JP5397416B2

JP5397416B2 - 太陽電池用インターコネクタ及びその製造方法

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Publication number: JP5397416B2
Application number: JP2011119643A
Authority: JP
Inventors: 孝之小林; 圭一木村; 将元田中; 英児橋野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012248705A

Description

本発明は、太陽電池用インターコネクタに係わり、特に太陽電池のシリコンセルに接続されるインターコネクタに関するものである。

環境負荷の少ない発電方式として太陽のエネルギーを利用した太陽電池が注目され、様々な分野で広く使用されている。太陽電池モジュールはｐｎ接合されたシリコン等の半導体の板材からなる複数のセルを備え、これらのセルが太陽電池用インターコネクタにより電気的に接続された構成となっている。ここで、セル間を電気的に接続するインターコネクタとしては、例えば、特許文献１に示すような平角銅線にはんだめっきされたものが広く使用されている。

太陽電池用インターコネクタとセルとのはんだ付け工程においては、太陽電池用インターコネクタとセルは、はんだの液相線温度以上にまで昇温された後、常温まで冷却される。ここで、主にシリコンからなるセルの熱膨張係数と銅平角線である太陽電池用インターコネクタの熱膨張係数が異なるため、高温で接合された後、常温まで冷却する過程でセルに反りや割れが発生し、生産性を著しく低下させるという問題があった。特許文献２では、リード線の耐力を低下させることで、上記反りや割れを防ぐ手法が開示されている。また、特許文献３では、リード線の芯材の結晶方位を制御することで、シリコンセルにかかる応力を低減し、反りや割れを抑制する手法が開示されている。

特開平１１−２１６６０号公報特開２００８−９８６０７号公報特開２０１０−７３４４５号公報

上述したように、太陽電池用インターコネクタの耐力を低下させたり、芯材の結晶方位を制御し、セルにかかる応力を低下させる手法が公開されている。しかし、近年シリコンセルは益々薄型化しているため、上述した手法のみでは十分にセルの反りや割れを防ぐことが難しく、薄型化したシリコンセルに対応してさらに効果的なセルの反り及び割れを防ぐ手法が求められている。

そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、薄型化したシリコンセルを用いた太陽電池であっても、セルの反りや割れを防ぐことのできる太陽電池用インターコネクタを提供することを目的とする。

本発明は、前述の問題点に鑑み鋭意検討した結果、以下の構成を要旨とする。
（１）導電材の表面の一部又は全部にＳｎ系はんだが被覆された太陽電池用インターコネクタであって、前記はんだは、０．１質量％以上４質量％以下のＡｇ及び／又は０．１質量％以上１．５質量％以下のＣｕを含有すると共に、Ｍｇ、Ｚｒ、及びＢｅのうちの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下の範囲で含むＰｂフリーはんだであって、下記式で表される過冷度ΔＴが１６℃以下であることを特徴とする太陽電池用インターコネクタ。
ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂
（ここで、Ｔ₁は示差走査熱量測定において昇温速度１０℃／ｍｉｎの昇温過程での吸熱ピークの立ち上がりを表すオンセット温度であり、Ｔ₂は前記測定において冷却速度１０℃／ｍｉｎの冷却過程での発熱ピークのピーク温度である。）
（２）前記はんだが、Ｓｎを６０質量％以上含有することを特徴とする（１）に記載の太陽電池用インターコネクタ。
（３）前記はんだが、Ｆｅ、及びＮｉのうちの少なくとも１種を含み、その合計が質量％で０．００１％以上０．２％以下であることを特徴とする（１）又は（２）のいずれかに記載の太陽電池用インターコネクタ。
（４）導電材の表面の一部又は全部にＳｎ系はんだが被覆された太陽電池用インターコネクタの製造方法であって、Ｓｎを６０質量％以上含有すると共に０．１質量％以上４質量％以下のＡｇ及び／又は０．１質量％以上１．５質量％以下のＣｕを含有し、Ｍｇ、Ｚｒ、及びＢｅのうちの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下の範囲で含み、かつ、下記式で表される過冷度ΔＴが１６℃以下のＰｂフリーのＳｎ系はんだを用い、溶融めっきにより導電材をＳｎ系はんだで被覆することを特徴とする太陽電池用インターコネクタの製造方法。
ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂
（ここで、Ｔ₁は示差走査熱量測定において昇温速度１０℃／ｍｉｎの昇温過程での吸熱ピークの立ち上がりを表すオンセット温度であり、Ｔ₂は前記測定において冷却速度１０℃／ｍｉｎの冷却過程での発熱ピークのピーク温度である。）

