TWI630049B - 超音波焊接方法及超音波焊接裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種超音波焊接方法及超音波焊接裝置，其目的在於能夠對在被焊接部分中不含有Ag、鉛或者混入量經削減之電極等進行焊接。
本發明係具有下述步驟：預備加熱步驟，係對將在任意部分塗佈有不含有Ag、Cu、Pb之膏並經燒結後之基板或該基板上之膏部分，預備加熱至低於焊料之熔融溫度第1指定溫度；以及超音波焊接步驟，係在前述預備加熱步驟中已預備加熱至第1指定溫度的前述基板之膏部分，藉由將抵接之烙鐵尖端部分調整至第2指定溫度的狀態，使前述烙鐵尖端部分抵接於前述膏部分，或者在抵接於前述膏部分的同時進行移動，而對該膏部分進行焊接；該第2指定溫度係在施加超音波的狀態下所供給的焊料產生熔融，並且低於未施加超音波時焊料會熔融之溫度。

Description

超音波焊接方法及超音波焊接裝置
本發明係有關於對在基板上之塗佈膏並經燒結後之部分進行焊接之超音波焊接方法及超音波焊接裝置。
以往，利用可再生能源之一之太陽電池，係以20世紀的主角之半導體技術作為基礎而進行其開發。其為影響人類生存之全球性水準的重要開發。該開發課題不僅是將太陽光轉換成為電能之效率，亦一邊面對削減製造成本及無公害的課題一邊進展。實現該等之著手進行，削減或不使用在電極所使用的銀(Ag)和鉛(pb)之使用量係特別重要的。
通常，太陽電池的構造，係如第16圖(a)的平面圖及(b)的剖面圖所示，係由以下的各要素所構成：N型/P型的矽基板43，其係將太陽光能源轉換成為電能；氮化矽45，其係具有防止矽基板43的表面之反射之機能且為絕緣體薄膜；指狀電極(finger electrode)42，其係取出在矽基板43中所產生的電子；匯流排電極(bus bar electrode) 41，其係以指狀電極42收集所取出的電子；及引出導線47，其係將收集至匯流排電極41之電子取出至外部。
其中，在匯流排電極(匯流電極，bus electrode)41及指狀電極42使用銀(銀膏)及鉛(鉛玻璃)，較佳為將不使用銀或削減銀的使用量，更甚者，將鉛(鉛玻璃)的使用量削減或不使用，使其形成為低成本且無公害。
特別是，為了燒結形成上述電極(匯流排電極41、指狀電極42)，以往係使用銀膏(或一部分銅膏)，該銀膏中，由於含有銀成分(粉末)、玻璃成分(鉛玻璃)、有機材料成分、有機溶劑成分、樹脂成分，故期望將其中前兩者之銀成分(粉末)以及玻璃成分(鉛玻璃)不使用，而改由替代物替換(例如替換為NTA玻璃(於後述說明))，再於此經網版印刷並燒結而形成之電極(沒有Ag、Cu、Pb)焊接引出導線等。
為了燒結而形成構成上述例如太陽電池之電極(匯流排電極41及指狀電極42等)，不使用以往之銀膏中的銀成分(粉末)以及玻璃成分(鉛玻璃)，改由替代物(例如NTA玻璃)置換，其中，由不使用或削減銀、鉛之NTA膏(日本特願第2015-191857號)經燒結而形成之電極部分中，由於沒有Ag等(或僅有些微Ag)，發生不能進行以往之焊接法之情形。
期望有解決此情形，而在沒有或僅有些微 Ag等之部分(電極等)進行焊接。
本發明人等，發現可在由膏中使用100%後述之NTA玻璃(釩酸鹽玻璃)，並且在由不含有或僅混入些微之Ag及玻璃(鉛玻璃)之膏(以下稱為膏)經燒結而作成之匯流電極等之上進行焊接之方法。亦發現藉由該方法進行焊接之太陽電池係相較於使用以往之銀膏之情形，可作成具有較優異特性的太陽電池(於後述說明)。於該NTA膏經燒結之部分(電極等)焊接之手法係不限定於上述之太陽電池之匯流電極等，係在網版印刷等中作成電極等之時亦可使用之焊接手法。
本發明係根據該等發現，可以在由不使用或僅混入些微銀、且鉛(鉛玻璃)的使用量削減或不使用之膏(例如NTA膏)經燒結而作成之例如太陽電池的匯流電極(匯流排電極)上進行後述之超音波焊接，以於表面上焊接焊料(也就是鍍覆焊料)、以及引出導線等，使得如以往之安裝成為可能，此結果，能夠對於被焊接部分中不含有Ag及鉛或混入量經削減之電極進行焊接。
因此，本發明係一種焊接方法，其係對在基板上的任意部分塗佈膏且經燒結後之部分進行焊接之焊接方法，且具有下述步驟：預備加熱步驟，係對在任意部分塗佈有不含有Ag、Cu、Pb之膏並經燒結後之基板或該基板上之膏部分，預備加熱至低於焊料之熔融溫度之第1指定溫度；以及超音波焊接步驟，係在前述預備加熱步驟 中已預備加熱至第1指定溫度的前述基板之膏部分，藉由將抵接之烙鐵尖端部分調整至第2指定溫度的狀態，使前述烙鐵尖端部分抵接於前述膏部分，或者在抵接於前述膏部分的同時進行移動，而對前述膏部分進行焊接；該第2指定溫度係在施加超音波的狀態下所供給的焊料產生熔融，並且低於未施加超音波時焊料會熔融焊料之溫度。
