JP5541804B2

JP5541804B2 - 太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け方法、ハンダ付け装置およびヒーターツール

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Publication number: JP5541804B2
Application number: JP2011007647A
Authority: JP
Inventors: 忠宏岩月; 隆司関本
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: JP2012151209A

Description

この発明は、太陽電池セルの集電電極に集電用配線材をハンダ付けするためのハンダ付け方法と、この方法の実施に用いるハンダ付け装置と、ヒーターツールとに関するものである。

太陽電池セル（以下、単にセルともいう。）は、例えば次のように形成する。通常８０ｍｍ〜１６０ｍｍ角程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどからなるｐ型半導体の基板にｎ型の拡散層を設け、ｐｎ接合を形成する。このような拡散層は、拡散炉内でオキシ塩化リン中で加熱することにより、基板表面全体にｎ型不純物であるリン原子を拡散させて、形成することができる。その後、側面部と底面部の拡散層の部分を除去する。そして受光面側には、例えば窒化シリコン膜からなる反射防止膜を形成し、基板表面に銀ペーストを裏面にはアルミニウムペーストおよび銀ペーストを塗布して焼成することによって、表面電極、裏面電極を形成する（特許文献１）。

この太陽電池セルの表面電極は表面から出力を取り出すための表面バスバー電極（表面集電電極）と、これに直交する集電用の多数の表面フィンガー電極とから構成される。裏面電極は裏面から出力を取り出すための裏面バスバー電極と裏面集電電極からなる。

ここに１枚の太陽電池セルの電気出力は小さいため、複数の太陽電池セルを直列接続や並列接続して、実用的な出力が取り出せるようにする必要がある。そのため表面のバスバー電極と隣の太陽電池セルの裏面バスバー電極とをインターコネクタ（集電用配線材）で接続することが行われている。

ここにインターコネクタは、通常断面を平角形の軟質銅線にハンダめっきした平角線であり、これを表面バスバー電極に重ねてハンダ付けし、これの延出端を隣のセルの裏面バスバー電極に重ねてハンダ付けすることにより、多数のセルを接続するものである。表面バスバー電極とインターコネクタとのハンダ付けでは、セルとインターコネクタの熱膨張率の差によって、バスバー電極付近に応力が集中し、セルに反りや歪みが発生する。このためセルに割れ、欠け、クラックなどが生じ、セルの歩留まりが低下する問題があった。

この問題を解消するために特許文献１では、熱風をハンダに数秒吹き付けてハンダを溶融した後の冷却温度を管理して急激な温度変化が生じないようにすることが提案している。特許文献２は、所定ピッチで配設された複数のノズルからインターコネクタに向かって加熱気体を噴射してハンダを溶融し、続いて同じノズルから冷却気体を噴射してハンダを冷却するものであり、局部的に加熱、冷却することにより熱ストレスの発生を抑制するものである。

特許文献３には、インターコネクタを不連続な複数の点状のハンダ付けによって表面バスバー電極にハンダ付けすることが示されている。例えば熱風をノズルから噴射したり赤外線をスポット状に集中して放射して加熱することによって、インターコネクタおよび太陽電池セルの膨張および収縮を最小限に抑え、セルの歪みを最小限に抑えるものである。

特許文献４には、インターコネクタをバスバー電極に接続する複数の平坦な接続部と、これら接続部の間にあってバスバー電極から盛り上がって離間した連結部とを有するように予め加工しておき、接続部をインターコネクタにハンダ付けする一方連結部をハンダ付けせずにバスバー電極から浮かせておき、この連結部の変形によってセルに加わる熱ストレスを低減しセルの破損を抑制することが開示されている。ここにはセルとインターコネクタは熱風やランプ加熱により加熱してハンダを溶融させることが記載されている。

特許文献５には、インターコネクタに長さ方向に間隔を空けてハンダ付けすることが開示されている。ここにハンダ付けは、予め加熱した複数の金属を押し当てることによりハンダを溶融することにより行うものである。

