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CN100474636C - 电极线材及具备由该线材形成的连接导线的太阳能电池 - Google Patents

电极线材及具备由该线材形成的连接导线的太阳能电池 Download PDF

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CN100474636C
CN100474636C CNB2004800141432A CN200480014143A CN100474636C CN 100474636 C CN100474636 C CN 100474636C CN B2004800141432 A CNB2004800141432 A CN B2004800141432A CN 200480014143 A CN200480014143 A CN 200480014143A CN 100474636 C CN100474636 C CN 100474636C
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Abstract

本发明涉及一种提供一种无需使用平辊、无接头带就能制造的焊料焊接性优异的电极线材，以及具有焊接该电极线材的连接导线的太阳能电池。该电极线材具有由条状导电材料形成的芯材(2)，和层积形成在上述芯材(2)表面的熔融焊镀层(5A)，上述芯材(2)沿长度方向形成熔融焊料收容用凹部(6)，上述熔融焊镀层(5A)填充形成在上述凹部(6)。上述熔融焊料收容用凹部(6)在该芯材宽度方向的开口宽度优选为上述芯材(2)的宽度的90%以上。且上述芯材(2)优选为由铜层(4)、(4)层积形成于低膨胀系数Fe合金形成的中间层(3)的两面的覆盖(clad)材料制成。

Description

电极线材及具备由该线材形成的连接导线的太阳能电池
技术领域
本发明涉及用作例如太阳能电池等电子部件的连接导线的电极线材。
背景技术
太阳能电池具备由具有PN结的硅半导体形成的半导体基板、与呈线状地设置于上述半导体基板表面的多个表面电极软钎焊接的连接导线，为得到所需的电动势，通常将多个太阳能电池串联使用。串联是通过将软钎焊接在一个太阳能电池表面电极上的连接导线与另一个太阳能电池的背面电极连接而形成的。
如图5所示，在上述连接导线与半导体基板的表面电极软钎焊接之前的电极线材具有截面为圆形的铜线经压延而压扁成平坦状的扁铜线构成的芯材51、在其两面层积形成的熔融焊镀层52、52。上述熔融焊镀层52、52是利用熔融焊接的方法，即，使得经酸洗等表面得到净化处理的芯材51通过熔融焊浴，而在上述芯材51的两面层积形成。当附着在芯材51上的熔融焊料凝固时，由于表面张力的作用，如图5所示，上述熔融焊镀层52由端部至中央部隆起呈山形。
在将上述电极线材软钎焊在半导体基板上时，要将加热温度严格控制在焊料熔点附近的温度。其理由是由于形成电极线材的芯材51的铜的热膨胀系数与形成半导体基板的例如硅的热膨胀系数相差很大。即，这是为尽量减小导致价格高昂的半导体基板上产生裂纹的热应力而在低温下实施软钎焊的原因。另外，实施软钎焊时，通常并用将半导体基板置于电热板上利用该电热板进行加热，以及从置于半导体基板上的电极线材的上方进行加热的两种方式进行加热。
但是，如图5所示，由于电极线材的熔融焊镀层的中部隆起呈山形，因此，在将电极线材软钎焊接在半导体基板的表面电极上时，为导通上述表面电极而预先形成于半导体基板表面的焊料带与熔融焊镀层的接触区域缩小，容易导致从半导体基板向熔融焊镀层的热传导不足。因此，就会出现伴随着实施软钎焊的温度的低温化容易导致软钎焊接不良的问题，严重时，在太阳能电池的使用期间，连接导线会从半导体基板上脱落。