本発明に係わる太陽電池用インターコネクタを用いれば、薄型化したシリコンセルを用いた太陽電池であってもセルの反りや割れを防ぐことができ、生産性が高く信頼性の高い太陽電池を提供することができる。

ＤＳＣ曲線における昇温冷却測定の例であって、過冷度２５度以上の場合を示す。ＤＳＣ曲線における昇温冷却測定の例であって、過冷度２５度未満の場合を示す。

本発明者らは、シリコンセルの反りや割れに対する因子を洗い出し、反り及び割れを低減する手法を鋭意検討したところ、はんだが凝固する際の温度がインターコネクタの各部において一定ではないことが、シリコンセルの反りや割れに対して非常に大きな影響があることを突き止めた。インターコネクタ接続部の凝固温度を極力ある一定温度にすることで、インターコネクタの各部間で凝固温度が異なることに起因する応力を低減することができ、セルの反りや割れを抑制することができる。また、この凝固温度を極力一定の温度に収束させるためには、はんだの過冷度を小さくすることが最も簡便でコントロール可能であることが分かった。

一般的に、Ｓｎ系はんだの過冷度は３０℃以上あり、さらに、そのようなはんだでは、はんだの部分部分によって、凝固温度が異なる。この凝固温度が異なることにより、シリコンセル上に存在するインターコネクタの各部において、インターコネクタを接続する際の凝固温度が異なり、この凝固温度のバラツキがシリコンセルの反りや割れを増長していることが分かった。このような凝固温度のバラツキをなくすためには、過冷度を２５℃よりも低くすることが効果的であり、さらに好ましくは過冷度が１５℃以下であることが好ましい。ここで、過冷度を２５℃より小さくした理由は、過冷度が２５℃以上となると、個々のはんだの凝固温度に１０℃より大きな差が表れ、この凝固温度差に起因した熱応力の差により、反りや割れが増長されるためである。従って、凝固温度のバラツキとは、具体的には個々のはんだの凝固温度が１０℃より大きく異なることを言う。しかし、これまで調査した限りでは、過冷度が２５℃よりも小さければ、凝固温度の差も１０℃以内に収まり、この凝固温度に起因した熱応力の影響も小さくなることから、過冷度は２５℃より小さいことが必要である。

過冷度とは、物質の熱平衡状態における凝固温度に対して、実際の冷却過程における凝固温度との差であり、通常、過冷度は冷却速度にある程度の依存性がある。一般的には、冷却速度が大きくなるほど過冷度も大きくなる。そこで、本発明における過冷度に対しては、一般的にはんだ材料の熱分析で行われる１０℃／ｍｉｎの冷却速度における過冷度を用いることとする。また、過冷度の測定方法として、ＤＳＣ曲線における昇温冷却測定（示差走査熱量測定）を行い、１０℃／ｍｉｎでの昇温過程における吸熱ピークの立ち上がりを表わすオンセット温度（Ｔ₁）と、１０℃／ｍｉｎでの冷却過程における発熱ピークのピーク温度（Ｔ₂）との差（ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂）として定義することとする（図１及び図２参照）。なお、ＤＳＣ曲線の測定は、はんだ単体でも銅芯材のような導電材にめっきしたインターコネクタの状態でもどちらでも問題なく、同じように測定することができる。

上述した過冷度を低くするためには、Ｓｎ系はんだに、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｂｅのうちの少なくとも１種を含み、その合計が質量％で０．００１％以上２％以下であることが望ましい。これは、含有量が０．００１質量％未満では過冷度を下げる効果が十分には得られず、２質量％より多いとはんだが硬くなってしまい、はんだ付け性が悪化する可能性が高くなるからである。さらに好ましくは０．０１質量％以上１質量％以下である。なお、本発明におけるＳｎ系はんだを１０℃／ｍｉｎの昇温冷却過程で示差走査熱量測定を行った際には、完全な熱平衡状態を得る事は難しいため、凝固温度（Ｔ₂）は溶融のオンセット温度（Ｔ₁）より０．１℃以上低下することなどから、過冷度の下限は実質的に０．１℃である。