特開２００６−３３２２６４特開２００６−６６５７０特開２００４−２５３４７５特許第３７５４２０８号特開２００３−２９８０９５

特許文献１、２においては、熱風をハンダ付け部に噴射してハンダを溶融することが開示され、特許文献３、４においては熱風だけでなくランプにより加熱することも開示されている。しかしこれらの場合にはインターコネクタのハンダ付け部だけでなくその周囲にも熱風や加熱ランプの光が当たることになり、ハンダ付けする位置の周囲も加熱されることになる。このため太陽電池セルの広い範囲が加熱されて熱ストレスを受け、損傷を生じやすいという問題がある。

特許文献５によれば、予めヒータで加熱した複数の金属をハンダ付け部に押し付けるものであるから、セルやインターコネクタに加わる熱ストレスは少なくなると考えられるが、それぞれの金属の温度を均一に管理することが面倒あるいは困難であり、全ての多数のハンダ付け部のハンダ付け状態にバラツキが生じやすく、ハンダ付け品質の低下を招くという問題がある。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、インターコネクタ（集電用配線材）をその長さ方向に離間した複数の位置で太陽電池セルのバスバー電極（集電電極）にハンダ付けする場合に、太陽電池セルやインターコネクタに加える熱ストレスを小さくして、太陽電池セルをストレスから保護するのに適すると共に、ハンダ付け状態にバラツキが生じにくくすることができるハンダ付け方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用する装置を提供することを第２の目的とする。さらにこの方法の実施に用いるヒーターツールを提供することを第３の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、太陽電池セルに形成した長い集電電極に集電用配線材を重ねてハンダ付けするハンダ付け方法において、前記集電用配線材の長手方向に離隔した複数の接続点に対応する位置にある連結部の間に開口が形成されたヒーターツールで前記複数の接続点を同時に加圧保持し、この状態で前記ヒーターツールに電流を流して抵抗発熱による瞬間加熱によって前記ヒーターツールを加熱することにより全ての接続点を同時に接触加熱し、ハンダ付け部以外の領域に加熱が及ばないようにして全ての前記接続点を同時にハンダ付けすることを特徴とする太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け方法
、により達成される。

また第２の目的は、請求項１のハンダ付け方法の実施に用いるハンダ付け装置であって、太陽電池セルを保持し間欠的に搬送する搬送台と、この搬送台に保持した太陽電池セルの集電電極に重ねた集電用配線材に長手方向に離隔した複数の接続点に対応する位置にある連結部の間に開口が形成されたヒーターツールと、ヒーターツールが下端に固定されヒーターツールの下面を集電用配線材に対して押圧および離隔させる昇降部と、ヒーターツールにパルス電流を供給する電源部と、を備えることを特徴とする太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け装置、により達成される。

第３の目的は、請求項１の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け方法に用いるヒーターツールであって、集電用配線材に対向する下面にその長手方向に離隔して下向きに突出する複数の凸部とこれら凸部の間に開口とが形成され、前記凸部が集電用配線材の複数の接続点を加圧保持すると共に、パルス電流により瞬間発熱されて前記凸部に接触する接続点を瞬間加熱する太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け用ヒーターツール、により達成される。

請求項１の発明によれば、集電用配線材の長手方向に離隔した複数の接続点をヒーターツールで同時に加圧保持し、この状態で前記ヒーターツールに溶接電流を流して抵抗発熱による瞬間加熱により前記ヒーターツールを加熱し全ての接続点を同時に接触加熱し、全ての前記接続点を同時にハンダ付けするので、極めて短時間の加熱によって複数の接続点をハンダ付けすることができる。ここに接続点の加熱時間は極めて短時間になり、その周囲への熱伝導、特に太陽電池セルの接続点周囲への熱伝導が極めて少なくなるので、太陽電池セルに加わる熱ストレスが極めて小さくなる。このため太陽電池セルの熱による損傷を防ぐことができ、製品の耐久性と信頼性を向上させることができる。また複数の接続点をバラツキ無く均一な条件でハンダ付けできるので製品の品質が安定する。

