JP2735385B2 - 熱安定性を改善した光電池 - Google Patents
熱安定性を改善した光電池Info
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- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 光電池（photovoltaic cell）を各種用途、特に太陽
エネルギーからの電力の発生に供することは当該技術分
野では周知のことである。この電池は代表的には極めて
小さなものであって、一般的電気用途に供するには、よ
り大型の格子（grid）又はモジュールに電気接続しなけ
ればならない。このような光電池モジュールを製造する
従来の方法は、各光電池の両面の一部分を導電性の金属
又は金属合金で被覆して電気接触部を形成する方法であ
る。引き続き、被覆された一群の電池の電気接触部に電
線をハンダ付けして、電池を直列又は並列に接続した大
型の相互接続電池格子を形成するものである。光電池の
電気接触部には、（１）少量のガラスを含む銀若しくは
銀合金又は（２）アルミニウムからなる厚膜被覆が広く
使用される。一部の太陽電池製造法では、太陽電池の背
面接触部をアルミニウムで製作しているが、この接触部
には下部のシリコンを露出させる「窓」すなわち複数の
開口部がある。これらの開口部は銀／ガラス被覆で充た
され、この被覆がシリコン基板に接合してアルミニウム
被覆との電気接触部を形成する。窓を充たす銀被覆セグ
メントは「ハンダパッド」として知られている。銅導体
をハンダパッドに接合する方が、銅導体をアルミニウム
層に直接接合するよりもはるかに容易かつ便利だからで
ある。
エネルギーからの電力の発生に供することは当該技術分
野では周知のことである。この電池は代表的には極めて
小さなものであって、一般的電気用途に供するには、よ
り大型の格子（grid）又はモジュールに電気接続しなけ
ればならない。このような光電池モジュールを製造する
従来の方法は、各光電池の両面の一部分を導電性の金属
又は金属合金で被覆して電気接触部を形成する方法であ
る。引き続き、被覆された一群の電池の電気接触部に電
線をハンダ付けして、電池を直列又は並列に接続した大
型の相互接続電池格子を形成するものである。光電池の
電気接触部には、（１）少量のガラスを含む銀若しくは
銀合金又は（２）アルミニウムからなる厚膜被覆が広く
使用される。一部の太陽電池製造法では、太陽電池の背
面接触部をアルミニウムで製作しているが、この接触部
には下部のシリコンを露出させる「窓」すなわち複数の
開口部がある。これらの開口部は銀／ガラス被覆で充た
され、この被覆がシリコン基板に接合してアルミニウム
被覆との電気接触部を形成する。窓を充たす銀被覆セグ
メントは「ハンダパッド」として知られている。銅導体
をハンダパッドに接合する方が、銅導体をアルミニウム
層に直接接合するよりもはるかに容易かつ便利だからで
ある。
光電池モジュールの製造過程でも多数の一般的用途に
おいても、光電池は連続的な高温や規則的若しくは不規
則的な間隔の熱サイクルに露される。例えばマルチセル
モジュールの製造において、代表的には電池結線（相互
接続）に続くエチレン酢酸ビニル（EVA）の積層過程
で、約150℃程の高温に約45-60分間露される。太陽エネ
ルギーの生産に使用される際には、光電池は太陽光への
露光サイクルでは加熱され、夜は周囲温度まで冷却され
る。加熱及び冷却のサイクルがはるかに頻繁になる別用
途もある。従って、光電池の重要な特性は、熱エージン
グに耐える能力、特にそのハンダ接触部が耐える能力で
ある。
おいても、光電池は連続的な高温や規則的若しくは不規
則的な間隔の熱サイクルに露される。例えばマルチセル
モジュールの製造において、代表的には電池結線（相互
接続）に続くエチレン酢酸ビニル（EVA）の積層過程
で、約150℃程の高温に約45-60分間露される。太陽エネ
ルギーの生産に使用される際には、光電池は太陽光への
露光サイクルでは加熱され、夜は周囲温度まで冷却され
る。加熱及び冷却のサイクルがはるかに頻繁になる別用
途もある。従って、光電池の重要な特性は、熱エージン
グに耐える能力、特にそのハンダ接触部が耐える能力で
ある。
銀の厚膜電気接触部又はハンダパッド及び通常の浸漬
ハンダ付け若しくはウエーブ（wave）ハンダ付け技術で
塗付した通常の電気用ハンダを組み込んだ先行技術の光
電池は、一般に、熱エージングを受けた際にそのハンダ
接合が機械的信頼性に乏しかった。特に、錫63％／鉛37
％／又は錫62％／鉛36％／銀２％のハンダを用いてシリ
コン上の銀／ガラス厚膜に形成した接合の強度は、150
℃の温度に１時間露出すると80％以上劣化する。このよ
うな温度にこのような時間露出することは、光電池モジ
ュールの製造では光電池をガラスに接合するため普通に
必要とされることなので、このようなハンダでなされる
モジュール内の接合がそもそも弱いということである。