前述したはんだの組成としては、Ｓｎの質量％が６０％以上であることが望ましい。これは、Ｓｎの質量％が６０％未満であると、過冷度を２５℃未満にしてもセルの反りや割れを抑制する効果が得られ難くなる可能性があるためである。これは、本発明の過冷度と凝固後の熱応力との相関が、Ｓｎを主体とする金属および合金において、特に効果的に得られることによる。

前記はんだが、Ａｇを質量％で０．１％以上４％以下含有することが望ましい。これは、Ａｇの添加により、はんだの融点を低下して実装時に生じる熱歪を低減させることができると共に、はんだの機械的特性も向上し、信頼性の高い接合が得られるためである。但し、０．１％未満では上述した効果は得られ難くなり易く、また、４％を超えると粗大なＡｇ₃Ｓｎが生成し易くなるため、信頼性が低下する恐れがあり、好ましくない。

前記はんだが、Ｃｕを質量％で０．１％以上１．５％以下含有することが望ましい。Ｃｕも、Ａｇと同様に、Ｓｎ系のはんだに添加することで融点を下げることが出来、さらにぬれ性も向上する。但し、０．１％未満では上述した効果は得られ難くなり易く、また、１．５％を超えると粗大なＳｎ−Ｃｕ系金属間化合物が生成し易いため、信頼性が低下する恐れがあり、好ましくない。

前記はんだが、さらにＦｅ及びＮｉのうちの少なくとも１種を質量％で０．００１％以上０．２％以下含むことで、過冷度を低下させると共に、はんだ自身の疲労特性を改善するため、太陽電池の信頼性を向上することができる。０．００１％未満であると上述した効果は得られ難くなり易く、０．２％を超えるとはんだのぬれ性が低下し、十分な接続が得られなくなる可能性が高まる。さらに好ましくは０．０１％以上０．１％以下である。

本発明の効果は、前記はんだが、鉛入りはんだであっても、鉛フリーはんだであっても得ることができるが、鉛フリーはんだであれば、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の共晶組成近傍であれば、本発明の効果をさらに効果的に得ることができる。

本発明のインターコネクタは、導電材の表面の一部又は全部にＳｎ系はんだを被覆したものであればよく、例えば線材のような導電材やテープ材のような導電材を芯材として用い、その表面の少なくとも一部に本発明で規定するＳｎ系はんだが被覆されていればよい。このようなインターコネクタを製造するにあたり、上述したようなＳｎ系はんだの組成を有しためっき浴を用いて、溶融めっきに芯材となる導電材を浸漬させるなどして、導電材の表面の少なくとも一部がＳｎ系はんだで被覆された太陽電池用インターコネクタを得ることができる。導電材を被覆するＳｎ系はんだの量については特に制限されないが、一般には、太陽電池（シリコンセル）との接触面側に１μｍ以上１００μｍ以下程度の厚さでＳｎ系はんだが被覆されるようにするのが望ましい。

インターコネクタの芯材となる導電材は、Ｃｕ系材料を用いることが一般的である。芯材のＣｕ材料はいかなる種類の物でも、本発明効果を得ることができるが、芯材の長手方向に＜１００＞方向が集積した方位制御した芯材を用いると、本発明効果と合わせてさらにセルの反りや割れを防ぐことができる。

本発明に係る太陽電池用インターコネクタの実施例を以下に示す。

（実験例１）
芯材の導電材としてタフピッチ銅を用い、幅１．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ５０ｍの平角線状に圧延成形した後、表１に示すはんだ組成となる溶融めっきにより上記で得られた芯材を被覆し、太陽電池用インターコネクタを作製した。なお、得られた太陽電池用インターコネクタは、上記芯材の表面に厚さ２０μｍ程度のＳｎ系はんだがめっきされていた。

まず、作製したインターコネクタについて、めっきしたはんだの過冷度を測定するため、インターコネクタを長さ方向に２ｍｍ程度切り出し、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）によるサイクル測定を行った。測定方法は、前述したように１０℃/ｍｉｎの昇温、冷却速度とし、得られたＤＳＣ曲線から昇温過程のオンセット温度（Ｔ₁）と冷却過程のピーク温度（Ｔ₂）の差（ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂）を過冷度として定義した。

