TWI463678B - 太陽電池用中繼連接器 - Google Patents

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TWI463678B
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Norikazu Ishida
Hitoshi Nakamoto
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Mitsubishi Materials Corp
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Description

太陽電池用中繼連接器
本發明是關於在由複數個電池胞所組成的太陽電池模組中,用來將電池胞彼此連接在一起的太陽電池用中繼連接器所適用的太陽電池用中繼連接器用材料以及太陽電池用中繼連接器。
本申請案係依據2008年4月25日提出申請專利的日本特願2008-115913號來主張優先權,因此本案說明書將沿用其内容。
近年來,利用太陽電池模組來發電的方式係對於環境負擔較少的發電方式,因此受人注目且已經廣泛使用在各領域。太陽電池模組,係如專利文獻1所記載般地,具備有複數個由pn接合的矽之類的半導體板材所做成的電池胞(cell),這些電池胞係利用太陽電池用中繼連接器以及導電板來構成電性互相連接。
此處,用來將電池胞之間予以電性連接在一起的中繼連接器係如專利文獻2所示,已經廣泛地使用:在由無氧銅、精銅所做成的銅平板線上形成了焊料電鍍層的中繼連接器。此外,如非專利文獻1所示,也有人建議採用由6N(純度99.9999%)的高純度銅所做成的中繼連接器。
[特許文獻1]日本特開2005-166915號公報
[特許文獻2]日本特開平11-21660號公報
[非專利文獻1]遠藤裕壽及其他5人共同發表之“太陽電池用軟質型焊料電鍍平板線的開發”的論文,係登載於日立電線刊物No.26(2007-1)、P.15-P.18
然而,前述的太陽電池模組,因為是全時地設置於室外,太陽電池模組的溫度,在受到直射陽光照射的晝間將會上昇到達90℃附近,在夜間則會下降到0℃附近。換言之,太陽電池的電池胞以及太陽電池用中繼連接器將會承受從0℃起迄90℃為止的不斷反覆的溫度變化的循環。
因此,前述的由銅平板線所作成的太陽電池用中繼連接器與由矽等所作成的電池胞,因為是以錫焊接合在一起的,所以因太陽電池用中繼連接器的熱膨脹係數與電池胞的熱膨脹係數的不同所導致的熱變形會不斷累積在太陽電池用中繼連接器的内部。
傳統的太陽電池用中繼連接器係如前述般地,係由無氧銅以及精銅所構成,所以從0℃起迄90℃為止的溫度變化循環所引起的熱變形將會累積在内部而導致硬化。太陽電池用中繼連接器產生硬化的話,由脆性材料也就是由矽所作成的電池胞將會有發生破損之虞,太陽電池用中繼連接器本身也會有破損之虞。此外,欲獲得6N的高純度銅,必須先將4N(純度99.99%)的電解銅進一步實施精煉處理,因此生產成本將會大幅上昇。
尤其是最近為了要以低成本來生產太陽電池模組,不斷地發展電池胞的薄型化,所以因太陽電池用中繼連接器的硬化所導致的電池胞發生破損的可能性會更加昇高。
此外,由矽等所構成的電池胞的熱膨脹係數與銅平板線也就是太陽電池用中繼連接器的熱膨脹係數不同。欲將太陽電池用中繼連接器與電池胞接合的時候,係先將溫度昇高以使太陽電池用中繼連接器在伸長的狀態下與電池胞接合在一起,然而當冷卻時太陽電池用中繼連接器會收縮,將會有讓電池胞產生反翹的問題。如果電池胞產生了反翹的情況,有時候將無法構成太陽電池模組,有時候則是會產生無法安裝到框體的問題。再者,因為這種反翹現象,也會有導致電池胞發生破損之虞。