此時，將第1指定溫度設為室溫以上至第2指定溫度範圍內之溫度。
又，將前述第2指定溫度設為較未施加超音波時焊料會熔融之溫度低10至40℃範圍內之溫度。
又，作為不含有Ag、Cu、Pb之膏，係設為不含有Ag、Cu、Pb且釩酸鹽玻璃為100wt%，或，不含有Cu、Pb且含有Ag為0以上至50wt%而剩餘為釩酸鹽玻璃之NTA膏。
又，焊料係至少含有Sn、Zn、Cl。
又，在超音波焊接步驟中進行焊接之際，為了使膏中的有機溶劑不殘留，係事先對該膏部分進行乾燥或加熱乾燥。
又，以塗佈於基板上之膏部分盡可能地成為平滑的方式進行燒結。
又，超音波設為20KHz至150KHz之頻率。
本發明係如上述，藉由使用不含有Ag、Cu、Pb之例如導電性的NTA玻璃100%的NTA膏，甚至NTA 玻璃設至50%左右(亦可更減少含量)的NTA膏以取代以往的銀(或Cu)膏來燒製電極，並於該電極進行超音波焊接，發現即使不使用在以往的銀膏中之銀或削減其使用量，且削減鉛(鉛玻璃)的利用量或不使用，亦可對膏燒結部分進行焊接而安裝引出導線等。藉此，具有下述之特徵。
第1係為了形成例如太陽電池之匯流排電極(匯流電極)，使用屬於導電性釩酸鹽玻璃之NTA玻璃(參照日本註冊商標第5009023號，日本專利第5333976號)100%，進一步為至50%左右，以取代銀膏，即使不使用Ag或削減其使用量，更甚至削減鉛(鉛玻璃)的使用量或不使用，亦可藉由本發明之超音波焊接對膏燒結部分進行焊接。
第2係藉由將例如匯流排電極(匯流電極)使用NTA玻璃100%至50%左右(亦可更減少含量)，由目前初期階段的實驗結果可得到與太陽能轉換為電子能量之效率幾乎相同或略高之發揮作為匯流排電極效果之電極形成(參照第15圖)。考察此係由於NTA玻璃形成如下者所達成：(1)具有導電性；(2)藉由使用NTA玻璃使指狀電極形成與該匯流排電極(匯流電極)的上面為相同高度之部分、或穿出而於上面突出之部分，並以導線之本發明的超音波焊接來接合該等部分，結果，高電子濃度領域與導線直接以指狀電極連接；以及，其他因素(參照例如下述「第3」)。
第3係與以往的不同，其在於使用之膏係含有與指狀電極之形成與匯流排電極之形成為不同的玻璃料。以往，在指狀電極的形成中，必須產生稱為燒穿(fire through)之現象。此是藉由使用作為銀的燒結助劑之玻璃料中之成分分子，例如鉛玻璃中的鉛分子之作用，以使其突破經形成在矽基板之表層的氮化矽膜而形成指狀電極之方式，有效率地收集生成在矽基板之電子。然而，在匯流排電極之形成時，並不需要燒穿現象。以往，由於匯流排電極亦使用含有鉛成分之鉛玻璃作為燒結助劑而進行燒結，因此結構不同之匯流排電極與矽基板會形成電性導通路而發生轉換效率削減之情形。藉由於匯流排電極形成所使用的燒結助劑使用不會發生燒穿現象之NTA玻璃，可消除轉換效率之削減。而且，在以NTA膏燒結而成之匯流排電極之部分，可以本發明之超音波焊接焊接引出導線而取出電荷。
1、11、43‧‧‧矽基板
2、16、46‧‧‧背面電極
3‧‧‧氮化膜
4、42‧‧‧指狀電極
5‧‧‧匯流排電極
6‧‧‧焊料
7‧‧‧條帶
12‧‧‧高電子濃度區域(擴散摻雜)
13‧‧‧絕緣膜(氮化矽膜)
14‧‧‧電子取出口(指狀電極)
15、41‧‧‧匯流排電極
17、171‧‧‧導線
21‧‧‧預備加熱台
22‧‧‧超音波烙鐵
23‧‧‧超音波發送機及加熱器
24‧‧‧烙鐵尖端部分
44‧‧‧N/P擴散層
45‧‧‧氮化矽
47‧‧‧引出導線電極
71‧‧‧銅
72‧‧‧預焊料
第1圖係本發明的一實施例構成圖。
第2圖係本發明的一實施例構成圖(其2)。
第3圖係本發明的動作說明流程圖(太陽電池的電極部之焊接)。
第4圖係本發明的動作說明流程圖(接續)(太陽電池的電極部之焊接)。
第5圖係本發明的超音波焊接例(NTA100%)，(a)係超音波焊接前(NTA100%)，(b)係超音波焊接後(NTA100%)。
第6圖係本發明的超音波焊接例(NTA50%)，(a)係超音波焊接前(NTA50%)，(b)係超音波焊接後(NTA50%)。
第7圖係本發明的一實施例構造圖(步驟的完成圖：剖面圖)。
第8圖係本發明的動作說明流程圖。
第9圖係本發明的詳細步驟說明圖(其1)。
第10圖係本發明的詳細步驟說明圖(其2)。
第11圖係本發明的詳細說明圖(匯流排電極的燒製)，(a)係匯流排電極(銀100%)，(b)係匯流排電極(銀50%/NTA50%)，(c)係匯流排電極(NTA100%)，(d)係藉由超音波焊接形成亦接合該部分，機械接合程度大；第11圖中導線17係焊料形成，導線171係超音波焊接形成。
第12圖係本發明的說明圖(含有銀50%、NTA50%之匯流排電極)(其1)，(a)係全體圖，(b)係放大圖。