光電池モジュールの正常操作温度でも接合強度の劣化は
更に続くものと予期される。このように行われるモジュ
ールの応力試験は、温度変化を含めてモジュール上に機
械的荷重を発生させる条件下でモジュールの性能が比較
的急速に劣化することを示している。このような温度変
化は、代表的用途では当然起きると予想されるものであ
る。
ハンダ付け若しくはウエーブ（wave）ハンダ付け技術で
塗付した通常の電気用ハンダを組み込んだ先行技術の光
電池は、一般に、熱エージングを受けた際にそのハンダ
接合が機械的信頼性に乏しかった。特に、錫63％／鉛37
％／又は錫62％／鉛36％／銀２％のハンダを用いてシリ
コン上の銀／ガラス厚膜に形成した接合の強度は、150
℃の温度に１時間露出すると80％以上劣化する。このよ
うな温度にこのような時間露出することは、光電池モジ
ュールの製造では光電池をガラスに接合するため普通に
必要とされることなので、このようなハンダでなされる
モジュール内の接合がそもそも弱いということである。
光電池モジュールの正常操作温度でも接合強度の劣化は
更に続くものと予期される。このように行われるモジュ
ールの応力試験は、温度変化を含めてモジュール上に機
械的荷重を発生させる条件下でモジュールの性能が比較
的急速に劣化することを示している。このような温度変
化は、代表的用途では当然起きると予想されるものであ
る。
半導体デバイスでハンダ付けした厚膜の銀含有導体が
熱劣化する問題は文献にも報告され議論されている。例
えば「第30回電子コンポーネントコンファランスのプロ
シーディング（Proceedings of the 30th Electronic C
omponents Conference,New York,IEEE,1980,pp 149-16
6）でテーラー（B.E.Talor）、フェルテン（J.J.Felte
n）及びラリー（J.R.Larry）は、「低コスト銀含有厚膜
導体の進歩と技術（Progress in and Technology of Lo
w Cost Silver Containing Thick Film Conductors）」
なる標題で、セラミック基板上の微小回路及びハイブリ
ッド回路における劣化は、銀／パラジウム厚膜の場合に
は、従来の錫／鉛ハンダに代えて錫95％／銀５％のハン
ダを用いると減らせる旨を報告した。しかしながら、こ
のハンダは特に高い融点を有するので、接合形成時にそ
の中の錫成分が厚膜から銀を溶かし出す傾向がある。従
って、この方法は、その文献の銀／パラジウム厚膜より
もかなり安価な銀を主体とする厚膜のハンダ付けには有
用でないだろう。
熱劣化する問題は文献にも報告され議論されている。例
えば「第30回電子コンポーネントコンファランスのプロ
シーディング（Proceedings of the 30th Electronic C
omponents Conference,New York,IEEE,1980,pp 149-16
6）でテーラー（B.E.Talor）、フェルテン（J.J.Felte
n）及びラリー（J.R.Larry）は、「低コスト銀含有厚膜
導体の進歩と技術（Progress in and Technology of Lo
w Cost Silver Containing Thick Film Conductors）」
なる標題で、セラミック基板上の微小回路及びハイブリ
ッド回路における劣化は、銀／パラジウム厚膜の場合に
は、従来の錫／鉛ハンダに代えて錫95％／銀５％のハン
ダを用いると減らせる旨を報告した。しかしながら、こ
のハンダは特に高い融点を有するので、接合形成時にそ
の中の錫成分が厚膜から銀を溶かし出す傾向がある。従
って、この方法は、その文献の銀／パラジウム厚膜より
もかなり安価な銀を主体とする厚膜のハンダ付けには有
用でないだろう。
更に最近の文献では、ISHM′89のプロシーディング
（ISHM,1989,pp.211-219）でニーデス（C.R.S.Needes）
及びブラウン（J.P.Brown）は、「ハンダ付けした厚膜
の銀含有導体の熱サイクル時の接着強度（The Thermal
Cycled Adhes ion Strength of Soldered Thick Silver
-Bearing Conductors）」なる標題で、「銀導体では、S
n10/Pb88/Ag2［のハンダ］を用いて最良の［熱的］結果
が得られた」と結論している（第215頁）。このISHM文
献の第215項の図VIIは、アルミナ基板上の銀の厚膜では
錫10％、鉛88％及び銀２％を含むハンダは、錫96％及び
銀４％のハンダと比べて熱サイクル時の接着強度が卓越
していることの証明を明らかに示している。Sn96/Ag4の
ハンダは200回よりも少ない熱サイクルで著しい劣化を
示し始めるが、これに対してSn10/Pb88/Ag2のハンダを
用いて形成したハンダ接合はおよそ500-600回の熱サイ