本發明係有鑒於前述的情事而進行開發完成的,其目的是要提供:一種太陽電池用中繼連接器用材料以及一種太陽電池用中繼連接器,即使是設置在室外使用而不斷承受從0℃起迄90℃為止的溫度變化循環的負荷的情況下,也不會硬化,可以防範電池胞、太陽電池用中繼連接器本身發生破損等的情事於未然。此外,另一種目的是要提供:一種太陽電池用中繼連接器用材料以及一種太陽電池用中繼連接器,係可吸收錫焊接合時所產生的熱應力,而可防止電池胞發生反翹現象。
為了解決前述的課題,本發明的太陽電池用中繼連接器用材料,係在太陽電池模組中,作為將電池胞彼此連接在一起的太陽電池用中繼連接器來使用的太陽電池用中繼連接器用材料,以質量百萬分比換算,係含有Zr以及Mg之中的至少一種為3ppm以上20ppm以下、O為5ppm以下,剩餘部份係由Cu以及不可避免的雜質所組成,殘留電阻率為300以上。
又,本發明的太陽電池用中繼連接器,係在太陽電池模組中,用來將電池胞彼此連接在一起的太陽電池用中繼連接器,係由前述的太陽電池用中繼連接器用材料所構成,且製作成截面呈矩形的平板線,在朝該平板線的延伸方向延伸的主要面的至少一面上,係形成有一無鉛焊料電鍍層。
根據這種構成方式的太陽電池用中繼連接器用材料以及太陽電池用中繼連接器,Zr以及Mg係可將作為不可避的雜質之一而存在於銅中的S(硫黃)加以固著,可使得中繼連接器用材料的軟化溫度變為100℃以下。如此一來,在受到直射陽光的照射而使得溫度上昇的時點,原本累積在太陽電池用中繼連接器内部的變形就被釋放,而得以防止太陽電池用中繼連接器的硬化。因此,可將電池胞、太陽電池用中繼連接器本身的破損等的問題防範於未然。
此外,藉由利用Zr以及Mg來將S(硫黃)予以固著,可謀求結晶粒徑的粗大化。是以藉由結晶粒徑予以粗大化,可使得太陽電池用中繼連接器的變形阻力變小,可抑制在錫焊接合時電池胞發生反翹現象。
此外,本發明係將殘留電阻率(RRR)選定在300以上,因此固熔在銅中的S(硫黃)等的雜質量很少,可將軟化溫度抑制成較低並且可謀求結晶粒徑的粗大化。此外,所稱的「殘留電阻率(RRR)」係指:常溫(273K)下的比電阻ρ273K 與液態氦溫度(4.2K)下的比電阻ρ4.2K 之比值ρ273K4.2K 。固熔的雜質量愈少的話,液態氦溫度(4.2K)下的比電阻ρ4.2K 就會變得愈低,因此殘留電阻率(RRR)會變大。
又,如果Zr及Mg未達3ppm的話,就無法獲得前述的效果,如果超過20ppm的話,太陽電池用中繼連接器的導電率將會降低,因此乃將Zr以及Mg之中的至少一種的含量選定為3ppm以上20ppm以下。此外,係將O(氧)含量選定在5ppm以下,所以除了可以抑制導電率的降低之外,又可防止因為Zr以及Mg(兩者皆為容易氧化的元素)的氧化所導致的損失。此外,可藉由在一般的無氧銅內添加Zr以及Mg,即可用低成本來生產本發明的太陽電池用中繼連接器用材料。
此外,太陽電池用中繼連接器用材料的平均結晶粒徑亦可選定為300μm以上。
此外,Zr以及Mg之中的至少一種的含量為10ppm以上15ppm以下亦可。
根據本發明,係可提供一種太陽電池用中繼連接器用材料以及太陽電池用中繼連接器,即使是設置在室外使用而不斷承受從0℃起迄90℃為止的溫度變化循環的負荷的情況下,也不會硬化,可以防範電池胞、太陽電池用中繼連接器本身發生破損等的情事於未然。此外,可提供一種太陽電池用中繼連接器用材料以及太陽電池用中繼連接器,係可吸收錫焊接合時所產生的熱應力,而可防止電池胞發生反翹現象。
[本發明的最佳實施方式]
以下,將佐以圖面來說明本發明的實施方式的太陽電池用中繼連接器。