为此，为使电极线材的熔融焊镀层的厚度尽量均匀，在熔融焊镀阶段，人们做出了各种努力。例如，在日本特开平7-243014号公报(专利文献1)中，揭示了在附着于由熔融镀浴导出的条状材料表面上的镀层处于熔融状态期间，在卷绕成卷的状态下使镀层凝固，或使附着有上述镀层的条状材料由一对无接头带夹持着凝固的技术。另一方面，在例如日本特开昭60-15937号公报(专利文献2)中，提出了在Fe、Ni合金之一的因瓦(Invar)合金(代表性组成：Fe-36％Ni)板的两面上层积铜板并形成一体的覆盖材料，以此作为与半导体材料的热膨胀差小的导电材料。
专利文献1：日本特开平7-243014号公报
专利文献2：日本特开昭60-15937号公报
发明内容
如上所述，为提高将电极线材软钎焊接在半导体基板上的焊料焊接性，使层积形成的电极线材上的熔融焊镀层尽量平坦即可，如专利文献1所述，为使镀层凝固呈平坦状，需要设置平辊、无接头带，严格控制待镀芯材(条状材料)的张力，或根据镀敷温度、镀敷速度改变辊径、带长等复杂操作。
本发明鉴于上述问题，目的在于提供一种无需平辊、无接头带等镀层平坦化凝固机构就能制造的焊料焊接性优异的电极线材，以及由该电极线材形成连接导线的太阳能电池。
本发明的电极线材具备由条状导电材料形成的芯材和层积形成在上述芯材表面的熔融焊镀层，上述芯材沿长度方向形成熔融焊料收容用凹部，上述熔融焊镀层填充形成于上述凹部。
根据该电极线材，由于电极线材的芯材形成熔融焊料收容用凹部，因此，在供给到上述凹部的熔融焊料凝固时，即使熔融焊料上表面张力起作用，熔融焊料的中央部也难于隆起，上述熔融焊镀层易于实现平坦状。为此，当为使上述熔融焊镀层与半导体基板的焊料带等被焊接部搭接，而将电极线材置于被焊接部表面上时，被焊接部和熔融焊镀层的接触区域与现有的山形熔融焊镀层相比更宽，导热导电性更高。因此，可提高电极线材的焊料焊接性，得到优异的接合性。
在上述电极线材中，为使供给到上述熔融焊料收容用凹部的熔融焊料凝固时，芯材整个宽度都易于变平坦，优选为所形成的上述熔融焊料收容用凹部在该芯材宽度方向的开口宽度为上述芯材宽度的90％以上。并且，为使所形成的上述熔融焊料收容用凹部的开口宽度较大，优选为，上述芯材在垂直于长度方向的截面的形状呈盘状或弯曲状，在该芯材的下凹一侧形成熔融焊料收容用凹部。这种形状是一种简单形状，便于加工，因此工业生产率也很高。
另外，上述芯材优选为由因瓦合金等Fe-Ni合金、科瓦(KOVAR，注册商标)合金等Fe-Ni-Co合金等与铜相比热膨胀系数低的低热膨胀系数Fe合金形成的中间层的两面层积铜层形成的覆盖材料形成。由于芯材由这种覆盖材料形成，与铜质材料相比，可大幅度降低热膨胀系数，故能减弱作为电极线材软钎焊接对象的半导体基板所产生的热应力，使得厚度更薄的半导体基板的应用成为可能，可谋求重量更轻、材料成本更低的半导体基板。
另外，可采用熔点130℃以上、300℃以下，不含铅的焊料形成上述熔融焊镀层。这种焊料的优点在于，由于不必担心会因含铅而造成环境污染，且熔点低，因此，在将电极线材软钎焊接到半导体基板上时，不易产生热应力。
另外，本发明的太阳能电池具备由具有PN结的半导体形成的半导体基板和软钎焊接在设置于上述半导体基板上的多个表面电极上的连接导线，上述连接导线由利用熔融焊镀层软钎焊接在设置于上述半导体基板上的多个表面电极的上述电极线材构成。
根据该太阳能电池，利用因熔融焊料收容用凹部而变得平坦的熔融焊镀层而将上述电极线材软钎焊接在半导体基板的表面电极上，利用该电极线材构成连接导线，因此，连接导线牢固地与半导体基板接合，不易从半导体基板上脱落，耐久性好。
发明的效果
根据本发明的电极线材，填充形成于芯材的熔融焊料收容用凹部的熔融焊镀层与现有制品相比，其表面易于实现平坦化，因此，能提高与形成于半导体基板等处的被焊接部的焊料焊接性，并提高电极线材的接合耐久性。
另外，根据本发明的太阳能电池，使用填充形成于熔融焊料收容用凹部的熔融焊镀层，使上述电极线材软钎焊接在半导体基板的多个表面电极上，构成连接导线，因此，连接导线牢固地与半导体基板连接，不易从半导体基板上脱落，提高了可操作性和耐久性。
附图说明
图1为表示本发明实施方式的电极线材的横截面图。
