B1 (en) | Photovoltaic module | |
JP2010258167A (en) | Method of manufacturing solar cell | |
JP2007173288A (en) | Solar cell, solar cell string and solar cell module | |
JP4144241B2 (en) | Solar cell | |
JP2014075532A (en) | Solar cell module | |
JP5196418B2 (en) | Solar cell and solar cell module with interconnector | |
TWI470815B (en) | Silicon-based solar cell and method of fabricating the same | |
JP5363666B2 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
JP5496147B2 (en) | Solar cell module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20141006 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150722 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150728 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20151222 |