在第1圖、第2圖顯示使用了本實施方式的太陽電池用中繼連接器32的太陽電池模組30。在第3圖、第4圖顯示構成太陽電池模組30的太陽電池的電池胞31。
在第1圖、第2圖所示的太陽電池模組30係具備有:複數個太陽電池的電池胞31、將這些太陽電池的電池胞31予以電性串聯在一起的太陽電池用中繼連接器32、與太陽電池用中繼連接器32相連接的導電板35、36。
太陽電池的電池胞31,例如係由pn結合的矽所作成,如第3圖以及第4圖所示,係概略呈正方形平板狀。在本實施方式中,每一邊的長度是130mm、厚度是0.18mm。
在這種太陽電池的電池胞31的表面上,配設著本實施方式的太陽電池用中繼連接器32。
太陽電池用中繼連接器32係截面呈矩形的銅平板線。在本實施方式中,寬度W係2mm、厚度t係0.2mm。在這個太陽電池用中繼連接器32上,係如第4圖所示,係在朝銅平板線的延伸方向延伸的2個主要面的至少一面上,形成有一無鉛焊料電鍍層33,藉由這個無鉛焊料電鍍層33來與太陽電池的電池胞31接合在一起。
並且這個太陽電池用中繼連接器32係由:以質量百萬分比換算,含有Zr以及Mg之中的至少一種為3ppm以上20ppm以下、含有O(氧)為5ppm以下,剩餘部份係由Cu以及雜質所組成,殘留電阻率(RRR)為300以上的太陽電池用中繼連接器用材料所構成的。此外,平均結晶粒徑係選定為300μm以上。
如第1圖以及第2圖所示,太陽電池用中繼連接器32係被接合於太陽電池的電池胞31的表面以及背面,而將隣接的太陽電池的電池胞31彼此予以電性連接在一起。此外,太陽電池用中繼連接器32係分別連接到正極的導電板35以及負極的導電板36。藉由這些太陽電池用中繼連接器32以及導電板35、36,太陽電池模組30中所具備的所有的太陽電池的電池胞31係串聯在一起。
接下來,說明本實施方式的太陽電池用中繼連接器用材料的製造方法。
首先,在第5圖顯示本實施方式的太陽電池用中繼連接器用材料的原料也就是粗銅線23的製造裝置之一例。這個粗銅線23的製造裝置1係具有:熔解爐A、保持爐B、鑄造流路C、鋼帶輪式連續鑄造機D、連續輥軋裝置E、捲帶機F。
熔解爐A在本實施方式中,係使用具有圓筒形的爐本體的直立爐。在爐本體的下部的圓周方向上,係在上下呈多段狀地配備有複數個噴火器(圖示省略)。從爐本體的上部將原料也就是電解銅投入。所投入的原料將因為前述噴火器的燃燒而被熔解,而可連續地製作成熔融銅水。
保持爐B係將熔解爐A所製作的熔融銅水保持在預定溫度的狀態下暫時地儲存,再將一定量的熔融銅水送到鑄造流路C。
鑄造流路C係將從保持爐B送來的熔融銅水移送到配置於鋼帶輪式連續鑄造機D的上方的澆注斗11。這個鑄造流路C係由例如Ar之類的非活性氣體(鈍氣)或者還原性氣體所密封著。此外,在這個鑄造流路C中,設置有利用非活性氣體(鈍氣)來對熔融銅水進行攪拌的攪拌手段(未圖示)。
在澆注斗11之熔融銅水的流動方向的終端側,配置有澆注嘴12,經由這個澆注嘴12,澆注斗11内的熔融銅水被供給到鋼帶輪式連續鑄造機D。
鋼帶輪式連續鑄造機D係具有:在外周面形成有溝的鑄造輪13、以接觸在這個鑄造輪13的外周面的一部的方式,進行循環移動的無端式鋼帶14,將經由澆注嘴12所供給的熔融銅水注入到形成在前述溝與無端式鋼帶14之間的空間,冷卻後即可連續地鑄造出條狀鑄塊21。
這個鋼帶輪式連續鑄造機D係與連續輥軋裝置E相連結。這個連續輥軋裝置E係對於從鋼帶輪式連續鑄造機D所製出的條狀鑄塊21進行連續的輥軋而預定的外徑的粗銅線23。從連續輥軋裝置E製出的粗銅線23再經過洗淨冷卻裝置15以及探傷器16之後,被捲取到捲帶機。
洗淨冷卻裝置15係將從連續輥軋裝置E所製出的粗銅線23利用酒精等的洗淨劑予以洗淨表面並且加以冷卻。
又,探傷器16係對於從洗淨冷卻裝置15送來的粗銅線23檢查是否有受傷。