第13圖係本發明的說明圖(含有NTA100%之匯流排電極，指狀電極與匯流排電極同時燒製者)(其2)，(c)係TKS%100電池，本製成例中清楚明白指狀電極係穿出匯流排電極。
第14圖係本發明的說明圖(超音波焊接)，(a)、(b)及(c)參照說明書第[0103]至[0105]段，(d)係NTA玻璃(100%)。
第15圖係本發明的測定例(效率)。
第16圖係先前技術之說明圖，(a)係平面圖，(b)係剖面圖。
[實施例1]
第1圖表示本發明之一實施例構成圖。該第 1圖係太陽電池之電極的超音波焊接之例，下述將以在匯流排電極5上超音波焊接作為引出導線之條帶7之例進行詳細地說明。此處，超音波焊接係包含對電極鍍覆焊料(引出導線等)，及對電極焊接導線等，下述亦相同。
第1圖(a)係示意性表示經超音波焊接後的主要部分之正視圖，第1圖(b)係示意性表示點線圓形狀部分經放大之側面圖。
在第1圖(a)及(b)中，太陽電池係具有由：設置在矽基板1之背面之背面電極2，接著設置在矽基板1之正面的氮化膜3、匯流排電極5、以貫穿氮化膜3之態樣取出產生在矽基板1之PN層之電子的指狀電極4、在指狀電極4的上面以焊料6經本發明之超音波焊接之條帶7(引出導線)所構成之結構。此處，示意性表示在作為電極之匯流排電極5的上面以焊料6將條狀7超音波焊接時的樣子。
關於匯流排電極5，由於由本發明人等所發現之不含有Ag、Cu、Pb且釩酸鹽玻璃設為100wt%之NTA膏(日本特願第2015-202461號)經燒結而形成的該匯流排電極5中，完全不含有Ag、Cu、Pb，又或者，由不含有Cu、Pb且Ag含有0以上至50wt%而剩餘為釩酸鹽玻璃所構成之NTA膏燒結而形成的該匯流排電極中，Ag為50%以下，因此屬於使用以往之普通的焊接法時無法焊接或極為困難進行之電極。特別是在完全不含有Ag、Cu、Pb之匯流排電極5之情形，完全無法進行以往之焊接，而在Ag含有50%以下之情形，只有含Ag之部分可焊接，其他部 分則無法焊接且機械強度極弱，有剝離之情形。在本發明之超音波焊接中，發現可對NTA膏經燒結之部分，亦即，對不含有Ag、Cu、Pb等之部分、或者含有及不含有之部分全部進行超音波焊接(超音波鍍覆焊料)，如同實驗的結果(參照第5圖、第6圖之照片)。
在第2圖中，焊料6係在匯流排電極5的上面進行超音波焊接之焊料，且為至少含有Sn、Zn、Cl之焊料，以本發明之超音波烙鐵尖端部分24熔融進行焊接者。
條帶7係從匯流排電極5將電荷取出至外部的引出導線，此處，在銅的條帶的上面及下面事先附加預焊料72，使銅71的條帶7藉由焊料6而容易超音波焊接在匯流排電極5。
預備加熱台21係載置太陽電池整體且預備加熱至第1指定溫度(室溫以上、超音波焊接時焊料會熔融之溫度以下的範圍內之溫度)者。藉由以預備加熱台21進行預備加熱，在匯流排電極5之焊接部分，自未圖式的超音波焊接裝置的超音波烙鐵尖端部分24所供給之熱量只需少量即可，可以小容量的超音波焊接裝置進行超音波焊接，並且超音波烙鐵尖端部分24之溫度控制成為容易且可順利進行超音波焊接順利。
接著，根據第1圖之構成，使用第2圖詳細地說明進行超音波焊接時之構成。
第2圖係表示本發明之一實施例構成圖(其2)。
第2圖(a)係示意性表示對應於第1圖(b)之太陽電池之主要部份的側面圖，第2圖(b)與(c)係示意性表示以超音波烙鐵22將匯流排電極5超音波焊接時之正視圖。第2圖(b)係表示將焊料6焊接於匯流排電極5之情形者，亦即，在匯流排電極5之上鍍覆焊料情形之構成，第2圖(c)係表示將焊料6與經預焊料之條帶7焊接於匯流排電極5之情形者，亦即，在匯流排電極5之上焊接條帶7情形之構成。
由於第2圖(a)係與第1圖(b)相同而省略說明。
在第2圖(b)及(c)中，超音波烙鐵22係表示本發明之超音波焊接裝置之1例，其如圖所示，係由烙鐵尖端部分24、將烙鐵尖端部分24加熱及供給超音波之超音波發送機以及加熱器23所構成者(參照表2)。通常係使用20KHz至150KHz範圍內之頻率，而在實驗中則使用60KHz者。加熱容量係取決於預備加熱台21之溫度，但在實驗中使用10W左右者(附有自動溫度調整)(使用對應依據超音波焊接部分(匯流排電極5部分)之尺寸所得的熱容量之容量者)。
烙鐵尖端部分24係用於使焊料6熔融並且加熱匯流排電極5之超音波焊接部分的溫度而進行超音波焊接者。烙鐵尖端部分24在實驗中如圖所示，係使用圓柱的尖端頭部切成45度左右之斜面者，惟不限於此形狀，為了提高量產製作等，亦可使用橢圓形狀或任意形狀、進一 步使用旋轉之旋轉體或滑動之滑動台等，只要可將超音波及熱傳導至要進行超音波焊接的部分則任何形狀皆可。
如第2圖(b)之構成，可藉由將供給至超音波烙鐵22之烙鐵尖端部分24之焊料6超音波焊接在匯流排電極5之上，而在匯流排電極5之上進行鍍覆焊料。