クルでも著しい劣化を示さないのである。前記の両文献
を引用する。
（ISHM,1989,pp.211-219）でニーデス（C.R.S.Needes）
及びブラウン（J.P.Brown）は、「ハンダ付けした厚膜
の銀含有導体の熱サイクル時の接着強度（The Thermal
Cycled Adhes ion Strength of Soldered Thick Silver
-Bearing Conductors）」なる標題で、「銀導体では、S
n10/Pb88/Ag2［のハンダ］を用いて最良の［熱的］結果
が得られた」と結論している（第215頁）。このISHM文
献の第215項の図VIIは、アルミナ基板上の銀の厚膜では
錫10％、鉛88％及び銀２％を含むハンダは、錫96％及び
銀４％のハンダと比べて熱サイクル時の接着強度が卓越
していることの証明を明らかに示している。Sn96/Ag4の
ハンダは200回よりも少ない熱サイクルで著しい劣化を
示し始めるが、これに対してSn10/Pb88/Ag2のハンダを
用いて形成したハンダ接合はおよそ500-600回の熱サイ
クルでも著しい劣化を示さないのである。前記の両文献
を引用する。
すなわち、この分野の文献は、優勢比率の錫を含有す
る錫／銀ハンダを光電池の銀又は銀合金の厚膜接触部又
はハンダパッド上に使用することは教示していない。こ
の問題は、錫／銀ハンダが銀を「浸出」又は「掃去（sc
avenging）」する傾向を有すること、すなわち高温では
銀の厚膜を溶融ハンダ中に溶かすことに少なくとも一部
起因すると上記の文献は示唆している。銀が比較的高価
なことと技術的な考慮から、高比率の銀を含んだ銀の厚
膜やハンダを用いて浸出問題を解決する試みは非実際的
乃至非経済的である。前述のように、銀／パラジウムの
厚膜は銀単独の使用よりも高価である。更には、前記の
ニーデス及びブラウンの文献が推奨する錫／鉛／銀ハン
ダの有用性も鉛の毒性により制限される。
る錫／銀ハンダを光電池の銀又は銀合金の厚膜接触部又
はハンダパッド上に使用することは教示していない。こ
の問題は、錫／銀ハンダが銀を「浸出」又は「掃去（sc
avenging）」する傾向を有すること、すなわち高温では
銀の厚膜を溶融ハンダ中に溶かすことに少なくとも一部
起因すると上記の文献は示唆している。銀が比較的高価
なことと技術的な考慮から、高比率の銀を含んだ銀の厚
膜やハンダを用いて浸出問題を解決する試みは非実際的
乃至非経済的である。前述のように、銀／パラジウムの
厚膜は銀単独の使用よりも高価である。更には、前記の
ニーデス及びブラウンの文献が推奨する錫／鉛／銀ハン
ダの有用性も鉛の毒性により制限される。
この分野の文献は、熱不安定性の問題が錫と銀との金
属間化合物の形成に少なくとも一部起因するとも示唆し
ている。この金属間化合物は脆くて弱いことが知られて
いるからである。この金属間化合物は、ハンダが溶融し
ている間だけでなく、ハンダが高温状態にある時には何
時でも生成する可能性がある。この金属間化合物は、室
温でも徐々にではあるが幾分か生成する。この金属間化
合物は、ガラスと金属表面相を経て拡散するハンダの錫
に基づくものであると示唆されている。この金属間化合
物は脆いので、その金属化は低い応力水準でもうまくゆ
かない。
属間化合物の形成に少なくとも一部起因するとも示唆し
ている。この金属間化合物は脆くて弱いことが知られて
いるからである。この金属間化合物は、ハンダが溶融し
ている間だけでなく、ハンダが高温状態にある時には何
時でも生成する可能性がある。この金属間化合物は、室
温でも徐々にではあるが幾分か生成する。この金属間化
合物は、ガラスと金属表面相を経て拡散するハンダの錫
に基づくものであると示唆されている。この金属間化合
物は脆いので、その金属化は低い応力水準でもうまくゆ
かない。
勿論、銀掃去と金属間化合物との両機構が熱不安定性
の問題に関与している可能性はある。そうなると、両機
構の一方に対する解決が他方の問題を悪化させるので、
この問題に対する解決の見通しは益々困難になる。
の問題に関与している可能性はある。そうなると、両機
構の一方に対する解決が他方の問題を悪化させるので、
この問題に対する解決の見通しは益々困難になる。
例えば、一研究者は錫含有量の高いハンダ、例えば錫
96％／銀４％のハンダを用いて金属間化合物の形成問題
を減らす旨を報告した。Sn96/Ag4のハンダは、錫62％、
鉛36％及び銀２％から構成されるハンダよりも融点がか
なり高く、その結果錫をより強くハンダに接合し、その
ため拡散が減少すると説明した。他方、前記のニーデス
及びブラウンの文献に報告されたデータは、Sn96/Ag4の
ハンダが高錫含量で高融点であることは、銀の掃去機構
に基づくハンダ接合の熱劣化を増大させると示唆してい
る。従って、先行技術は、銀を金属化した光電池にハン
ダ接合する際の熱エージング問題に明快な解決を与えて
はいない。
96％／銀４％のハンダを用いて金属間化合物の形成問題