图2为表示本发明另一实施方式的电极线材的横截面图。
图3为表示本发明又一实施方式的电极线材的横截面图。
图4为表示本发明实施方式的太阳能电池的的立体示意图。
图5为表示现有电极线材的横截面图。
具体实施方式
图1为表示本发明实施方式一的电极线材示意图，该电极线材1具有由导电材料形成的条状芯材2和层积在其两侧表面的熔融焊镀层5A、5B。
上述芯材2由截面积相等的铜层4、4层积形成于因瓦合金形成的中间层3两面的覆盖材料构成。上述因瓦合金是Ni含量35～38质量％左右的Fe-Ni合金，其加工性良好，热膨胀系数为1.2×10-6/℃左右(Ni＝36.5质量％时)，与铜的16.5×10-6/℃相比，相当低。构成上述芯材2的中间层3与铜层4的构成比例可将使板面方向的热膨胀系数与作为铜焊(brazing)对象的半导体基板材料——例如与硅(热膨胀系数：3.5×10-6/℃)同等地设定即可，通常在垂直于电极线材1的长度方向的方向上的截面(横截面)中，使中间层3的面积比约为20～60％即可。可根据电极线材的用途决定合适的上述芯材2的宽度、厚度等，在用作后述太阳能电池的连接导线时，芯材的尺寸为宽1～3mm、厚0.1～0.3mm的程度。
上述芯材2沿长度方向，使横截面的形状呈一侧表面(图中下表面)的中央部下凹成平坦面的盘状(盘形截面状)，该下凹侧形成熔融焊料收容用凹部6。在上述凹部6，形成熔融焊料凝固而成的熔融焊镀层5A，其表面基本上呈平坦状。上述凹部的深度优选为最深部分约为10～30μm，而其宽度(下侧开口宽度)为芯材2的宽度的约90％以上。对宽度上限无特别限制，只要在下面整个宽度范围内设有开口即可。
上述熔融焊料收容用凹部6很容易通过对上述覆盖材料制条材(芯材原材料)进行适当的塑性加工、弯曲加工等而成形。例如，很容易利用使条材通过辊隙呈盘状截面形状的模辊加工而成。另外，在将平板状覆盖材料纵切而得到条材时，也可通过调整切刀旋转刃的间隔、旋转速度等对被切割的条材的侧端实施弯曲加工。
上述加工成盘状的芯材2是在经酸洗、有机溶剂等清洁过表面后，使芯材2通过熔融焊浴，而向芯材2的凹部6供给熔融焊料。与未设凹部6的情况相比(参照图5)，被供给并填充在芯材2的凹部6中的熔融焊料因表面张力的作用而抑制了位于凹部6的中央部的熔融焊料的隆起，易于使其表面平坦。
因此，供给并填充熔融焊料至上述凹部6基本上被填满，就易于使上述芯材2的整个宽度上的收容在上述凹部6中的熔融焊料表面乃至凝固后的熔融焊镀层5A的表面变得平坦。
为供给并填充熔融焊料至上述凹部6基本上被填满，进行熔融焊镀时，可通过适度控制熔融焊的浴温、镀敷速度，或通过在将芯材2浸渍在熔融焊浴中再提上来之后，通过吹送热风或通过用适当的刮取零部件刮除而除去由凹部6的从开口部隆起的多余的熔融焊料实施焊料填充。
形成上述熔融焊镀层5A、5B的焊料可使用熔点130～300℃左右的Sn-Pb合金、Sn-0.5～5质量％Ag合金、Sn-0.5～5质量％Ag-0.3～1.0质量％Cu合金、Sn-0.3～1.0质量％Cu合金、Sn-1.0～5.0质量％Ag-5～8质量％In合金、Sn-1.0～5.0质量％Ag-40～50质量％Bi合金、Sn-40～50质量％Bi合金、Sn-1.0～5.0质量％Ag-40～50质量％Bi-5～8质量％In合金等。由于Pb有可能对人体、自然环境造成污染，因此，为防止污染，优选为无Pb的Sn-Ag合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-In合金、Sn-Ag-Bi合金等焊料。另外，在上述各焊料中，为防止熔融焊料的氧化，可添加50～20ppm左右的P、几～几十ppm的Ga、几～几十ppm的Gd、几～几十ppm的Ge中的一种或两种以上。另外，上述熔融焊镀层5A、5B可采用Sn、Ag、Cu等各种纯金属，或使用它们的合金形成多层构造。此时，可调节各层的厚度，使熔融后能达到预期的合金组分。这样做的优点在于，一旦形成这种多层构造，仅通过调整各层厚度，就能轻易调节目的焊料的组分。可通过依次镀敷设定金属简单地形成多层构造。