如第2圖(c)之構成，可藉由將供給至超音波烙鐵22之烙鐵尖端部分24之焊料6與經預焊料之條帶7超音波焊接在匯流排電極5之上，而在匯流排電極5之上焊接條帶7(引出導線)。又，亦可事先如第2圖(b)所示進行預焊料，並在其上超音波焊接條帶7。
表1係表示本發明之說明圖。表1係表示焊料材料等。表1係表示將第1圖、第2圖所述之太陽電池之匯流排電極5之本身的材料、條帶7等予以焊接之焊料6之材料等之1例。
如上所述，本發明中由於匯流排電極5係由NTA玻璃之膏(NTA膏)經燒製所形成，在以往的焊料的情況下並無法或極為難以進行焊接，然而，以本發明之超音波焊接，在預備加熱狀態下使用焊料6進行焊接，藉此以超音波焊接極良好地在匯流排電極5之上焊接鍍覆焊料及條帶7(引出導線)，係業經實驗可確認到(參照第5圖、第6圖之照片)。
接著，按照第3圖及第4圖之流程圖的順序，根據第1圖、第2圖及表1之構成，詳細地說明太陽電池之電極部(例如匯流排電極5)之超音波焊接之步驟。
第3圖係表示本發明之動作說明流程圖。
在第3圖中，S1係形成NTA匯流排電極。此為第1圖、第2圖及表1之匯流排電極5，將NTA玻璃100wt%(至50wt%)之NTA膏進行網版印刷且燒結，形成由NTA所構成之匯流排電極5。而且，匯流排電極5係如右側所記載。
1.以使膏中之不殘留有機溶劑之方式進行處理(溶劑揮散)。
2.以使NTA玻璃電極表面成為平滑之方式進行燒結。
又，所謂1.之以使膏中之不殘留有機溶劑之方式進行處理(溶劑揮散)，係指為了使NTA膏中之不殘留有機溶劑，而進行乾燥處理、或加熱乾燥處理，使膏中的溶劑充分地蒸發(揮散)消除。殘留溶劑時，會發生超音 波焊接無法順利進行之現象。
所謂其2.之以使NTA玻璃電極成為平滑之方式進行燒結，係指要注意在對成為第1圖、第2圖之匯流排電極5之部分網版印刷NTA膏並燒結之時，以盡可能成為平滑之方式進行網版印刷，並且在燒製時及燒結後以盡可能成為平滑之方式進行燒結。反過來說，要注意避免形成細小的凹凸，以盡可能成為平滑之方式燒結。若為不平滑時，會發生超音波焊接無法順利進行之現象。
S2係將基板載置於加熱台上，加溫至當供給超音波時焊料會熔化之溫度以下的溫度。此預備加熱溫度，在超音波烙鐵尖端部分24抵接於焊料6且供給超音波並同時加熱時，由於焊料6在略低於未供給超音波時的溫度便會熔融，因此將烙鐵尖端部分24之溫度設定(調整)至較該焊料6在供給超音波時會熔融之溫度(稱為第2指定溫度)更低之溫度(第1指定溫度(為室溫以上，供給超音波時焊料的熔融溫度以下))。此外，第2指定溫度係位於邊供給超音波邊加熱焊料6時焊料6會熔融之溫度範圍內，較未供給超音波之情形之焊料6之熔融溫度低之溫度，通常低10至40℃範圍內的溫度(由於取決於焊料的種類而藉由實驗求得)。
S3係將烙鐵尖端部分24，溫度提高至對焊料供給超音波時會熔融之溫度的範圍內。
S4係對烙鐵尖端部分24供給超音波20至150KHz。該等S3、S4係在對烙鐵尖端部分24供給超音波 20至150KHz的同時，提高其溫度，設定(調整)至焊料6會熔融之溫度(第2指定溫度)。
藉由上述之S1至S4，完成在NTA膏經燒結而形成之匯流排電極5上進行超音波焊接之準備，亦即，完成將烙鐵尖端部分24抵接於焊料6並使焊料6熔融而於匯流排5進行超音波焊接之準備。
在第4圖中，S5係接續S4，在匯流排電極之上面焊接焊料(鍍覆焊料)。此為將藉由S1至S4完成超音波焊接準備的烙鐵尖端部分24，如上述之第2圖(b)所示，在與匯流排電極5的上面供給焊料6的同時，抵接該烙鐵尖端部分24，使焊料6熔融而在匯流排電極5上進行超音波焊接。藉由此超音波焊接，如第5圖(b)及第6圖(b)所示，使焊料6焊接在匯流排電極5上。
藉由上述，可在匯流排電極5的上面將焊料6超音波焊接(鍍覆焊料)。
S6係以附加條帶1的方式與S3及S4同樣地進行。此與第3圖之S3及S4同樣進行，為了將經預焊料72之條帶7超音波焊接於匯流排電極5，將烙鐵尖端部分24設定(調整)為第2指定溫度並且供給超音波，形成為可超音波焊接條帶7之狀態。若熔融之焊料為與鍍覆焊料匯流排電極5時為相同之焊料，則第2指定溫度及超音波係與S3、S4時相同，若為不同者則供給(施加)適合(依照焊料6、預焊料72等之種類經由實驗所求取)於其之第2指定溫度及超音波。
S7係以附加條帶2之方式，將超音波烙鐵尖端部分抵接於條帶並進行焊接。此為將超音波烙鐵尖端部分24抵接於條帶7，使被預焊料72於該條帶7之焊料、或被鍍覆焊料於匯流排電極5之焊料、或從外部供給之焊料熔融而超音波焊接於匯流排電極5。
S8係完成。此意指完成在匯流排電極5上面之銅的條帶7的超音波焊接。
藉由上述，可在構成太陽電池之NTA膏經網版印刷並燒製後之匯流排電極5之上，利用超音波焊接進行鍍覆焊料，並進一步焊接條帶7。