を減らす旨を報告した。Sn96/Ag4のハンダは、錫62％、
鉛36％及び銀２％から構成されるハンダよりも融点がか
なり高く、その結果錫をより強くハンダに接合し、その
ため拡散が減少すると説明した。他方、前記のニーデス
及びブラウンの文献に報告されたデータは、Sn96/Ag4の
ハンダが高錫含量で高融点であることは、銀の掃去機構
に基づくハンダ接合の熱劣化を増大させると示唆してい
る。従って、先行技術は、銀を金属化した光電池にハン
ダ接合する際の熱エージング問題に明快な解決を与えて
はいない。
本発明は、先行技術の上記及びその他の欠点を克服す
るものである。
るものである。
発明の目的 本発明の主目的は、熱エージング特性の秀れた光電池
を提供することである。
を提供することである。
本発明の一目的は、錫／銀ハンダを用いて電気接続さ
れ且つ熱劣化に対して秀れた抵抗を示すような銀厚膜を
有する光電池を提供することである。
れ且つ熱劣化に対して秀れた抵抗を示すような銀厚膜を
有する光電池を提供することである。
本発明の更なる目的は、厚膜−基板接合を劣化させず
に、錫／銀ハンダを用いて光電池の銀厚膜接触部をハン
ダ付けする方法を提供することである。
に、錫／銀ハンダを用いて光電池の銀厚膜接触部をハン
ダ付けする方法を提供することである。
本発明の尚別の目的は、太陽エネルギーからの電力生
産に特に適用される相互接続された光電池の経済的かつ
高性能のバンクを提供することである。
産に特に適用される相互接続された光電池の経済的かつ
高性能のバンクを提供することである。
本発明の上記及びその他の目的並びに利点は以下の説
明から明らかになるであろう。
明から明らかになるであろう。
発明の詳細な説明 銀若しくは銀合金の厚膜電極又はハンダパッド被覆を
有する光電池は、錫／銀ハンダを用いて驚くほど秀れた
熱エージング特性をもたらすように相互接続可能である
と知見されたのである。本発明に有用なハンダは、相溶
性の揮発性フラックスを含んだハンダペーストの形で銀
厚膜に塗付される、およそ錫96％／銀４％乃至およそ錫
98％／銀２％の範囲の錫と銀とを組み合わせたものであ
る。
有する光電池は、錫／銀ハンダを用いて驚くほど秀れた
熱エージング特性をもたらすように相互接続可能である
と知見されたのである。本発明に有用なハンダは、相溶
性の揮発性フラックスを含んだハンダペーストの形で銀
厚膜に塗付される、およそ錫96％／銀４％乃至およそ錫
98％／銀２％の範囲の錫と銀とを組み合わせたものであ
る。
比較的多量の錫と比較的少量の銀を含むハンダペース
トは当該技術分野では周知であり、何社かの製造業者か
ら商業入手可能である。例えば、「錫96/銀４ザーシン
（Xersin）2005」は、米国ニューヨーク州ウェストバリ
ーに米国事務所を有するマルチコア社（Multicore Cor
p.）の製造になる、およそ錫96％及び銀４％を合成フラ
ックス中に含むハンダペーストである。一般に、本発明
と組み合わせて有用なハンダペーストは、予め合金化さ
れたハンダ粉末とフラックスとの均一安定な混合物であ
る。このハンダペーストは、普通、ハンダ粉末の沈降を
防止するための特別のフラックス又はゲル化性添加剤を
含有している。
トは当該技術分野では周知であり、何社かの製造業者か
ら商業入手可能である。例えば、「錫96/銀４ザーシン
（Xersin）2005」は、米国ニューヨーク州ウェストバリ
ーに米国事務所を有するマルチコア社（Multicore Cor
p.）の製造になる、およそ錫96％及び銀４％を合成フラ
ックス中に含むハンダペーストである。一般に、本発明
と組み合わせて有用なハンダペーストは、予め合金化さ
れたハンダ粉末とフラックスとの均一安定な混合物であ
る。このハンダペーストは、普通、ハンダ粉末の沈降を
防止するための特別のフラックス又はゲル化性添加剤を
含有している。
本発明の実施に用いられるハンダペーストはクリーム
状、ペースト状の稠度を有し、ハンダ合金、フラック
ス、粒子形状、粒径、フラックス含量及び粘度を広範に
組み合わせて使用に供することができる。この分野の文
献は、このようなハンダペーストが表面搭載デバイスを
ハイブリッド回路や印刷回路盤にハンダ付けする用途に
益々使用されつつあると指摘している。マルチコア社の
「ハンダクリーム（Solder Cream）」なる標題の製品説
明書は、一連のハンダペースト製品の説明書であるが、
Sn96.3/Ag3.7のハンダペーストは高融点の鉛非含有接合
を必要とする特定用途向けのものであるとしている。し
かしながら、この説明書には、このハンダペーストが銀
若しくは銀合金の厚膜の形態にある光電池の接触部又は
ハンダパッドに導体を接続する点に特別の効用があると
の認識は認められない。
状、ペースト状の稠度を有し、ハンダ合金、フラック
ス、粒子形状、粒径、フラックス含量及び粘度を広範に
組み合わせて使用に供することができる。この分野の文
献は、このようなハンダペーストが表面搭載デバイスを