ヒーターツールは、集電用配線材の長手方向に離隔した複数の接続点に対応する位置にある連結部の間に開口を形成したものであるから、接続点を同時に接触加熱する際に、ハンダ付け部以外の領域にヒーターツールの輻射熱などの影響が及ばないようにすることができる。またこの開口を冷却空気が通って、側縁部の間に流すことによりヒータツールの冷却性を向上させることができる。請求項３のハンダ付け装置によれば、このハンダ付け方法の実施に用いるハンダ付け装置が得られる。請求項６のヒーターツールによればこのハンダ付け方法の実施に用いるヒーターツールが得られる。

本発明の一実施例であるハンダ付け装置を示す斜視図同じく側断面図同じくヒーターツールの一実施例を示す正面図同じく底面図同じく右側面図同じく図５におけるＡ矢視部の拡大断面図同じく図４におけるＢ矢視部の拡大図本発明の一実施例の回路構成を示す図本発明のハンダ付け方法の動作流れ図

ヒーターツールは、接続部を加圧した状態でパルス電流を流すことにより抵抗発熱させるものが適する（請求項２）。例えば同一出願人による出願である特願２０１０−１８９３６３号の方法によりパルス電流を流すことができる。すなわち、溶接電流を正負に交互に変化させることによって、溶接部に流れる直流成分を減らし、ペルチェ効果による発熱/吸熱効果による極性効果の発生を防ぎ、交流式のように通電時間が長くなって「焼け」が発生するのを防ぐことができる。このため極めて薄く細い集電用配線材を太陽電池セルの集電電極にハンダ付けするのに最適である。なお本発明でヒーターツールに流す電流は、交流式、コンデンサ式、トランジスタ式、インバータ式、等公知の方式で供給するものであっても良い。

請求項３のハンダ付け装置においては、電源部はパルス発生回路と、トランスとを備えることができ、パルス発生回路は所定のタイミングで発生されるゲート信号によってオン・オフするパルス信号を発生し、トランスはこのパルス信号を降圧して加熱電流をヒーターツールに供給するのがよい（請求項４）。この場合に、ヒーターツールに固定された温度センサを設け、温度センサの検出温度をパルス発生回路に負帰還させて加熱温度を管理するのがよい（請求項５）。

ヒーターツールは、集電用配線材の長手方向に平行に伸び所定の間隔を空けて対向する一対の側縁部と、両側縁部の下縁を複数の接続点に対応する位置で繋ぐ連結部と、これらの連結部の下面に形成された凸部とを備えるものとするのがよい（請求項７）。この場合に一対の側縁部は、下縁が集電用配線材の幅よりも広い間隔で対向するようにすれば、側縁部が集電用配線材の幅よりも（幅方向に）外側に位置することになり、側縁部の温度上昇が集電用配線材の温度に大きな影響を及ぼすことを防ぐことができる（請求項８）。

一対の側縁部は、長手方向から見て上縁から下縁に向かって厚さを次第に薄くすれば、側縁部の間に冷却空気が流れやすくなり、ヒーターツールの冷却性を向上させることができる（請求項９）。

図１、２、８等を用いて本発明のハンダ付け装置を説明する。図１、２において、符号１０は搬送台であり、太陽電池セル１２を水平に保持して搬送するベルトコンベアである。１４は基台部であって（図２）不図示の支持部に固定されている。この基台部１４には、搬送台１０の後部から上方へ起立する支柱部１６が一体に固定されている。この支柱部１６の前面には、上下方向に伸びかつ平面視で略コ字状に形成された枠部材１８が固定されている。この枠部材１８の上下方向の溝２０（図１）は、前面すなわち搬送台１０に対向する面に開口している。

この枠部材１８の溝２０には、スライダ２２が上下にスライド可能に保持されている。溝２０には、このスライダ２２を送りネジ機構によって上下させるネジ部材２４が装填され、その上端は枠部材１８の上面に取り付けたモータ２６に接続されている。従ってこのモータ２６によってネジ部材２４が回転するとスライダ２２が上下に移動する。