表2表示本發明之超音波焊接裝置之特性例。此表示在第1圖至第4圖及表1所述之試作實驗中使用之超音波焊接裝置的特性之1例。
在表2中，作為超音波焊接裝置之特性，係在試作實驗中使用所圖式之下述者。在量產時由於考量到量產性，所以只要能在所述之第1圖至第4圖及表1中所述之由NTA膏經燒製而作成之匯流排電極5等之上面良好地進行超音波焊接，則可採用任何特性者。
(加熱器的溫度，非烙鐵尖端部分之溫度)
此外，烙鐵尖端部分24之溫度係由未圖式的溫度計進行計測(例如將熱電偶埋入烙鐵尖端部分24進行實測。而且，根據此實測值自動調整至第2指定溫度)。
第5圖係表示本發明之超音波焊接例(NTA100%)。圖式之照片係表示有關在第3圖及第4圖所說明之NTA膏(NTA100%)經網版印刷並燒結而形成之匯流排電極5(NTA100%)，在超音波焊接前及後之照片。
第5圖(a)係表示超音波焊接前(NTA100%)之照片例。在第5圖(a)之照片上，橫向之棒狀者為指狀電極4(Ag100%，參照第1圖、第2圖)，如包覆在指狀電極4之上的縱向之帶狀者為經本次的試作實驗之NTA膏(100%)經燒製而形成之匯流排電極(NTA100%)5。對於此匯流排電極(NTA100%)5之部分，在本發明中係抵接烙鐵尖端部分24而進行焊接，或附加條帶，進行試作實驗。
第5圖(b)係表示在第5圖(a)之匯流排電極(NTA100%)5之上，按照所述之第3圖、第4圖之步驟僅超 音波焊接焊料6之照片例。實際上，係將作為使電荷取出至外部之引出導線使用之條帶7予以超音波焊接，但由於焊接有條帶7時並無法看見其以下的狀態，故此處表示實驗性地僅將焊料6予以超音波焊接後者。如圖所示，匯流排電極(NTA100%)5之部分，可明確見到淺白色的焊料被焊接在匯流排電極(NTA100%)5上的樣子。
如上述，藉由在匯流排電極(NTA100%)上按照本發明第3圖、第4圖之步驟進行超音波焊接，可確認到在以往無法進行焊接之NTA100%之匯流排電極5上能夠焊接焊料6之情形(本發明人等發現此事實)。
接著，與第5圖之NTA100%同樣地，關於NTA50%之匯流排電極5之照片例表示在第6圖。
第6圖係表示本發明之超音波焊接例(NTA50%)。圖式的照片係表示有關在第3圖及第4圖所說明之NTA膏(NTA50%)經網版印刷並燒結而形成之匯流排電極(NTA50%)5，在超音波焊接前及後之照片。
第6圖(a)係表示超音波焊接前(NTA50%)之照片例。在第6圖(a)之照片上之上端部分的橫向之棒狀者為指狀電極4(Ag100%，參照第1圖、第2圖)，如包覆在指狀電極4之上的縱向之帶狀者為經本次的試作實驗之NTA膏(50%)經燒製而形成之匯流排電極(NTA50%)5。對於此匯流排電極(NTA50%)5之部分，在本發明中係抵接烙鐵尖端部分24而進行焊接，或附加條帶，進行試作實驗。
第6圖(b)係表示在第6圖(a)之匯流排電極 (NTA50%)5之上，按照已述之第3圖、第4圖之步驟僅超音波焊接焊料6之照片例。實際上，係將作為使電荷取出至外部之引出導線使用之條帶7進行超音波焊接，由於焊接有條帶7時並無法看見其以下的狀態，故此處表示實驗性地僅將焊料6超音波焊接者。如圖所示，匯流排電極(NTA50%)5之部分，可明確見到淺白色的焊料被焊接在匯流排電極(NTA50%)5上的樣子。
如上所述，藉由在匯流排電極(NTA50%)上按照本發明第3圖、第4圖之步驟進行超音波焊接，可確認到在以往無法或極為難以進行焊接、或容易剝離的NTA50%之匯流排電極5上能夠焊接焊料6之情形(由本發明人等發現)。
下述，將上述之經本發明的超音波焊接之太陽電池之匯流排電極5等作成時的實施例(實驗例)進行詳細地說明(以下的實施例係與日本特願第2015-180720號(申請日：平成27年9月14日)之發明者、申請人為相同之申請案的實施例)。
第7圖係表示本發明之一實施例構造圖(步驟的完成圖：剖面圖)。
於第7圖中，矽基板11為公知的半導體矽基板。
高電子濃度區域(擴散摻雜層)12係藉由擴散摻雜等於矽基板11之上形成有所期望的p型/n型的層之公知的區域(層)，在圖中從上方向入射太陽光時，會在矽 基板11產生電子(發電)且積蓄該電子之區域。在此，所積蓄的電子係藉由電子取出口(指狀電極(銀))14朝上方向被取出(參照發明之效果)。
絕緣膜(氮化矽膜)13係使太陽光通過(穿透)且使匯流排電極15與高電子濃度區域14電性絶緣之公知的膜。