ハイブリッド回路や印刷回路盤にハンダ付けする用途に
益々使用されつつあると指摘している。マルチコア社の
「ハンダクリーム（Solder Cream）」なる標題の製品説
明書は、一連のハンダペースト製品の説明書であるが、
Sn96.3/Ag3.7のハンダペーストは高融点の鉛非含有接合
を必要とする特定用途向けのものであるとしている。し
かしながら、この説明書には、このハンダペーストが銀
若しくは銀合金の厚膜の形態にある光電池の接触部又は
ハンダパッドに導体を接続する点に特別の効用があると
の認識は認められない。
この分野の文献は、このハンダペーストに相溶性があ
って、ハンダペーストを懸濁状態に保つように設計され
た各種の天然及び合成のフラックスについても認識して
いる。例えば、上で引用したマルチコア社の製品説明書
は、そのハンダペーストの配合に使用可能な11種のフラ
ックスを表記している。マルチコア社の製品説明書が極
めて高信頼性の用途向けに推奨している「ザーシン（Xe
rsin）2005」なる商品名の合成フラックス並びに軍事的
及び専門的エレクトロニクス用途に推奨される中間活性
ロジンフラックス（RMA）は、本発明に従って使用する
と卓越した熱エージング特性を示すことが見出された。
ザーシン（Xersin）は接合後に腐食性の残渣を残さない
利点を有するが、96％Snハンダを銀に対して特に良く濡
らすものではない。他方、マルチコア社の製品説明書
は、RMAフラックスは秀れて濡れを促進するが、電池上
に残存するある種のイオン性成分を含むと指摘してい
る。しかしながら、フラックスの選択は本発明に重要と
は考えられない。これまで知られた天然又は合成のフラ
ックスで錫／銀ハンダペーストに相溶するものは、全て
本発明の範囲に属するのである。
って、ハンダペーストを懸濁状態に保つように設計され
た各種の天然及び合成のフラックスについても認識して
いる。例えば、上で引用したマルチコア社の製品説明書
は、そのハンダペーストの配合に使用可能な11種のフラ
ックスを表記している。マルチコア社の製品説明書が極
めて高信頼性の用途向けに推奨している「ザーシン（Xe
rsin）2005」なる商品名の合成フラックス並びに軍事的
及び専門的エレクトロニクス用途に推奨される中間活性
ロジンフラックス（RMA）は、本発明に従って使用する
と卓越した熱エージング特性を示すことが見出された。
ザーシン（Xersin）は接合後に腐食性の残渣を残さない
利点を有するが、96％Snハンダを銀に対して特に良く濡
らすものではない。他方、マルチコア社の製品説明書
は、RMAフラックスは秀れて濡れを促進するが、電池上
に残存するある種のイオン性成分を含むと指摘してい
る。しかしながら、フラックスの選択は本発明に重要と
は考えられない。これまで知られた天然又は合成のフラ
ックスで錫／銀ハンダペーストに相溶するものは、全て
本発明の範囲に属するのである。
本発明を更によく理解できるよう、以下に実施例を提
示する。これらの実施例は本発明の代表的実施態様に過
ぎず、本発明の分野又は範囲を限定すると解されてはな
らない。
示する。これらの実施例は本発明の代表的実施態様に過
ぎず、本発明の分野又は範囲を限定すると解されてはな
らない。
実施例１ アルミニウム層がシリコン基板を覆った背面接触部を
有し、そのアルミニウム層に窓があって、その窓に下部
のシリコンと直接接触する銀／ガラスハンダパッドを充
填した光電池を準備した。この太陽電池は、その前面上
に窒化ケイ素の反射防止（AR）被覆を有し、かつ、銀／
ガラス組成物がAR被覆に浸透し前面に融着して前面とオ
ーム接触する前面の格子状接触部を有した。銀ハンダパ
ッドと前面の格子状銀接触部は厚み約17-20ミクロンの
厚膜であった。各電池の銀の前面格子接触部と銀の背面
ハンダパッドとをマルチコア製の「96錫/4銀ザーシン20
05」ハンダペーストを用いて他の同様な電池の銅リボン
で電気接続してマルチセルモジュールを形成した。ペー
ストディスペンサとしてシリンジを用いて、このハンダ
ペーストを周囲温度すなわち25℃で各銀厚膜上に沈着さ
せた。商業生産では、このハンダペーストを自動ディス
ペンサ、例えばカメロットシステムズ社（Camelot syst
ems,Inc.米国マサチューセッツ州ハーバーヒル）製の
「CAM/ALOT」分与システムを用いて電池上に機械的に沈
着させることに留意されたい。ハンダ付けを行うため、
次にそのペーストをその場所で抵抗加熱電極又は熱風ジ
ェットを用いて加熱した。加熱過程で、「ザーシン200
5」フラックス（主に四安息香酸ペンタエリトリット
（「ペントエート（pentoate）」であると思われる）は
追い出されて、ハンダの金属成分が銀膜及び銅導体に融
着した。以上のようにして調製したマルチセルモジュー
ルを以下の比較試験に使用した。
有し、そのアルミニウム層に窓があって、その窓に下部
のシリコンと直接接触する銀／ガラスハンダパッドを充
填した光電池を準備した。この太陽電池は、その前面上