接下來,說明本實施方式的太陽電池用中繼連接器用材料的製造方法。
首先,將4N(純度99.99%)的電解銅投入到熔解爐A內進行熔解。在此,藉由調整直立爐的複數個噴火器的空燃比以將熔解爐A的内部變成還原氣相氛圍,而可製得含氧量為20ppm以下的熔融銅水。
由熔解爐A所製得的熔融銅水將會經由保持爐B以及鑄造流路C而被移送到澆注斗。
此處,通過被非活性氣體(鈍氣)或還原性氣體所封閉的鑄造流路C的熔融銅水,係藉由前述攪拌手段的攪拌而可促進熔融銅水與非活性氣體或還原性氣體的反應。藉此,熔融銅水的含氧量可降低到5ppm以下。
在含氧量降低到5ppm以下的熔融銅水中連續地添加Zr以及Mg之中的至少一種,Zr以及Mg之中的至少一種的含量係被調整為3ppm以上20ppm以下。Zr以及Mg之中的至少一種的含量係被調整為10ppm以上15ppm以下更好。
成分調整後的熔融銅水係經由澆注嘴12被供給到鋼帶輪式連續鑄造機D,而連續地製造出條狀鑄塊21。此處,在本實施方式中,因為形成在鑄造輪13上的前述溝與循環式鋼帶14之間的空間係呈梯形,所以是製造出截面大致呈梯形的條狀鑄塊21。
這個條狀鑄塊21被供給到連續輥軋裝置E實施輥軋加工而製造出預定的外徑(在本實施方式中是直徑8mm)的粗銅線23。這個粗銅線23係被洗淨冷卻裝置15進行洗淨和冷卻,且利用探傷器16來檢查是否有外傷。
對於以這種方式所製得的直徑8mm的粗銅線23再進行伸線(抽製銅線)加工,因而製造出直徑1mm的銅線。然後,利用輥軋機來輥軋成厚度為200μm、寬度為2mm的平板狀,然後進行700℃以上800℃以下之1分鐘以上10分鐘以下的熱處理,而製得太陽電池用中繼連接器用材料。藉由這種熱處理工序,太陽電池用中繼連接器用材料的平均結晶粒徑將會變成300μm以上。此外,藉由添加了Zr以及Mg之中的至少一種,殘留電阻率(RRR)將會變成300以上。
將這種太陽電池用中繼連接器用材料(銅平板線)連續性地浸泡在SnAgCu的電鍍槽內,以形成電鍍層。在太陽電池用中繼連接器用材料(銅平板線)的全體表面上都形成無鉛焊料電鍍層33,而製造出本實施方式的太陽電池用中繼連接器32。此外,在本實施方式中,無鉛焊料電鍍層33的組成分係Sn和3.0質量%的Ag和0.5質量%的Cu。
具備了這種構成方式的太陽電池用中繼連接器32的太陽電池模組30係被配置於室外使用。太陽光等照射到太陽電池的電池胞31,所發電的電力係被太陽電池用中繼連接器32以及導電板35、36所收集。配置在室外的太陽電池模組30的表面溫度在受到直射陽光所照射的晝間將會上昇到達90℃附近,夜間則會下降到0℃附近,太陽電池用中繼連接器32將不斷地承受這種0℃起迄90℃為止的溫度變化的循環。
依據本實施方式的太陽電池用中繼連接器32,係由:以質量百萬分比換算,含有Zr以及Mg之中的至少一種,含量為3ppm以上20ppm以下、O含量為5ppm以下,其餘部分由Cu以及不可避免的雜質所組成的銅材料所構成的,因此Zr以及Mg係可將作為不可避免的雜質之一而存在於銅中的S(硫黃)加以固著,而使得太陽電池用中繼連接器的軟化溫度變為100℃以下。如此一來,在受到直射陽光照射而溫度上昇後的時點,原本累積在太陽電池用中繼連接器32的内部的熱變形就被釋放,而得以防止太陽電池用中繼連接器32的硬化。
又,S(硫黃)係受到Zr以及Mg所固著,因此可讓結晶粒徑變成300μm以上。如此一來,太陽電池用中繼連接器的變形阻力變小,可以抑制在進行錫焊接合時的電池胞發生反翹現象。
此外,在本實施方式中,係將殘留電阻率(RRR)選定為300以上,因此固熔在銅中的S(硫黃)等的雜質量很少,可將軟化溫度變得較低,並且可謀求結晶粒徑的粗大化。
