JP5073386B2

JP5073386B2 - 太陽電池用電極線材、その基材および基材の製造方法

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Publication number: JP5073386B2
Application number: JP2007177137A
Authority: JP
Inventors: 和弘塩見; 雅昭石尾
Original assignee: Neomax Materials Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Neomaterial Ltd
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: JP2009016593A

Description

本発明は、太陽電池の接続用リード線として用いられる電極線材およびその基材に関する。

太陽電池は、ＰＮ接合を有するシリコン半導体で形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面に線状に設けられた複数の表面電極に交叉するように設けられたはんだ帯にはんだ付けされた接続用リード線を備えている。通常、所望の起電力を得るために複数の太陽電池を直列に接続して使用される。直列接続は一つの太陽電池の表面電極に接続用リード線の一方の表面（下面）をはんだ付けし、他方の表面（上面）を隣接する太陽電池の、比較的大きな領域の裏面電極にはんだ付けすることによってなされる。

従来、前記接続用リード線の素材となる電極線材は、タフピッチ銅で形成された丸形断面の銅線が圧延されて平坦状に潰された潰し銅線を基材とし、その表面に溶融はんだめっき層が積層形成されたものが用いられていた。しかし、近年、基板の薄肉化に伴って、前記電極線材を基板にろう付けする際、基板にクラックが入るという問題があった。これは電極線材の基材を形成する銅の熱膨張率が半導体基板に比して大きく、ろう付け後の冷却収縮の際に電極線材の収縮が基板によって拘束され、その反作用として基板に応力を生じさせるからである。

このような問題を解消するため、国際公開ＷＯ２００５／１１４７５１号公報（特許文献１）に記載されているように、本発明者らは、耐力を１９．６〜８５ＭＰａに低下させた純銅などで形成した基材に溶融はんだめっきを施した太陽電池用電極線材を提案した。かかる電極線材によれば、ろう付け後の冷却収縮時に電極線材の基材が自ら塑性変形し、基板による拘束が軽減されるので、基板に生じる応力も軽減され、基板の割損を防止することができる。
国際公開ＷＯ２００５／１１４７５１号公報

従来、板厚の薄い半導体基板としては、板厚が２００〜２５０μm 程度のものが用いられてきた。しかし、近年、コスト低減のため、基板の厚さがますます薄肉化する傾向にあり、特に、最近では原材料の高騰に伴い、この傾向が一層顕著になっている。

このため、上記特許文献１において提案した電極線材でも半導体基板に対する十分な耐割損性を有しているとはいえず、より一層の塑性変形能が求められている。本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、従来の電極線材よりも優れた塑性変形能を備えた太陽電池用電極線材、その基材、基材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、純銅板を種々の圧下率で圧延し、圧延方向に沿って線状に切断した後、軟化焼鈍して基材を製造したところ、圧延条件によっては基材の耐力が著しく低下することを知見した。そして、基材の圧延方向に対する結晶方位をＸ線回折法により調べたところ、＜１００＞、＜１１４＞、＜１１２＞が支配的であり、さらに低耐力の基材では＜１１４＞、＜１１２＞がより支配的であることを見出した。本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。

本発明の第１形態に係る基材は、基材の表面に溶融はんだめっきが施された太陽電池用電極線材のめっき前の基材であって、前記基材は、Ｃｕを９９．９０mass％以上含む純銅の圧延材で形成され、圧延方向の結晶方位＜１００＞、＜１１４＞、＜１１２＞のＸ線回折によるピーク強度をそれぞれＰ＜１００＞、Ｐ＜１１４＞、Ｐ＜１１２＞と表すとき、下記式に示す＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位のピーク強度比ＰＲ（％）が５０〜９０％とされたものである。
PR（％）＝(P<114>＋P<112>)・100／(P<100>＋P<114>＋P<112>)

本発明の基材によれば、圧延方向に対する＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位のピーク強度比ＰＲ（％）が５０〜９０％であるので、圧延方向の耐力が１５ＭＰａ程度以下に低下させることができる。このため、圧延方向に塑性変形し易くなり、この基材に溶融はんだめっきを施した電極線材を用いることにより、はんだ付け後の冷却収縮の際に半導体基板に収縮が拘束されても、基材が容易に塑性変形するため半導体基板に対する耐割損性に優れる。