に窒化ケイ素の反射防止（AR）被覆を有し、かつ、銀／
ガラス組成物がAR被覆に浸透し前面に融着して前面とオ
ーム接触する前面の格子状接触部を有した。銀ハンダパ
ッドと前面の格子状銀接触部は厚み約17-20ミクロンの
厚膜であった。各電池の銀の前面格子接触部と銀の背面
ハンダパッドとをマルチコア製の「96錫/4銀ザーシン20
05」ハンダペーストを用いて他の同様な電池の銅リボン
で電気接続してマルチセルモジュールを形成した。ペー
ストディスペンサとしてシリンジを用いて、このハンダ
ペーストを周囲温度すなわち25℃で各銀厚膜上に沈着さ
せた。商業生産では、このハンダペーストを自動ディス
ペンサ、例えばカメロットシステムズ社（Camelot syst
ems,Inc.米国マサチューセッツ州ハーバーヒル）製の
「CAM/ALOT」分与システムを用いて電池上に機械的に沈
着させることに留意されたい。ハンダ付けを行うため、
次にそのペーストをその場所で抵抗加熱電極又は熱風ジ
ェットを用いて加熱した。加熱過程で、「ザーシン200
5」フラックス（主に四安息香酸ペンタエリトリット
（「ペントエート（pentoate）」であると思われる）は
追い出されて、ハンダの金属成分が銀膜及び銅導体に融
着した。以上のようにして調製したマルチセルモジュー
ルを以下の比較試験に使用した。
実施例２ 実施例１に記載のように調製した銀厚膜の光電池を含
むモジュールを、従来の浸漬ハンダ付け技術とおよそ錫
96％／銀４％を含むハンダ浴を用いて調製した同様なモ
ジュールと比較した。本発明に従って調製したモジュー
ル（実施例１）の電池接触点における初期接合強度の平
均値は763グラム（1.68ポンド）であったのに対し、浸
漬ハンダ付け法で調製されたモジュールの平均接合強度
は218グラム（0.48ポンド）に過ぎなかった。本実施例
は、エージングすなわち熱的追加応力を受ける前でも、
本発明に従って調製された光電池モジュールの電気接触
点における強度が、従来の浸漬ハンダ付け法により塗付
した同じ一般用ハンダ組成物を用いて調製されたモジュ
ールのそれよりも卓越することを示した。
むモジュールを、従来の浸漬ハンダ付け技術とおよそ錫
96％／銀４％を含むハンダ浴を用いて調製した同様なモ
ジュールと比較した。本発明に従って調製したモジュー
ル（実施例１）の電池接触点における初期接合強度の平
均値は763グラム（1.68ポンド）であったのに対し、浸
漬ハンダ付け法で調製されたモジュールの平均接合強度
は218グラム（0.48ポンド）に過ぎなかった。本実施例
は、エージングすなわち熱的追加応力を受ける前でも、
本発明に従って調製された光電池モジュールの電気接触
点における強度が、従来の浸漬ハンダ付け法により塗付
した同じ一般用ハンダ組成物を用いて調製されたモジュ
ールのそれよりも卓越することを示した。
実施例３ 本実施例では、実施例１に記載の方法で調製したモジ
ュールの経時的安定性及び高温下での安定性を、（ａ）
従来の浸漬技術及び（ｂ）数個の電池を相互接続してモ
ジュールを作り上げるため、およそ錫96％／銀４％を含
むハンダ浴とを用いて調製した同様のモジュールのそれ
と比較した。実施例１に従って調製したモジュールの試
験結果は、150℃で45分後も電池接触点におけるハンダ
結合の劣化を実質的には示さなかった。
ュールの経時的安定性及び高温下での安定性を、（ａ）
従来の浸漬技術及び（ｂ）数個の電池を相互接続してモ
ジュールを作り上げるため、およそ錫96％／銀４％を含
むハンダ浴とを用いて調製した同様のモジュールのそれ
と比較した。実施例１に従って調製したモジュールの試
験結果は、150℃で45分後も電池接触点におけるハンダ
結合の劣化を実質的には示さなかった。
この結果に勇気づけられて、実施例１に従って調製し
たモジュールの試験を150℃で63時間まで延長した。温
度が10℃上昇する毎に劣化速度は２倍になるという標準
的（かつ、極めて単純な）仮定が正しいとすると、この
試験は予定操作条件下での30年に相当する。この試験で
も、試験終期近くまで著しい劣化は認められなかった。
この試験の終期には、100％の接合が114グラム（0.25ポ
ンド）以上であり、平均値は318グラム（0.70ポンド）
であった。試験時間を倍の135時間まで延長しても、89
％の接合が初期剥離強度に関する本発明者等の基準に合
格した。
たモジュールの試験を150℃で63時間まで延長した。温
度が10℃上昇する毎に劣化速度は２倍になるという標準
的（かつ、極めて単純な）仮定が正しいとすると、この
試験は予定操作条件下での30年に相当する。この試験で
も、試験終期近くまで著しい劣化は認められなかった。
この試験の終期には、100％の接合が114グラム（0.25ポ
ンド）以上であり、平均値は318グラム（0.70ポンド）
であった。試験時間を倍の135時間まで延長しても、89
％の接合が初期剥離強度に関する本発明者等の基準に合
格した。