スライダ２２の前面にはさらにシリンダ保持ブロック２８が固定され、ここには上方に突出するシリンダ３０と、上下方向に摺動可能に貫通するピストンロッド３２が保持されている。すなわちピストンロッド３２の上端に固定したピストン３４がシリンダ３０内を摺動し、下部がシリンダ保持ブロック２８を貫通して下方に突出している。シリンダ３０内には圧縮バネ３６が縮装され、このバネ３６の上端はシリンダ３０の上端に設けたバネ力調整器３８により押し下げられ、このバネ３６の下端はピストン３４を下方に押下している。ピストン４３は、ピストンロッド３２がシリンダ保持ブロック２８に設けたストッパ（図示せず）に当たって下方への移動が制限される。

バネ力調整器３８は、シリンダ３０の上端に回動可能かつ上下移動が規制されたストローク設定ダイヤル４０と、このストローク設定ダイヤル４０に固定されてシリンダ３０内に降下する送りネジ４２と、シリンダ３０内で上下にスライド可能かつ回動不可能に保持されたナット部材４４とを備える。このナット部材４４の下面に前記バネ３６の上端が係止されている。従ってストローク設定ダイヤル４０を回転することによって、ナット部材４４を上下動させることができ、バネ３６に対するバネ力を設定することができる。

ピストンロッド３２の下端には横長の絶縁ブロック４６が固定され、この絶縁ブロック４６の下面にはさらに一対のシャンク４８、４８が固定されている。シャンク４８、４８は導電性の金属で絶縁ブロック４６と同じ長さに形成されている。シャンク４８、４８にはそれぞれ給電板５０、５０が固定されている。給電板５０、５０には後記トランスからケーブル９２を介して加熱電流が供給される。シャンク４８、４８には後記するヒーターツール５２が固定されている。

ヒーターツール５２は電気抵抗が大きいタングステンやモリブデン等で作られ、図３、４に示すように、前記絶縁ブロック４６と同じ長さで横長である一対の側縁部５４、５４と、これらの側縁部５４、５４の下縁を長手方向に所定間隔空けて繋ぐ複数の連結部５６と、これら連結部５６の下面から下向きに突出する凸部５８とを有する。このため、ヒーターツール５２の下面には、連結部５６の間に開口６０が形成されることになる。

ここに一対の側縁部５４、５４はその厚さが下方に向かって次第に薄くなる（テーパー状になる）ように形成しておき、その下縁の間隔が、後記するインターコネクタ７０の幅よりも広くなるようにしている。この結果、開口６０から両側縁部５４、５４間に冷却空気が円滑に流れ、冷却効果が増大すると共に、ヒーターツール５２の熱がブスバー電極やインターコネクタ７０に悪影響を及ぼすのを阻止することができる。

モータ２６によって送りネジ２４を回転し、スライダ２２を下降させると、ヒーターツール５２の下面がインターコネクタ７０に当たり、ピストンロッド３２はバネ３６を圧縮しつつシリンダ保持ブロック２８に対して上方に相対移動する。この時の所定相対移動は、ピストンロッド３２内に設けた位置検出器６２で検出さる。すなわち、ピストン保持ブロック２８に固定された遮光板６４がピストンロッド３２に固定した光センサ６４に入射する光を遮断することからピストンロッド３２の相対移動が所定量になることを検出する。

ヒーターツール５２をインターコネクタ７０に押圧した状態では、図２に示すピストンロッド３２がバネ３６を圧縮しつつシリンダ保持ブロック２８に対して上方に相対移動するから、その相対移動量が位置検出器６２で一定量と検出されると、その時のバネ３６の圧縮量が一定になり、ヒーターツール５２のインターコネクタ６４に対する押圧力が一定になる。この押圧力は、バネ力調整器３８のストローク設定ダイヤル４０によって調整可能である。