上記基材を形成する純銅は、不純物であるＯ、ＰをＯ：０〜５００ｐｐｍ、Ｐ：０〜１５０ｐｐｍに規制することが好ましい。純銅に含まれる不純物としては、Ｏ、Ｐのほか、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓ、Ｆｅなどが含まれるが、Ｏ、Ｐは微量で塑性変形能が低下するため、これらを上記範囲に規制することにより、前記結晶方位の制御と相まって容易に基材の低耐力化を図ることができる。

前記基材は、長さ方向に沿って溶融はんだ収容用凹部を形成することが好ましい。前記溶融はんだ収容用凹部を設けることで、前記凹部に供給された溶融はんだが凝固する際、溶融はんだの中央部は膨らみ難く、平坦状になりやすい。このため、この基材に溶融はんだめっきを施した電極線材は、平坦化した溶融はんだ層を半導体基板にはんだ付けすることにより、はんだ付け性が向上する。

また、本発明の太陽電池用電極線材は、上記基材と、この基材の表面に積層形成された溶融はんだめっき層を備えたものである。上記基材の耐力が非常に低下したものであり、このため溶融はんだめっき後の電極線材も耐力が低下するため、本発明に係る太陽電池用電極線材によれば半導体基板に対する耐割損性を向上させることができる。

また、本発明の太陽電池用電極線材の基材の製造方法は、Ｃｕを９９．９０mass％以上含む純銅板に対して中間圧延および中間焼鈍を行い、その後、圧下率が５５〜９０％の最終圧延を行って板状中間材を得て、前記板状中間材を圧延方向に沿って線状に切断加工して線状中間材を得て、前記線状中間材に最終焼鈍を施す。前記純銅板は不純物であるＯ、ＰをＯ：０〜５００ｐｐｍ、Ｐ：０〜１５０ｐｐｍとすることが好ましい。なお、従来、銅の圧延材を焼鈍して軟化させるには、最終圧延の圧下率を９５％程度と高くして圧延し、焼鈍することが有効と考えられていた。

最終圧延の圧下率を５５〜９０％と低く設定することにより、焼鈍後の線状基材の圧延方向に対する＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位のピーク強度比ＰＲ（％）を５０〜９０％にすることができる。また、切断加工後の線状中間材に対して最終焼鈍を施すので、短時間の加熱で再結晶させることができ、上記特定結晶方位を有する基材を容易かつ効率的に製造することができる。

本発明の基材によれば、Ｃｕを９９．９０mass％以上含む純銅の圧延材で形成され、圧延方向に対する＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位のピーク強度比ＰＲ（％）を５０〜９０％とするので、導電性に優れ、しかも圧延方向の耐力を１５ＭＰａ程度以下に低下させることができ、優れた塑性変形能を備える。このため、この基材に溶融はんだめっきを施した電極線材は、半導体基板に対する耐割損性が優れたものとなり、従来より薄肉化した半導体基板の太陽電池に対する配線材として好適である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電極線材およびその基材について説明する。図１は、第１実施形態に係る電極線材１の横断面を示しており、Ｃｕを９９．９０mass％以上含む純銅で形成された方形断面を有する線状の基材２と、この基材２の外周面に積層形成された溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂを有している。なお、溶融はんだめっき層は図例では基材２の表面、裏面のみに積層されているが、実際には基材２の側面にも不可避的に形成される。図１および後述の図２において、基材側面の溶融はんだめっき層は記載省略されている。

前記純銅は、Ｃｕ含有量が９９．９０mass％以上のものを用いる。好ましくは９９．９５mass％以上、より好ましくは９９．９９mass％以上のものがよい。また、不純物としては、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓ、Ｆｅ、Ｏ、Ｐなどが含まれるが、特にＯ、Ｐは微量で塑性変形能が低下するため、Ｏ量は０〜５００ｐｐｍ、好ましくは０〜３００ｐｐｍ、より好ましくは０〜１００ｐｐｍとし、Ｐ量は０〜１５０ｐｐｍ、好ましくは０〜５０ｐｐｍに規制することが望ましい。タプピッッチ銅、無酸素銅（ＯＦＨＣ）、りん脱酸銅は上記成分を満足するため好適な素材である。

前記基材２は、圧延方向に対して＜１００＞、＜１１４＞、＜１１２＞の結晶方位のＸ線回折によるピーク強度をそれぞれＰ＜１００＞、Ｐ＜１１４＞、Ｐ＜１１２＞と表すとき、下記式に示す＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位のピーク強度比ＰＲ（％）が５０〜９０％とされる。
PR（％）＝(P<114>＋P<112>)・100／(P<100>＋P<114>＋P<112>)