これとは対照的に、従来の浸漬ハンダ付け技術と錫96
％／銀４％のハンダ浴を用いて調製したモジュールに同
じ試験を施すと、試験開始時の接合降伏は安定であった
が、150℃で16時間後には僅か３％に低下した。本実施
例は、本発明に従って調製した光電池モジュールの熱安
定性が、先行技術モジュールのそれと比較して、驚異的
かつ全く予期されぬほど秀れていることを示すものであ
る。
％／銀４％のハンダ浴を用いて調製したモジュールに同
じ試験を施すと、試験開始時の接合降伏は安定であった
が、150℃で16時間後には僅か３％に低下した。本実施
例は、本発明に従って調製した光電池モジュールの熱安
定性が、先行技術モジュールのそれと比較して、驚異的
かつ全く予期されぬほど秀れていることを示すものであ
る。
上記並びにその他の試験に基づき、本発明者等は、本
発明のハンダペースト組成物を用いて調製される光電池
モジュールが、従来の浸漬ハンダ付け技術とおよそ錫96
％／銀４％を含むハンダ浴とを用いて調製されるモジュ
ールよりも、約150℃の温度における接合強度は200倍も
長いと結論する。
発明のハンダペースト組成物を用いて調製される光電池
モジュールが、従来の浸漬ハンダ付け技術とおよそ錫96
％／銀４％を含むハンダ浴とを用いて調製されるモジュ
ールよりも、約150℃の温度における接合強度は200倍も
長いと結論する。
本発明者等は、本用途において接合強度を最良に維持
する組成物の範囲を探求し、それが比較的狭いことを見
出した。この観察に基づき、本発明者等は錫96％／銀４
％乃至錫98％／銀２％のハンダ組成の場合に最適性能が
得られると考える。
する組成物の範囲を探求し、それが比較的狭いことを見
出した。この観察に基づき、本発明者等は錫96％／銀４
％乃至錫98％／銀２％のハンダ組成の場合に最適性能が
得られると考える。
本明細書で使用される「銀接触部」なる語は、太陽電
池の背面及び前面上にある全電極並びに接触部のハンダ
パッドとして機能する別種金属製の部材を意味し且つ包
含するものである。従って、例えば「銀接触部」なる語
は、銀／ガラスフリットの格子状前面接触部及び背面の
アルミニウム製太陽電池接触部の窓に関係して、それを
満たす銀ハンダパッドを包含する。また、「銀膜」及び
「銀被覆」なる語は、全く若しくは主として銀から構成
される膜又は被覆を意味し、銀90-100重量％及びアルミ
ニウム及び／又はニッケル0-10重量％の組成を特徴とす
る膜を包含すると解されなくてはならない。
池の背面及び前面上にある全電極並びに接触部のハンダ
パッドとして機能する別種金属製の部材を意味し且つ包
含するものである。従って、例えば「銀接触部」なる語
は、銀／ガラスフリットの格子状前面接触部及び背面の
アルミニウム製太陽電池接触部の窓に関係して、それを
満たす銀ハンダパッドを包含する。また、「銀膜」及び
「銀被覆」なる語は、全く若しくは主として銀から構成
される膜又は被覆を意味し、銀90-100重量％及びアルミ
ニウム及び／又はニッケル0-10重量％の組成を特徴とす
る膜を包含すると解されなくてはならない。
本発明に関する以上の記載は単なる説明用であって、
当業者には本発明の精神から逸脱しないようなその他の
実施態様及び変更は明らかであろう。
当業者には本発明の精神から逸脱しないようなその他の
実施態様及び変更は明らかであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボーレンスタイン，ジェフリー・ティー アメリカ合衆国マサチューセッツ州 01803，バーリントン，アーボリータ ム・ウェイ 231 (72)発明者 ダウスカス，マイケル・ジェイ アメリカ合衆国マサチューセッツ州 01821，ビレリカ，カレン・サークル ３，ユニット 16 (56)参考文献 特開 昭59−177975（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112384（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−6867（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−157991（ＪＰ，Ａ)
Claims (13)
- 【請求項１】前面及び背面を有するシリコン基板と前記
の前面及び背面上の電気伝導性厚膜銀接触部とを含む光
電池、ワイヤ手段並びに前記ワイヤ手段を前記の銀接触
部の一以上に接合するおよそ錫96％／銀４％乃至およそ
錫98％／銀２％を含有する錫と銀とのハンダを組み合わ
せてなる装置。 - 【請求項２】前記ハンダが、前記ワイヤ手段を前記の一
以上の銀接触部に接合するため使用する際には相溶性の
フラックスを含むペーストの形態にある請求の範囲第１
項に記載の装置。 - 【請求項３】シリコン基板、銀を含む一以上の電気接触
部及びおよそ錫96％／銀４％乃至およそ錫98％／銀２％
を含むハンダペーストで前記接触部に接合されるワイヤ