前記搬送台１０に載せた太陽電池セル１２の表側には、予め表面集電電極である表面バスバー電極６８、６８（図２）が適宜本数（図２では２本）形成され、ここにはフラックスを塗布してから集電用配線材であるインターコネクタ７０が載せられて位置決めされる。このインターコネクター７０は断面が平角形である軟質銅線をハンダめっきしたものである。前記ヒーターツール５２の下面をこのインターコネクタ７０に上方に位置合わせしてから下降させることにより押圧する。前記位置検出器６２がバネ３６の圧縮量が設定量になったことを検出すると、この状態でヒーターツール５２に加熱電流を流して瞬間加熱する。このためヒーターツール５２下面の複数の凸部５８がインターコネクタ７０の長さ方向に間隔を置いて加熱し、飛び飛びにハンダ付けを行うものである。

インターコネクタ７０はセル１２の一方に長く突出するようにハンダ付けされ、セル１２の２本のインターコネクタ７０のハンダ付けが終わると、このセル１２を反転させてインターコネクタ７０の突出部分を他のセル（図示せず）の裏面に形成した裏面集電電極である裏面バスバー電極（図示せず）に重ね、同様にハンダ付けされる。このようにして複数のセル１２がインターコネクタ７０で連結される。

次にヒーターツール５２に加熱電流を供給する電源部７２を図１、８を用いて説明する。電源部７２は、パルス発生回路７４と、トランス７６とを備える。

パルス発生回路７４は、図８に示すように、所定交流電圧（例えば４００あるいは２００ボルト）の三相交流を整流する整流回路７７と、この整流回路７７の整流出力を充放電することで整流出力を平滑化する平滑コンデンサ７８と、ＩＧＢＴをブリッジ接続したスイッチング回路（インバータ回路）８０と、で構成される。パルス発生回路７４のスイッチング素子であるＩＧＢＴは、タイミング信号生成部８２が所定のタイミングで生成するゲート信号によってオン・オフ制御される。タイミング信号生成部８２は条件設定部８４から送られる信号によって制御される。

条件設定部８４はバスで接続されたコンピュータ（ＣＰＵ）からなる制御部８６、操作部８８、表示部９０を備え、表示部９０の表示を確認しながら操作部８８からＩＧＢＴのオン・オフタイミング等を設定し、このタイミングを制御部８６が本来備える記憶部（図示せず）にメモリする。すなわち、ＷＥＬＤＴＩＭＥ（通電期）とＣＯＯＬＴＩＭＥ（通電休止期）とからなる通電相ごとに通電期の正負と通電時間、そして通電休止期の通電休止時間などを設定する。操作部８８と表示部９０は、電源部７２の前面に設けた操作キー群と表示パネルで構成される。

トランス１４はスイッチング回路８０の出力を降圧し、その二次側出力端から通電ケーブル９２によって、前記給電板５０、５０に導かれる。この二次側に流れる電流は加熱電流である。

二次側の電流はＣＴ（カレントトランス）やホール素子などのセンサ９４で検出され、電圧と共に情報モニタ部９６に入力される。またヒーターツール５２の連結部５６（図６、７）の裏側（上面）には熱電対などの温度センサ９８が固定され、この温度センサ９８の出力はこの情報モニタ部９６に入力される。これらの情報はこの情報モニタ部５２からバスを介して条件設定部８４に送られ、加熱電流の制御を行う。

次にこの実施例の動作を説明する。まず搬送台１０に載せたセル１２の表面バスバー電極６８にインターコネクタ７０を位置決めし（図９のステップＳ１００）、ヒーターツール５２の下方に位置決めする。またハンダ付け部の数や特性に対応した加圧力を設定するため、ストローク設定ダイヤル４０を調整する（ステップＳ１０２）。すなわちバネ３６の圧縮圧力（予圧力）を設定する。

作動開始スイッチのオン作動により、モータ２６が起動し、ピストンロッド２４が回転し、スライダ２２が下降する。ヒーターツール５２がインターコネクタ６４を押圧し、位置検出器６２がこの下降量が一定の設定量になることを検出する。この状態で（ステップＳ１０４）、制御部８６はヒーターツール５２に電流を所定条件で供給するようにパルス発生回路７４を作動させる。この結果ヒーターツール５２は瞬間的に発熱し、極めて短時間でインターコネクタ６４のハンダ付けが行われる（ステップＳ１０６）。制御回路はヒーターツール５２に流す電流の変化を監視し、所定条件を満たす状態で電流を遮断する。