従来、最終圧延を強圧下し、焼鈍した後の圧延材は圧延方向の結晶方位が＜１００＞に揃い易いが、本発明者の調査により、＜１００＞の結晶方位よりも＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位を主体とすることが塑性変形能の向上には有効であることが見出された。後述の実施例から明らかなように、前記ＰＲが５０％未満、９０％超では一旦低下した耐力が上昇するようになる。このため、本発明ではＰＲを５０〜９０％、好ましくは６５〜８５％とする。

前記溶融はんだめっき層３Ａ，３Ｂを形成するはんだ材としては、融点が１３０〜３００℃程度のＳｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−（０．５〜５mass％）Ａｇ合金、Ｓｎ−（０．５〜５mass％）Ａｇ−（０．３〜１．０mass％）Ｃｕ合金、Ｓｎ−（０．３〜１．０mass％）Ｃｕ合金、Ｓｎ−（１．０〜５．０mass％）Ａｇ−（５〜８mass％）Ｉｎ合金、Ｓｎ−（１．０〜５．０mass％）Ａｇ−（４０〜５０mass％）Ｂｉ合金、Ｓｎ−（４０〜５０mass％）Ｂｉ合金、Ｓｎ−（１．０〜５．０mass％）Ａｇ−（４０〜５０mass％）Ｂｉ−（５〜８mass％）Ｉｎ合金などが使用される。Ｐｂは人体に有害であり、自然環境を汚染するおそれがあるので、汚染防止の観点からはＰｂフリーのＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ合金などのはんだ材が好ましい。また、前記各はんだ材において、溶融はんだの酸化防止のため、５０〜２００ｐｐｍ程度のＰ、数〜数十ｐｐｍのＧａ、数〜数十ｐｐｍのＧｄ、数〜数十ｐｐｍのＧｅの内から１種または２種以上を添加することができる。

図２は第２実施形態にかかる電極線材１Ａを示しており、第１実施形態とはその横断面形状が異なるので、これを中心に説明し、同部材は同符号を付してその説明を省略する。電極線材１Ａの基材２Ａの横断面形状は、第１実施形態の基材が方形状であるのに対して、長さ方向に沿って一方の表面（図例では下面）の中央部が平坦状に凹んだ皿状断面をなしており、その凹み側が溶融はんだ収容用凹部６とされている。前記基材２Ａの材質、圧延方向の結晶方位については第１実施形態と同様である。

前記溶融はんだ収容用凹部６の深さは、最も深い部分で２０〜４０μm 程度とすればよく、またその開口幅は基材２Ａの横幅の９０％程度以上とすることが好ましい。開口幅の上限は特に制限はなく、下面全幅に渡って開口していてもよい。なお、溶融はんだ収容用凹部の断面形状は、上記皿形に限らず、全体が弧状に凹んだ弧状断面としてもよい。

かかる溶融はんだ収容用凹部６を有する基材２Ａでは、基材２Ａに溶融はんだめっきを施すと、表面張力の作用により表面がほぼ平坦状となった溶融はんだめっき層３Ｂが前記凹部６に形成される。この溶融はんだめっき層３Ｂは表面がほぼ平坦状であるため、良好なはんだ付け性が得られる。

次に、上記第１、第２実施形態にかかる基材、電極線材の製造方法について説明する。まず、所定純度の純銅で形成された、板厚数ミリ程度の板材（圧延板あるいは圧延焼鈍板）を準備し、これを中間圧延および中間焼鈍（軟化焼鈍）を所要回数繰り返し、その後、最終圧延を行って目標板厚の板状中間材を得る。前記目標板厚は基材の板厚となり、通常、８０〜３００μm 程度とされる。

前記板状中間材は、通常、０．８〜１５mm程度の幅になるように、圧延方向に沿ってスリットされ、長尺の線状中間材とされる。この線状中間材に最終焼鈍（軟化焼鈍）が施されて線状基材とされる。スリットの際にスリッターの回転刃の間隔や回転速度を調整することによって、線状中間材に前記皿状の溶融はんだ収容用凹部を容易に形成することができる。

前記中間圧延における圧下率は２０〜８０％程度でよく、特に限定されないが、最終圧延における圧下率は５５〜９０％、好ましくは６５〜８５％とされる。５５％未満、９０％超となると、圧延方向に対して＜１１４＞、＜１１２＞の結晶方位が優位な結晶構造を得ることが困難になり、塑性変形能が低下する。また、前記中間焼鈍、最終焼鈍における軟化焼鈍温度は８５０〜１０００℃程度とされ、保持時間は８５０〜９５０℃では３０〜６０sec 程度、９５０〜１０００℃では１０〜６０sec 程度とされる。