を包含する光電池。 - 【請求項４】前記の銀接触部がガラスフリットを含有す
る請求の範囲第３項に記載の光電池。 - 【請求項５】前記ハンダが、前記ワイヤを前記の電気接
触部に接合するため使用する際にはフラックスを含むペ
ーストの形態にある請求の範囲第３項に記載の光電池。 - 【請求項６】ワイヤ手段と接触点との接合に錫と銀との
ハンダペーストを使用することを特徴とする電池上の厚
膜銀接触部に接合されるワイヤ手段により電気接続され
る複数のシリコン光電池。 - 【請求項７】前記のハンダペーストがおよそ錫96％／銀
４％乃至およそ錫98％／銀２％を含有する請求の範囲第
６項に記載の電池。 - 【請求項８】（ａ）シリコン基板の一部を銀の多い膜で
被覆して一以上の電気接触部を形成すること； （ｂ）前記の一以上の電気接触部に周囲温度で錫と銀と
のハンダペーストを塗付すること； （ｃ）前記ハンダペーストを電気接触ワイヤと接触させ
ること；及び （ｄ）前記ハンダペーストの錫成分と銀成分が前記ワイ
ヤと前記の電気接触点との間に接合を形成するために十
分な温度及び時間で前記ハンダペーストを加熱するこ
と； により調製されるシリコン光電池。 - 【請求項９】前記のハンダペーストが、およそ錫96％／
銀４％乃至およそ錫98％／銀２％を含有する請求の範囲
第８項に記載の装置。 - 【請求項１０】前記のハンダペーストが相溶性フラック
スを更に含有する請求の範囲第９項に記載の装置。 - 【請求項１１】熱安定性の改善されたシリコン光電池を
調製する方法であって、 （ａ）前記電池のシリコン基板の少なくとも一面を銀膜
で被覆して、各基板上に一以上の銀含有電気接触部を形
成すること； （ｂ）前記の一以上の銀含有電気接触部に周囲温度で錫
と銀のハンダペーストを塗付すること；及び （ｃ）前記のハンダペーストを前記の一以上の銀含有電
気接触部で電気伝導性ワイヤと物理的に接触させ、その
間に前記ハンダを加熱して前記ペーストの錫成分及び銀
成分を前記ワイヤと前記の電気接触部との間に接合する
こと； を特徴とする方法。 - 【請求項１２】前記のハンダペーストが、およそ錫96％
／銀４％乃至およそ錫98％／銀２％を含有する請求の範
囲第11項に記載の方法。 - 【請求項１３】前記のハンダペーストが、相溶性フラッ
クスを更に含有する請求の範囲第12項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/587,242 US5074920A (en) | 1990-09-24 | 1990-09-24 | Photovoltaic cells with improved thermal stability |
| US587,242 | 1990-09-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05502552A JPH05502552A (ja) | 1993-04-28 |
| JP2735385B2 true JP2735385B2 (ja) | 1998-04-02 |
Family
ID=24348984
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3513770A Expired - Fee Related JP2735385B2 (ja) | 1990-09-24 | 1991-08-09 | 熱安定性を改善した光電池 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5074920A (ja) |
| EP (1) | EP0503015B1 (ja) |
| JP (1) | JP2735385B2 (ja) |
| KR (1) | KR970007133B1 (ja) |
| AU (1) | AU640522B2 (ja) |
| CA (1) | CA2067779A1 (ja) |
| DE (1) | DE69132654T2 (ja) |
| WO (1) | WO1992005589A1 (ja) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5178685A (en) * | 1991-06-11 | 1993-01-12 | Mobil Solar Energy Corporation | Method for forming solar cell contacts and interconnecting solar cells |
| US5428249A (en) | 1992-07-15 | 1995-06-27 | Canon Kabushiki Kaisha | Photovoltaic device with improved collector electrode |
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