この時のパルスは例えば６０ｍｓ程度のパルスで精度良く温度制御を行い、通電時間も極めて短時間であるからインターコネクタ６４やセル１２の基板に及ぼす熱的ストレスが極めて小さくなり、これらに歪みや損傷を与えることが無く、加工の歩留まりを向上し、耐久性を向上させることができる。

ハンダ付けが終わると冷却空気をヒーターツール５２に送り冷却する（ステップＳ１０８）。そしてモータ２６を逆転させてヒーターツール５２を上昇させ（ステップＳ１１０）、このハンダ付けの動作を終了し、次のセル１２に対するハンダ付け動作に備える。

１０搬送台
１２太陽電池セル
２２スライダ
２８シリンダ保持ブロック
３０シリンダ
３２ピストンロッド
３６バネ
３８バネ力調整器
５２ヒーターツール
５４側縁部
５６連結部
５８凸部
６０開口
６８バスバー電極（集電電極）
７０インターコネクタ（集電用配線材）
７２電源部
７４パルス発生回路
７６トランス

Claims

太陽電池セルに形成した長い集電電極に集電用配線材を重ねてハンダ付けするハンダ付け方法において、
前記集電用配線材の長手方向に離隔した複数の接続点に対応する位置にある連結部の間に開口が形成されたヒーターツールで前記複数の接続点を同時に加圧保持し、この状態で前記ヒーターツールに電流を流して抵抗発熱による瞬間加熱によって前記ヒーターツールを加熱することにより全ての接続点を同時に接触加熱し、全ての前記接続点を同時にハンダ付けすることを特徴とする太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け方法。
ヒーターツールは、集電用配線材の接続点を加圧保持した状態でパルス電流によって瞬間加熱され、冷却後に接続点から離隔される請求項１の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け方法。
請求項１のハンダ付け方法の実施に用いるハンダ付け装置であって、
太陽電池セルを保持し間欠的に搬送する搬送台と、
この搬送台に保持した太陽電池セルの集電電極に重ねた集電用配線材に長手方向に離隔した複数の接続点に対応する位置にある連結部の間に開口が形成されたヒーターツールと、
ヒーターツールが下端に固定されヒーターツールの下面を集電用配線材に対して押圧および離隔させる昇降部と、
ヒーターツールにパルス電流を供給する電源部と、
を備えることを特徴とする太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け装置。
電源部は、所定のタイミングで生成されるゲート信号によってオン・オフするパルスを出力するパルス発生回路と、前記パルスを降圧して溶接電流を出力する溶接トランスとを備える請求項３の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け装置。
ヒーターツールに固定された温度センサを備え、温度センサの検出温度が電源部に入力されて溶接温度を管理している請求項３の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け装置。
請求項１の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け方法に用いるヒーターツールであって、
集電用配線材に対向する下面にその長手方向に離隔して下向きに突出する複数の凸部とこれら凸部の間に開口とが形成され、前記凸部が集電用配線材の複数の接続点を加圧保持すると共に、パルス電流により瞬間発熱されて前記凸部に接触する接続点を瞬間加熱する太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け用ヒーターツール。
ヒーターツールは、集電用配線材の長手方向に伸び所定の間隔を空けて対向する一対の側縁部と、両側縁部の下縁を複数の接続点に対応する位置で繋ぐ連結部と、これらの連結部の下面に形成された凸部とを備える請求項６の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け用ヒーターツール。
一対の側縁部は、下縁が集電用配線材の幅よりも広い間隔で対向している請求項７の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け用ヒーターツール。
一対の側縁部は、長手方向から見て上縁から下縁に向かって厚さが次第に薄くなっている請求項７の太陽電池セルの集電用配線材のハンダ付け用ヒーターツール。