次に、最終焼鈍された線状基材は、溶融はんだめっきが施される。溶融はんだめっきは、溶融はんだめっき浴の下流側に大径の巻き取りドラムを設けておき、線状基材をめっき浴に通し、１０ＭＰａ程度の張力を掛けて引っ張りながら巻き取り、これによって線状基材を溶融はんだめっき浴に連続的に浸漬し、引き上げることによって行われる。めっき温度は、はんだ合金の融点より５０〜１００℃程度高い温度に調整される。溶融はんだめっきによって、線状基材の表面に溶融はんだめっき層が形成され、線状の電極線材とされる。溶融はんだ収容用凹部が形成された線状基材の場合、溶融はんだめっき浴に通すだけで、前記凹部側に平坦状の溶融はんだめっき層が形成される。

溶融はんだめっきの際、線状基材は引っ張られた状態となり、線状基材には歪みが導入される。このため、基材の耐力はめっき前に比して２倍程度上昇する。もっとも、めっき前の基材の耐力は１５ＭＰａ程度以下と非常に低いので、めっき後においても従来に比して十分低い値に収まる。なお、線状基材を所定長さに切断した後、この短尺基材に溶融はんだめっきを施して電極線材としてもよい。この場合、めっきの際に基材に張力が掛からないので、電極線材の耐力はより低下する。

以上のようにして、溶融はんだめっき層が積層された基材すなわち電極線材が製造され、所要の長さに切断したものが太陽電池の接続用リード線として用いられる。

上記実施形態に係る電極線材を接続用リード線として用いた太陽電池を図を参照して説明する。図３は、実施形態に係る電極線材１または１Ａを所定長さに切断した接続用リード線１３を備えた太陽電池を示している。この太陽電池は、ＰＮ接合を有するシリコン半導体で形成された半導体基板１１と、前記半導体基板１１の表面に線状に設けられた複数の表面電極１２にはんだ付けされた前記接続用リード線１３を備えている。前記半導体基板１１の裏面には、４０〜８０mm²程度の大形表面の裏面電極が複数個設けられている。

前記接続用リード線１３がはんだ付けされる前の半導体基板１１には、複数の線状表面電極１２に導通するように、これらの表面電極１２に直交して配置されたはんだ帯が形成されている。電極線材１の溶融はんだめっき層３Ａまたは３Ｂ、あるいは電極線材１Ａの溶融はんだ収容用凹部側の溶融はんだめっき層３Ｂを前記はんだ帯に当接するように接続用リード線１３を半導体基板１１に載置し、半導体基板１１のはんだ帯および接続用リード線１３の溶融はんだめっき層を共に溶融することによって前記接続用リード線１３は半導体基板１１の表面にはんだ付けされる。なお、裏面電極は比較的大きい露出領域（４０〜８０mm²程度）を有するため、表面電極へのはんだ付けに比べて、隣接する太陽電池の裏面電極へのはんだ付けは容易である。

この太陽電池によれば、前記電極線材からなる接続用リード線を半導体基板にはんだ付けする際、加熱後の冷却収縮により電極線材が半導体基板に拘束されても容易に塑性変形するため、半導体基板に生じる応力を緩和、軽減させることができる。このため、半導体基板にクラックが入り難く、しかも電極線材の基材は高純度の純銅であるため、導電性に優れ、良好な発電効率が得られる。

以下、本発明の電極線材およびその基材について実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。

純銅Ａ（無酸素銅、Ｃｕ：９９．９６％、Ｏ：５ｐｐｍ、Ｐ：０ｐｐｍ）あるいは純銅Ｂ（タフピッチ銅、Ｃｕ：９９．９２％、Ｏ：３００ｐｐｍ、Ｐ：０ｐｐｍ）の圧延焼鈍板（板厚３．０ｍｍ）を準備し、冷間での中間圧延、中間焼鈍（１０００℃×３０sec ）をそれぞれ１回施して板厚０．２〜２．０ｍｍの中間材を得て、表１に示す圧下率で冷間で最終圧延を行い、板厚０．１ｍｍの板状中間材を製作した。これを幅３ｍｍにスリットし、得られた複数の線状中間材を同表に示す条件でトンネル炉に通して最終焼鈍を施し、複数の線状基材を得た。複数の線状基材の内の一部は、溶融はんだめっき浴の下流側で１０ＭＰａ程度の張力を掛けて引っ張りながら溶融はんだめっき浴に通して溶融はんだめっきを行った。前記めっき浴は、はんだ組成がＳｎ−３．０mass％Ａｇ−０．５mass％Ｃｕ（融点：２１８℃）であり、浴温を３００℃とした。また、複数の線状基材の内の他の一部は、溶融はんだめっきと同様の浴温、通線条件でソルトバスに通して加熱した。