また、作製したインターコネクタは、長さ１８０ｍｍに切り出し、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ、厚み２００μｍのシリコンセルに銀ペーストを介して、セルの幅を３等分するように２本接続し、インターコネクタ接続によるセルの反りを調べた。その際、接続されるインターコネクタは、芯材幅１．５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの面でセルに接合されるようにした。セルの反りはセルを平面上に置いた際の最高高さと最低高さの差として評価した。これらの結果を表１に示す。なお、表１におけるはんだ組成の表記については、例えば、参考例１ではＢｉが３５質量％添加されて、残部のＳｎが６５質量％であり、また、参考例２ではＢｉが３５質量％とＺｎが０．５質量％添加されて、残部のＳｎが６４．５質量％であることを表す（表２及び表３を含めて、他の実施例、参考例及び比較例についても同様である）。一部で添加しているＢｉは、Ｓｎ系はんだにおいて融点を下げる働きがあると考えられる。

過冷度が１６℃以下である実施例１０、１８、及び１９はセルの反りが３ｍｍ以下であり、割れは発生しなかった。しかし、過冷度が３０℃の比較例２のセルの反りは７．５ｍｍであり、過冷度が３５℃の比較例１は、割れてしまった。これはセルの反りが大きくなって、反りによる応力にセルが耐えられずに割れたものと考える。

また、Ｍｇ、Ｚｒ、及びＢｅのうちの少なくとも１種を添加した実施例１０、１８、及び１９のはんだの過冷度は、それぞれの金属を未添加の参考例１に比べて過冷度が低下し、さらにセルの反り量も低下した。また、Ｚｎの添加量が０．０００８質量％である参考例８は、Ｚｎ未添加の参考例１と同程度の過冷度、及びセルの反り量であった。また、Ｓｎの質量％が６０％以上において過冷度２５℃未満が得られていることが分る。

また、参考例８、９、及び１２と実施例１８で示したサンプルについて、作製した太陽電池の信頼性を評価する目的で、１００℃５００時間の高温放置試験を行い、高温放置試験前後での発電効率の低下割合を求めた。その結果、参考例８は１４％、参考例９は８％、参考例１２は５％、実施例１８は４％となり、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉを含有するはんだの信頼性が高いことが分った。

（実験例２）
本実験例では、主にＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅの濃度範囲に関する評価を行った。導電材として無酸素銅を用い、幅２ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ、長さ１００ｍの平角線状に圧延形成した後、表２に示すはんだ組成となる溶融めっきで被覆し、太陽電池用インターコネクタを作製した。得られた太陽電池用インターコネクタは、上記芯材の表面に厚さ１５μｍ程度のＳｎ系はんだがめっきされていた。

上記で得られた太陽電池用インターコネクタについて、過冷度の評価は実験例１と同じ方法で行った。また、作製したインターコネクタを長さ１７０ｍｍに切り出し、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ、厚み１５０μｍのシリコンセルに銀ペーストを介してセル幅を３等分するように２本接続し、インターコネクタ接続によるセルの反りを実験例１と同様に調べた。その際、接続されるインターコネクタは、芯材幅２ｍｍ×長さ１５０ｍｍの面でセルに接合されるようにした。さらに、発電効率の低下割合も実験例１と同様に調査した。結果を表２に示す。

この結果、いずれのはんだ組成においても過冷度が低下したことが分る。また、参考例２１〜２４で示すように、Ａｇ濃度が０．１質量％以上４質量％以下であると、高温放置試験後の発電効率の低下が抑制され、信頼性が高いことが分かる。また、参考例２５〜２８で示すように、Ｃｕ濃度は０．１質量％以上、１．５質量％以下であるとやはり信頼性が高い。さらに、実施例２９〜３４で示すように、Ｆｅ濃度も０．００１質量％以上、０．２質量％以下、さらに好ましくは０．０１質量％以上０．１質量％以下で信頼性が高いことが分かった。