電子取出口(指狀電極(銀))14係經由形成在絕緣膜13的孔穴而將積蓄在高電子濃度區域12中的電子取出之口(指狀電極)。指狀電極14在本發明中如圖所示，當以NTA玻璃100%(至71%左右)燒製匯流排電極15時，指狀電極14係形成(燒製)與匯流排電極15之上面為相同高度的部分、或穿出而於上面突出的部分，而可經由該指狀電極14使高電子濃度區域12中的電子直接流入至導線17(直接取出電子)。亦即，可用高電子濃度區域12、指狀電極14、匯流排電極15、導線17的路徑1(傳統的路徑1)，與高電子濃度區域12、指狀電極14、導線17的路徑2(本發明所追加的路徑2)這2條路徑將高電子濃度區域12中的電子(電流)經由導線17取出至外部，就結果而言，係可使高電子濃度區域12與導線17之間的電阻值為非常小，減低損失，就結果而言係可提升太陽電池的效率。
匯流排電極(電極1(NTA玻璃100%))15係電性連接複數個電子取出口(指狀電極)14之電極，為不使用到Ag或削減Ag的使用量之對象的電極(參照發明之效果)。
背面電極(電極2(鋁))16係形成在矽基板11 的下面之公知的電極。
導線(焊接形成)17，係電性連接複數個匯流排電極15的將電子(電流I)取出至外部的導線；或更進一步將該導線超音波焊接接合在本發明中之指狀電極14與匯流排電極15的上面為相同高度的部分或穿出匯流排電極15的上面的部分，而將電子(電流)取出至外部的導線。
基於以上之第7圖的構造，從上往下方向照射太陽光時，太陽光係通過無導線17和無電子取出口14的部分及絕緣膜13，入射至矽基板11而產生電子。然後，積蓄於高電子濃度區域12的電子，係經由電子取出口(指狀電極)14、匯流排電極15、導線17的路徑1，以及電子取出口(指狀電極)14、導線17的路徑2這兩個路徑被取出至外部。此時，如後述之第11圖至第15圖，在焊膏中混入100%至71%(亦可更少，參照第15圖)之NTA玻璃(導電性玻璃)作為玻璃料(frit)且進行燒製而形成匯流排電極15，能夠不使用Ag或減低Ag的使用量。以下將依序詳細地說明。
第8圖係表示本發明之動作說明流程圖，第9圖及第10圖係表示各步驟的詳細構造。
在第8圖中，S1係準備矽基板11。
S2係進行清洗。該等S1、S2係如第9圖(a)所示，將在S1所準備的矽基板11之面(形成高電子濃度區域12的面)良好地清洗。
S3係進行擴散摻雜。此係如第9圖(b)所 示，在第9圖(a)所清洗過的矽基板11之上進行公知的擴散摻雜，形成高電子濃度區域12。
S4係形成抗反射膜(氮化矽膜)。此係如第9圖(c)所示，在形成第9圖(b)的高電子濃度區域12後，藉由公知的手法形成例如氮化矽膜作為抗反射膜(使太陽光通過，而且盡可能減少表面反射之膜)。
S5係網版印刷指狀電極。此係如第9圖(d)所示，在形成第9圖(c)的氮化矽膜13後，網版印刷形成之指狀電極14的圖案。印刷材料係例如使用在銀混入鉛玻璃作為玻璃料者。
S6係對指狀電極進行燒製且使其燒穿。此係對第9圖(d)的進行網版印刷後之指狀電極14的圖案(混入銀與鉛玻璃的玻璃料而成者)進行燒製，如第9圖(e)所示，使氮化矽膜13燒穿而形成於其中形成有銀(導電性)之指狀電極14。
S7係網版印刷匯流排電極(電極1)。此係如第10圖(f)所示，在形成第9圖(e)的指狀電極14後，網版印刷形成匯流排電極15的圖案。印刷材料係例如使用NTA氣體(100%)者作為玻璃料。
S8係燒製匯流排電極(電極1)，使指狀電極穿出NTA玻璃(匯流排電極)或形成相同高度。此係對在第10圖(f)的進行網版印刷後之匯流排電極15的圖案(NTA玻璃(100%)的玻璃料)進行燒製(燒製時間即便較長亦為1分鐘以內，燒製1至3秒以上)，如第10圖(g)所示，匯流排 電極15係形成於最上層，且為本發明之特徵，指狀電極14係形成與形成於其最上層的匯流排電極15之上面為相同高度的部分、或穿出匯流排電極15之上面的部分。
此外，進行S5及S7的印刷，亦可將兩者同時燒製。
S9係形成背面電極(電極2)。此係如第10圖(h)所示，於矽基板11的下側(背面)形成例如鋁電極。
S10係超音波焊接形成導線，其中，指狀電極及NTA玻璃(匯流排電極)係一同超音波焊接形成。此係如第10圖(i)所示，以焊接形成電性連接第10圖(g)的匯流排電極之導線，例如以超音波焊接而形成並電性連接，則可以高電子濃度區域12、指狀電極14、匯流排電極16、導線17的路徑1(傳統的路徑1)，與高電子濃度區域12、指狀電極14、導線17的路徑2(本發明所追加的路徑2)這兩種路徑，將高電子濃度領域12中的電子(電流)經由導線17取出至外部，可以使高電子濃度區域12與導線17之間的電阻值為非常小而減少損失，進而提升太陽電池的效率。亦即，本發明所追加的路徑2係指狀電極14的一端位於高電子濃度區域12之中，且具有另一端與NTA玻璃100%之匯流排電極15的上面為相同高度的部分或穿出匯流排電極15之上面的部分，並於該部分直接接合(以超音波焊接直接接合)導線，因此形成高電子濃度區域12、指狀電極14、導線17的路徑2。又，路徑1為傳統的路徑。
藉由以上的步驟，能夠於矽基板製作太陽電池。
第11圖係表示本發明之詳細說明圖(匯流排電極的燒製)。
