JPH05502552A - 熱安定性を改善した光電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱安定性を改善した光電池 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、 被覆された一部の電池の電気接触部に電線をハンダ付けして、１！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 からなる厚膜被覆か広く使用される。一部の太陽電池製造法では、太陽電油の背 面接触部をアルミニウム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ＩＩ池モモジュール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）の積層辿程で、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Ｈ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、特にそのハンダ接続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は若しくはウェー ブ（ｗａｖｅ）ハンダ付は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 軸性に乏しかった。特に、ｖＡ６３％／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、１ ５０′Ｃ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ＫＧ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、湿炭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か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回電子コンポー不ントコンファランス のプロシーディング（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　３０ｔｈ　Ｅｌ ｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｏｃｅ、　Ｎｅｗ　 Ｙｏｒｋ、　ＩＥＥＥ、　１９８０．　ｐｐ１４９−１６６）でテーラ−（Ｂ、 Ｅ、Ｔａ１ｏｒ）　、フェルテン（Ｊ、　Ｊ、　！ｅｌｔｅｎ）及びラリ−（Ｊ 、　Ｒ，Ｌａｒｒｙ）は、「低コスト銀含有厚膜導体の進歩と技術（Ｐｒｏｇｒ ｅｓｓ　ｉｎ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｃｏ５ｔ　５ｉ ｌｖｅｒ　ＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＴｈ奄モ■ Ｆｉｌ＋ａ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）　Ｊ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／バランラ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（ＩＳＩＩ筐、１９８ ９．　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　Ｔｈｅｒ瓜ａｌ　Ｃｙｃｌｅｄ　Ａｄｈｅ ｓｉｏｎ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　５ｏｌｄｅｒｅｃｌ　Ｔｈ１ｃｋ　Ｓｉｌ ｖｅｒ−Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）　Ｊなる標閧■A ［銀導体では、５ｎｌＯ／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２ １５項の図■は、アルミナ基板上の銀の厚膜では錫１０％、船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 か卓越していることの証明を明らかに示している。５ｎ９６／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５ ｎｌＯ／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ｙ！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（ｓｃａｖｅｎｇｉｎ ｇ）　Ｊ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Ｆ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開だけでなく 、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 スと金属表面粗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ｒｕＩ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、−研究者は錫含有量の高いノ１ンダ、例えば錫９６％／銀４％のノーン 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。５ｎ９６／Ａｇ４の ノ＼ンダは、錫６２％、鉛３６％及び銀２％からｖＲ成される１１ンダよりも融 点がかなり高く、その結果錫をより強くノ１ンダに接合し、そのため拡散か減少 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、５ｎ９６／Ａｇ４のノ＼ンダが高錫含量で高融点であることは、銀の掃去機 構；こ基づ（／％レンダ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ａｈ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（よ０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。

発明の目的 本発明の主目的は、熱エーシング特性の秀れた光電池を提供することである。

本発明の一目的は、錫／銀／−ンダを用いて電気接続され且つ熱劣化番二対して 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、厚膜一基板接合を劣化させずに、錫／銀Ｉ＼ンダを用０ て光電池の銅厚膜接触部を〕１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カリ高性能のノく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。

発明の詳細な説明 銀若しくは銀合金のＩ！ｉ！１１５！　電極又は／％ンダバツドｖＬｆｆ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。本発明に有用なノ・ンダは、 相溶性の１１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ｆｉ９６％／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ノ＼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　Ｊ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（電ｕｌｔｉｃｏｒｅ　Ｃｏｒｐ、　）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 されたノ１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、昔通、ハンダ粉末の沈降を防止するための特別の７ラツクス又はゲル化 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）　Ｊ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、５ｎ９６．３／Ａｇ３．７のハンダペーストは高 融点の鉛非含有接合を特徴とする特定用途向けのものであると［、ている。（７ 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！ ！ｉ！濁状態に保つように設計された各種の天然及び合成の７ラツクスについて も認識している。例えば、上で引用したマルチコア祉の製品説明書は、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［ザーンン（Ｘｅｒ ｓｉｎ）　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シング特性を示すことか見出された。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ノ・ンダを銀に対して特に良く慣らすものではない。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／１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。

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／ガラスフ１ンダノ々 ツ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２組成物かＡＲ被被覆浸透し前面 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。銀ノ１ンダ＜７ ドと前面の格子状鍜接触部は厚み約１’１−２０＋、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ノ＼ンダバツドとをマルチコア製の「９６ 錫／４銀ザーシン２００５Ｊ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、このノ汽ンダペーストを自動ディスペンサ、例え ばカメロフトシステムズ社（Ｃａｍｅｌｏｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ、　Ｉｎｃ、米国 マサチューセッツ州／　＼−／　＜−ヒル）製のｒＣＡＭ／Ａ、ＬＯＴＪ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シェツトを用い て加熱した。加熱過程で、「ブーシン２００５Ｊブラツクス（主に四安息香酸ペ ンタエリトリット（「ベントエート（ｐｅｎｔ□ａｔｅ）　ｊであると思われる ）は追い出されて、ノ＼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 漬ハンダ付は技術とおよそ錫９６％／銀４％を含むノ＼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（１６８ポンド）で あったのに対し、渦漬ハンダ付は法でｇ＞されたモジュールの平均接合強度は２ １８グラム（０４８ポンド）に過ぎなかった。本実施例は、エーシングすなわち 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シコ２−ルの 電気接触点における強度が、従来２浸漬・・ンダ付は法により塗付した同じ般用 ・・ンダ組銭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％を含むノ＼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ノ＼ンダ結 台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１５ ０°Ｃで６３時間まで延長した。温度か１０°Ｃ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）仮定か正しいとすると、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％の接合か１１４グラム（ ０２５ポンド）以上であり、平均値は３］−８グラム（０７０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％の接合か初期剥離強度に関 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は技術と錫９６％／銀４％の／％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時間後には俺か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か、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、本発明のノ１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、従来の浸漬ノ１ンダ付は技術とお よそ錫９６％／銀４％を含むノ１ンダ浴とを用いて調製されるモジュールよりも 、約１５０°Ｃ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 、それか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％のノ＼ンダ組成の場合に最適性能か得られると考 える。

本明細書で使用される「鍜接触部」なる語は、太陽電池の背面及び前面上；こあ る全電極並びに接触部のノ＼ンダバツ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「鍜接触部」なる４ま、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（こ 関係して、それを満たす銀）１ンダ／ぐラドを包含する。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。

要　約　書 銀を多量に含有する厚膜電気接触部を有し、熱エージング特性の優れた光電池が 開示される。配線が、銀を多量に含有する厚膜接触部に、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ペーストを用いて接 合される。本発明に係るハンダ付けされた接合部を有する太陽電池は、１５０℃ の範囲の温度に耐えることが可能で、従来の方法で製造された電池よりもはるか に長い期間にわたってハンダ接合部がほとんどもしくは全く劣化しない。

国際調査報告 ＋ｓ＋ａ＋ｎｉ＋＋ｓａ＋１＾０釦−””””ＦＧ／ＵＳ９１１０５６７５

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 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。
2. 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。
3. 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％を含むハンダベ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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。