又,因為是利用具備了:鋼帶輪式連續鑄造機D、連續輥軋裝置E的製造裝置來製造作為太陽電池用中繼連接器用材料的原料之粗銅線23,因此得以低成本來製造出太陽電池用中繼連接器用材料。在本實施方式中,係使用4N(純度99.99%)的一般的無氧銅等級的銅材料,無須進行特別的精錬處理,可以更近一步地謀求太陽電池用中繼連接器用材料的製造成本的減少。
以上係說明了本發明的實施方式,但是本發明並不侷限於此,只要是在不脫離本發明的技術思想的範圍內,亦可做適當的改變。
例如:雖然前述的說明中的太陽電池的電池胞的尺寸是每一邊的長度為130mm,厚度為0.18mm,但是太陽電池的電池胞的尺寸並無特別地限定。然而,因為在厚度為0.2mm以下的薄型的太陽電池的電池胞中,比較容易因反翹而產生龜裂,相對於此,本實施方式的太陽電池用中繼連接器的效果就更為顯著了。
此外,雖然係就由具備了鋼帶輪式連續鑄造機D、連續輥軋裝置E的製造裝置所製造的太陽電池用中繼連接器用材料加以說明,但是並不限定於此,例如亦可從將圓柱狀的鑄塊進行擠型加工而獲得的棒狀(條狀)素材來製造太陽電池用中繼連接器用材料。
此外,雖然係說明了將銅平板線浸泡在電鍍槽中進行通電而形成了無鉛焊料電鍍層的太陽電池用中繼連接器,但是並不限定於此,亦可利用其他的電鍍方法來形成無鉛焊料電鍍層。再者,這種無鉛焊料電鍍層係只要形成在朝銅平板線的延伸方向延伸的主要面之中的至少一個面上的話即可。
此外,無鉛焊料電鍍層的組成分也不必限定為:Sn-3.0質量%Ag-0.5質量%Cu,亦可以為其他的組成分。
[實施例]
以下將說明為了確認本發明的有效性而進行的確認實驗的結果。
這個確認實驗係先準備好:前述實施方式的太陽電池用中繼連接器用材料(本發明例1-9);作為比較例之Zr、Mg、O的含量脫離本發明的範圍之含有Zr以及Mg的銅材料;作為傳統例的4N(純度99.99%)的無氧銅,將這些製作成厚度為0.2mm、寬度為2mm、長度為150mm的試驗片。
對於這個試驗片進行700℃×10分鐘的熱處理之後,進行結晶粒徑的測定、殘留電阻率的測定、0.2%耐力的測定。
結晶粒徑的測定,是利用日立高科技公司製造的S4300SE電子顯微鏡,進行測定在測定視野面積為5000mm2 內的10個地方的平均結晶粒徑以及最大結晶粒徑與最小結晶粒徑的差值。
殘留電阻率(RRR)係根據四端子法,進行測定常溫(273K)時的比電阻ρ273K 與液態氦溫度(4.2K)時的比電阻ρ42K 之後計算出來的。
此外,依據日本工業規格的JIS Z 2241的基準,使用島津製作所製造的AG-5Knx拉力試驗機進行引伸試驗,以測定出0.2%耐力。
將測定結果顯示於表1。
如表1所示,在本發明例1-9中,殘留電阻率係被選定為300以上,藉由進行700℃×10分鐘的熱處理,確認出平均結晶粒徑為300μm以上。此外,也確認出0.2%耐力為50MPa以下,充分地軟化了。
相對於此,確認出在比較例1-3、以及在傳統例中,即使進行了700℃×10分鐘的熱處理,平均結晶粒徑還是很小,都還是100μm以上180μm以下,殘留電阻率未達300。此外,也確認出0.2%耐力為75MPa以上85MPa以下,軟化並不充分。
因此,確認出根據本發明例係可充分地吸收錫焊接合時的熱應力,而能夠防止電池胞發生反翹現象。
此外,將前述試驗片的兩端固定於鋁板,加熱至700℃之後再讓它承受從0℃至90℃的熱循環,並測定其0.2%耐力以及畢氏硬度。至於熱循環,係在密閉容器内以0℃保持10分鐘,在1個小時的時間內昇溫到達90℃為止,以90℃保持10分鐘,在1個小時內又冷卻到達0℃為止,將這種循環反覆實施100次,讓試驗片承受這種熱循環的負荷。
將實驗結果顯示於表2。