第11圖(a)係示意性表示以銀100%、NTA0%(重量比)燒製匯流排電極之例，第11圖(b)係示意性表示以銀50%、NTA50%(重量比)燒製匯流排電極之例，第11圖(c)係示意性表示以NTA100%(重量比)燒製匯流排電極之例。燒製時間即便較長亦為1分鐘以內，且設為1至3秒以上。
如第11圖(a)、第11圖(b)及第11圖(c)之圖式，以成為大致相同構造之方式所形成的太陽電池之試作實驗，可得到如下述的實驗結果。
試作實驗結果，就印刷匯流排電極的圖案之材料而言，在第11圖(a)及第11圖(b)製成太陽電池時的轉換效率為平均約17.0%，係得到大致相同的結果，再者，在第11圖(c)係得到轉換效率為平均約17.2%。由初期實驗結果得知，該等第11圖(a)至(c)均於大致相同的轉換效率之範圍內，或者第11圖(c)的NTA 100%為稍高的轉換效率。此外，NTA玻璃係由釩、鋇、鐵所構成，特別是鐵係在內部強力地鍵結且殘留於該內部，具有即便與其他材料混合其結合 性亦極小的性質(參照日本專利第5333976號等)，更且推測是由所述的本發明之高電子濃度區域與導線之間的路徑(路徑1與路徑2並列)之改善所致。
第12圖及第13圖係表示本發明之說明圖(匯流排電極)。
第12圖(a)及第12圖(b)為NTA 50%、Ag50%者，其中，第12圖(a)係表示全體平面圖，第12圖(b)係表示放大圖。第13圖(c)為NTA 100%、Ag 0%者，而第13圖(c)係表示放大圖。
於第12圖(a)及第12圖(b)中，匯流排電極15係如第12圖(a)的全體平面圖所示，為長條狀的電極，將此以光學顯微鏡放大時，可觀察到如第12圖(b)所示的構造。
於第12圖(b)中，匯流排電極15在使用傳統的Ag及鉛玻璃的玻璃料進行燒製時，Ag係均勻地分散，但在使用本發明之Ag及NTA玻璃的玻璃料進行燒製(即便較長亦為1分鐘以內、1至3秒以上的燒製)時，如該第12圖(b)所示，清楚明白Ag聚集形成在匯流排電極15的中央部分。因此，如在發明之效果一段所說明，於Ag混入NTA玻璃並進行短時間燒製(即便較長亦為1分鐘、1至3秒以上的燒製)時，Ag會聚集在中央部分而使導電性提升(相較於傳統Ag均勻地分散之情況，導電性會提升)，且因NTA玻璃本身亦具有導電性等總合性作用，即便減少Ag的比例而增加NTA玻璃，製造作為太陽電池時的轉換 效率係如前述，為約16.9%，在實驗中可得到大致相同的結果。
而且，燒製溫度為500℃至900℃，惟需視實驗而決定在製成作為太陽電池時最適之溫度。過低或過高均無法得到如第12圖(b)的構造，需依實驗而決定。
於第13圖(c)中，匯流排電極15係圖式的中央部分之橫向寬度較寬的條狀之電極，表示本發明之NTA 100%的放大照片之1例。
能清楚明白，此第13圖(c)的匯流排電極15係具有於縱向之寬度較窄的指狀電極14穿出該匯流排電極15而於上側稍微突出的部分，且該突出的部分之周圍較原本的指狀電極14的寬度更粗。然後，在圖示的匯流排電極15之上，以與該匯流排電極15的寬度相同、寬度稍小、或稍大的寬度，以如後述第14圖所詳細說明之方式進行超音波焊接，藉此可以前述的路徑1(光電子濃度區域12、指狀電極14、匯流排電極15、導線17的路徑1)及路徑2(光電子濃度區域12、指狀電極14、導線17的路徑2)之兩種路徑導電連接高濃度電子區域與該導線，減少電子(電流)的損失而有效率地取出至外部，得到與第12圖(a)、(b)大致相同的轉換效率，或稍高的轉換效率(約17.2%)。
而且，燒製溫度為與第12圖(a)、(b)大致相同的500℃至900℃，惟需依實驗而決定製成作為太陽電池時最適之溫度。過低或過高均無法得到如第13圖(c)的構造，需依實驗而決定。
第14圖係表示本發明之說明圖(超音波焊接)。此係前述第13圖(c)的NTA 100%之情況者(而且，同樣可適用於第12圖(a)、(b))。
第14圖(a)係表示指狀電極14經燒製後的狀態。
第14圖(b)係表示傳統例，其係在第14圖(a)的匯流排電極15之上，焊接以虛線表示之在此圖為稍大(亦可為相同或較小)的導線17。在此傳統例中，係進行一般的焊接，故指狀電極14所突出的部分(Ag)係與導線17焊接接合，惟指狀電極14之未突出的部分(NTA100%的部分)與導線17並未充分地焊接接合，機械強度並不充分。另一方面，在後述的第14圖(c)之超音波焊接時係焊接接合，機械強度會大幅提升。
第14圖(c)係表示本發明之例，其係在第14圖(a)的匯流排電極15(第13圖(c)的匯流排電極15)之上超音波焊接以虛線表示之稍大的導線17。此本發明之例中，進行超音波焊接，故指狀電極14突出的部分(Ag)與導線17係焊接接合，而且，無指狀電極14的部分(NTA100%的部分)與導線17亦焊接接合，故機械強度大幅提升，同時提升了前述的路徑2(高電子濃度區域12、指狀電極14、匯流排電極15、導線17的路徑2)之導電性。