（実験例３）
本実験例では、芯材の影響について調査した。芯材の導電材としてワイヤ長手方向に＜１００＞方向が集積した方位制御した芯材（方位制御銅）を用い、タフピッチ材（タフピッチ銅）を用いた時とで比較した。この方位制御した芯材とタフピッチ材をそれぞれ幅１．２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ２５ｍの平角線状に圧延成形した後、表３に示すはんだ組成となる溶融めっきで被覆し、太陽電池用インターコネクタを作製した。ここで使用した＜１００＞方向に集積した方位制御銅は、銅の＜１００＞方位が、芯材の厚さ方向に対して方位差１５°以内である＜１００＞優先配向領域の面積率が８０％であると共に、芯材の面内の一方向に対して方位差１５°以内である＜１００＞優先配向領域の面積率が８０％のものを用いた。また、得られた太陽電池用インターコネクタは、いずれも芯材の表面に厚さ３５μｍ程度のＳｎ系はんだがめっきされていた。

作製したインターコネクタを長さ２００ｍｍに切り出し、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ、厚み１２０μｍのシリコンセルに銀ペーストを介して、セルの幅を４分割するように３本接続し、インターコネクタ接続によるセルの反りを調べた。その際、接続されるインターコネクタは、芯材幅１．２ｍｍ×長さ１８０ｍｍの面でセルに接合されるようにした。セルの反りはセルを平面上に置いた際の最高高さと最低高さの差として評価した。また、実験例１と同様の手法ではんだの過冷度も評価した。これらの結果を表３に示す。

はんだ組成として、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−０．０１Ｚｎを選択した場合、過冷度は芯材の種類に寄らず１４℃であったが、セルの反りに関しては、＜１００＞方位制御した芯材（方位制御銅）では９ｍｍ、タプピッチ銅では、１６ｍｍであった。また、はんだ組成としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．０１Ｃｏを用いた場合、過冷度は１６℃であり、セルの反りは方位制御銅で１１ｍｍ、タフピッチ銅で１８ｍｍであった。同様に、過冷度３８℃を示すＰｂ−５Ｓｎはんだをタフピッチ銅にめっきしたインターコネクタでは、セルの反りが大きく、サンプルが割れてしまい、反りを測ることができなかった。以上の実験結果から、過冷度２５℃未満のはんだを用い、かつ芯材としてワイヤ長手方向に＜１００＞方向が集積した方位制御した銅を用いることで、本発明の効果が更に得られることを確認した。

Claims

導電材の表面の一部又は全部にＳｎ系はんだが被覆された太陽電池用インターコネクタであって、前記はんだは、０．１質量％以上４質量％以下のＡｇ及び／又は０．１質量％以上１．５質量％以下のＣｕを含有すると共に、Ｍｇ、Ｚｒ、及びＢｅのうちの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下の範囲で含むＰｂフリーはんだであって、下記式で表される過冷度ΔＴが１６℃以下であることを特徴とする太陽電池用インターコネクタ。
ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂
（ここで、Ｔ₁は示差走査熱量測定において昇温速度１０℃／ｍｉｎの昇温過程での吸熱ピークの立ち上がりを表すオンセット温度であり、Ｔ₂は前記測定において冷却速度１０℃／ｍｉｎの冷却過程での発熱ピークのピーク温度である。）
前記はんだが、Ｓｎを６０質量％以上含有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用インターコネクタ。
前記はんだが、Ｆｅ、及びＮｉのうちの少なくとも１種を含み、その合計が０．００１質量％以上０．２質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池用インターコネクタ。
導電材の表面の一部又は全部にＳｎ系はんだが被覆された太陽電池用インターコネクタの製造方法であって、Ｓｎを６０質量％以上含有すると共に０．１質量％以上４質量％以下のＡｇ及び／又は０．１質量％以上１．５質量％以下のＣｕを含有し、Ｍｇ、Ｚｒ、及びＢｅのうちの少なくとも１種を合計で０．００１質量％以上０．１質量％以下の範囲で含み、かつ、下記式で表される過冷度ΔＴが１６℃以下のＰｂフリーのＳｎ系はんだを用い、溶融めっきにより導電材をＳｎ系はんだで被覆することを特徴とする太陽電池用インターコネクタの製造方法。
ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂
（ここで、Ｔ₁は示差走査熱量測定において昇温速度１０℃／ｍｉｎの昇温過程での吸熱ピークの立ち上がりを表すオンセット温度であり、Ｔ₂は前記測定において冷却速度１０℃／ｍｉｎの冷却過程での発熱ピークのピーク温度である。）