如表2所示,依據本發明例1-9,熱循環負荷前的0.2%耐力為41MPa以上50MPa以下,相對地,熱循環負荷後的0.2%耐力變為44MPa以上51MPa以下,可以確認出並未因為溫度循環而硬化。相對於此,在比較例1-3、以及在傳統例中,熱循環負荷前的0.2%耐力為75MPa以上85MPa以下,相對地,在熱循環負荷後的0.2%耐力則變成85MPa以上95MPa以下,可以確認出因為熱循環的關係而硬化。
因此,根據本發明例可確認出:即使太陽電池模組被配置於室外,承受到從0℃起迄90℃為止的熱循環負荷,太陽電池用中繼連接器也不會硬化,可防止太陽電池的電池胞發生龜裂等。
[産業上的可利用性]
依據本發明的太陽電池用中繼連接器用材料以及太陽電池用中繼連接器,可將中繼連接器用材料的軟化溫度變成100℃以下。如此一來,在受到直射陽光照射因而溫度上昇的時點,原本累積在太陽電池用中繼連接器的内部的變形就會被釋放,因此而可以防止太陽電池用中繼連接器的硬化。所以能夠防範電池胞或太陽電池用中繼連接器本身的破損等的問題於未然。
此外,藉由以Zr以及Mg來將S(硫黃)加以固著,可謀求結晶粒徑的粗大化。藉由以這種方式來使結晶粒徑粗大化,太陽電池用中繼連接器的變形阻力變小,可以抑制在錫焊接合時之電池胞發生反翹現象。
再者,因為是將殘留電阻率(RRR)選定在300以上,因此固熔在銅中的S(硫黃)等的雜質量很少,可將軟化溫度壓的更低,並且可謀求結晶粒徑的粗大化。
30...太陽電池用模組
31...太陽電池的電池胞
32...太陽電池用中繼連接器
33...無鉛焊料電鍍層
35...導電板
36...導電板
第1圖是具備本實施方式的太陽電池用中繼連接器的太陽電池模組的說明圖。
第2圖是第1圖中的X-X線剖面圖。
第3圖是具備於第1圖的太陽電池模組中的太陽電池的電池胞的說明圖。
第4圖是第3圖中的Y-Y線剖面圖。
第5圖是概略地顯示抽製粗銅線用的製造裝置的示意圖。
30...太陽電池用模組
31...太陽電池的電池胞
32...太陽電池用中繼連接器
35...導電板
36...導電板

Claims (5)

  1. 一種太陽電池用中繼連接器,係在太陽電池模組中,將電池胞彼此連接的太陽電池用中繼連接器,是由中繼連接器用材料所構成,該中繼連接器用材料,以質量百萬分比換算,係含有Zr以及Mg之中的至少一種為3ppm以上20ppm以下、O為5ppm以下,剩餘部份係由Cu以及不可避免的雜質所組成,殘留電阻率為300以上;藉由在將具有4N的純度的銅熔解成的熔融銅水添加上述Zr以及Mg之中的至少一種,進行成分調整而成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池用中繼連接器,其中,該太陽電池用中繼連接器是由上述中繼連接器用材料所構成,該中繼連接器用材料,以質量百萬分比換算,係含有Zr以及Mg之中的至少一種為10ppm以上15ppm以下。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池用中繼連接器,其中,該太陽電池用中繼連接器是由上述中繼連接器用材料所構成,該中繼連接器用材料,平均結晶粒徑為300μm以上。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的太陽電池用中繼連接器,其中,該太陽電池用中繼連接器是由上述中繼連接器用材料所構成,該中繼連接器用材料,平均結晶粒徑為300μm以上。
  5. 如申請專利範圍第1至4項其中任一項所述的太 陽電池用中繼連接器,其中,製作成截面呈矩形的平板線,在朝該平板線的延伸方向延伸的主要面之中的至少一面上,係形成有一無鉛焊料電鍍層。
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