前記最終焼鈍後の線状基材を圧延方向に対して垂直に切断して観察片を採取し、Ｘ線回折法（シュルツの反射法）により圧延方向に垂直な面を反射面として、圧延方向の結晶方位＜１００＞、＜１１４＞、＜１１２＞のピーク強度を測定し、３方位の強度の合計を１００としたときの各方位の強度比（％）、並びに＜１１４＞および＜１１２＞方位のピーク強度比ＰＲ（％）を求めた。これらを表１に併せて示す。なお、使用したＸ線回折装置はＲＩＮＴ−２２００（ＲＩＧＡＫＵ製）であり、測定条件は以下のとおりである。
・測定条件
走査軸２θ／θ、測角範囲１０°〜９０°、発散スリット０．１５mm、散乱スリット４ｍｍ、受光スリット５mm

また、前記線状基材から長さ１５０ｍｍの引張試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に規定の方法により、長さ方向（圧延方向）に引っ張る引張試験を行い、めっき前の耐力を測定した。測定結果を表１に併せて示す。

さらに、ソルトバスに通した線状基材からその表面に付着したソルトを水洗により除去して、上記線状基材と同様に圧延方向の耐力を測定した。この耐力は、溶融はんだめっきした基材の耐力に相当するため、めっき後の基材の耐力とみなした。測定結果を表１に併せて示す。

表１より、発明例にかかる基材は、めっき前の耐力が１５ＭＰａ以下であるため、めっき後の耐力も３０ＭＰａ程度以下と低耐力に止まっており、従来の基材である試料No. １２，３２に比して、耐力が大幅に軽減されていることが確認された。

本発明の第１実施形態にかかる電極線材の横断面図である。本発明の第２実施形態にかかる電極線材の横断面図である。本発明の電極線材を用いた太陽電池の概略斜視図である。

符号の説明

１，１Ａ電極線材
２，２Ａ基材
３Ａ，３Ｂ溶融はんだめっき層
６溶融はんだ収容用凹部

Claims

基材の表面に溶融はんだめっきが施された太陽電池用電極線材のめっき前の基材であって、
前記基材はＣｕを９９．９０mass％以上含む純銅の圧延材で形成され、圧延方向の結晶方位＜１００＞、＜１１４＞、＜１１２＞のＸ線回折によるピーク強度をそれぞれＰ＜１００＞、Ｐ＜１１４＞、Ｐ＜１１２＞と表すとき、下記式に示す＜１１４＞および＜１１２＞の結晶方位のピーク強度比ＰＲ（％）が５０〜９０％である、太陽電池用電極線材の基材。
PR（％）＝(P<114>＋P<112>)・100／(P<100>＋P<114>＋P<112>)
前記純銅は、不純物であるＯ、ＰがＯ：０〜５００ｐｐｍ、Ｐ：０〜１５０ｐｐｍとされた、請求項１に記載した太陽電池用電極線材の基材。
前記基材は、長さ方向に沿って溶融はんだ収容用凹部が形成された、請求項１又は２に記載した太陽電池用電極線材の基材。
基材の表面に溶融はんだめっきが施された太陽電池用電極線材であって、前記基材として請求項１から３のいずれか１項に記載した基材が用いられた、太陽電池用電極線材。
Ｃｕを９９．９０mass％以上含む純銅板に対して中間圧延および中間焼鈍を行い、その後、圧下率が５５〜９０％の最終圧延を行って板状中間材を得て、前記板状中間材を圧延方向に沿って線状に切断加工して線状中間材を得て、前記線状中間材に最終焼鈍を施す、太陽電池用電極線材の基材の製造方法。
前記純銅は、不純物であるＯ、ＰがＯ：０〜５００ｐｐｍ、Ｐ：０〜１５０ｐｐｍとされた、請求項５に記載した、太陽電池用電極線材の基材の製造方法。