第15圖係表示本發明之測定例(效率)。本第15圖係針對前述的匯流排電極15使NTA由100%變化至70%時之良好的測定例，第15圖的橫軸係表示樣本的編 號，縱軸係表示效率(%)。樣本設為： 以該等製成太陽電池，各測定結果(效率)係如圖式所示。此外，由於是初期實驗，故如圖所示，測定結果中呈現相當的離散，但均落在16.9至17.5的範圍內，且即便在以NTA 100%製成匯流排電極15(亦即，不含Ag而製成)來製造太陽電池時，仍可得到與NTA 70%(或進一步為80%、90%)相比為相同程度或稍高的效率，而能清楚明白亦可使用NTA 100%(發明人等發現此事實)。

Claims (11)

  1. 一種超音波焊接方法，其係對在基板上任意部分塗佈膏並經燒結後之部分進行焊接之焊接方法，且具有以下步驟：預備加熱步驟，係在任意部分塗佈不含有Ag、Cu、Pb且釩酸鹽玻璃為100wt%之NTA膏，或者不含有Cu、Pb且含有Ag為0以上至50wt%而剩餘為釩酸鹽玻璃之NTA膏，作為不含有Ag、Cu、Pb之膏並經燒結後之基板或該基板上之膏部分，預備加熱至低於焊料之熔融溫度之第1指定溫度；以及超音波焊接步驟，係在前述預備加熱步驟中已預備加熱至第1指定溫度的前述基板之膏部分，藉由將抵接之烙鐵尖端部分調整為第2指定溫度的狀態，而使前述烙鐵尖端部分抵接於前述膏部分、或一邊抵接一邊移動，而焊接於該膏部分；該第2指定溫度係在施加超音波的狀態下所供給的焊料產生熔融，並且低於未施加超音波時焊料會熔融之溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波焊接方法，其中，前述第1指定溫度設為室溫以上至前述第2指定溫度之範圍內的溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波焊接方法，其中，前述第2指定溫度設為較未施加超音波時焊料會熔融之溫度低10至40℃範圍內之溫度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之超音波焊接方法，其中，前述第2指定溫度設為較未施加超音波時焊料會熔融之溫度低10至40℃範圍內之溫度。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之超音波焊接方法，其中，前述焊料係至少含有Sn、Zn、Cl。
  6. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之超音波焊接方法，其中，在前述超音波焊接步驟中進行焊接時，為了使膏中的有機溶劑不殘留，而對該膏部分事先進行乾燥或加熱乾燥。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之超音波焊接方法，其中，在前述超音波焊接步驟中進行焊接時，為了使膏中的有機溶劑不殘留，而對該膏部分事先進行乾燥或加熱乾燥。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之超音波焊接方法，其中，以塗佈於前述基板之膏部分盡可能地成為平滑的方式進行燒結。
  9. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之超音波焊接方法，其中，前述超音波設為20KHz至150KHz之頻率。
  10. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之超音波焊接方法，其中，前述基板上的塗佈膏之部分係作為太陽電池之電極部分。
  11. 一種超音波焊接裝置，其係對在基板上任意部分塗佈膏並經燒結後之部分進行焊接之焊接裝置，且具有以下手段：預備加熱手段，係在任意部分塗佈不含有Ag、Cu、Pb且釩酸鹽玻璃為100wt%之NTA膏，或者不含有Cu、Pb且含有Ag為0以上至50wt%而剩餘為釩酸鹽玻璃之NTA膏，作為不含有Ag、Cu、Pb之膏並經燒結後之基板或該基板上之膏部分，預備加熱至低於焊料之熔融溫度低之第1指定溫度；以及超音波焊接手段，係在前述預備加熱步驟中經預備加熱為第1指定溫度的前述基板之膏部分，藉由將抵接之烙鐵尖端部分，在調整至第2指定溫度的狀態，使前述烙鐵尖端部分抵接於前述膏部分，或者在抵接的同時進行移動，而對該膏部分進行焊接；該第2指定溫度係在施加超音波的狀態下所供給的焊料產生熔融，並且低於未施加超音波時焊料會熔融之溫度。
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