在上述实施方式中，上述芯材2的横截面形状为上述凹部6的中央底部呈平坦状的盘状，但芯材的截面形状也并不仅限于此，例如，也可以是如图2所示的电极线材1A的芯材2，其截面形状整体呈弯曲状亦可。此时，熔融焊料收容用凹部6A的底面呈弯曲形的截面形状。另外，也可如图3的电极线材1B所示，在芯材2的下面侧的铜层4处形成截面形状为三角形的两个部分凹部6B、6B的截面形状。此时，熔融焊料收容用凹部由这两个部分凹部6B、6B构成。上述部分凹部6B、6B可轻易通过使覆盖材料的条材通过某个辊的表面形成有多个三角状突起的模辊，然后再下压而形成。当然，部分凹部的截面形状、数目等不仅限于图例所示，可采用适当的形状、数目。另外，在图2和图3所示的实施方式中，与上述图1的实施方式的电极线材1相同的结构被赋予相同的符号。
另外，在上述实施方式的电极线材1、1A、1B中，上述芯材2由Fe-35～38质量％Ni合金形成的中间层3的两面层积形成铜层4、4的覆盖材料构成，中间层也可由科瓦合金(注册商标)等低膨胀系数的Fe-29～37质量％Ni-6～18质量％Co合金或纯Fe形成。整个芯材可采用铜材形成，而采用上述覆盖材料(特别是中间层为上述Fe-Ni合金、Fe-Ni-Co合金等低膨胀系数Fe合金)形成芯材，就能使热膨胀系数接近于硅等半导体，在将电极线材软钎焊接在半导体基板上时，能减弱热应力。
图4表示采用上述实施方式一的电极线材1形成连接导线的太阳能电池，它具备由具有PN结的硅半导体形成的半导体基板11、软钎焊接在设置于上述半导体基板11的表面呈线状的多个表面电极12上的连接导线13。另外，在上述半导体基板11的背面，设有背面电极。
在软钎焊接上述连接导线13之前，在半导体基板11上形成与表面电极垂直相交配置的焊料带，使多个线状表面电极12导通。电极线材1置于半导体基板11上，使得沿着该焊料带，上述电极线材1的熔融焊镀层5A与上述焊料带搭接，并使半导体基板11的焊料带和电极线材1的熔融焊镀层5A一起熔融，从而将电极线材1软钎焊接在半导体基板11的表面。这样，半导体基板11与由上述电极线材1形成的连接导线13接合。
利用该太阳能电池，形成于电极线材1处的熔融焊镀层5A填充于凹部6，其表面被加工成平坦状，因此，焊料焊接性优良，连接导线13与半导体基板11牢固地结合在一起。因此，连接导线不易从半导体基板上脱落，耐久性好。另外，上述太阳能电池的连接导线13不仅限于实施方式一的电极线材1，也可采用其它实施方式的相关电极线材1A、1B，且无论采用何种电极线材，都能达到同样的效果。
下面，举出实施例来具体说明本发明的电极线材，但本发明不能解释为受下述实施例所限。
实施例
制备因瓦合金(Fe-36.5质量％Ni)制厚度为60μm的中间层的两面层积有60μm铜层的覆盖材料(厚度0.18mm)。以该覆盖材料为原料，用切刀制作宽为2mm的条材，再用该条材切得长40mm的实施例的芯材。在切割时，调节旋转刃的间隔，如图1所示，对芯材的宽度方向端部实施弯曲加工，将芯材的横截面形状加工成盘状。用光学显微镜(放大倍数200倍)观察其截面形状的结果是：形成于芯材下凹侧的凹部的最大深度约为20μm，其开口宽度约为芯材宽度的95％。另一方面，由厚度0.18mm、宽2mm的铜质扁线制备长40mm的比较例芯材。
用有机溶剂(丙酮)清洁这些芯材的表面后，将其浸渍在熔融焊浴(焊料组成：Sn-3.5质量％Ag，熔点220℃，焊浴温度300℃)中，快速提起，从而在芯材表面形成熔融焊镀层，得到电极线材。在实施例的电极线材中，熔融焊镀层呈填充于上述凹部中的状态，且在芯材整个宽度的表面层积形成，并呈基本上平坦的形状，而比较例的电极线材如图5所示，由芯材的侧端至中央部隆起呈山形。
在如上所示制备的实施例、比较例的电极线材上涂敷适量焊剂(日本SUPERIOR公司，NS-30)，分别将电极线材载置于无氧铜条(厚度0.5mm，宽度4mm，长度40mm)上，使沿其长度方向，在宽度方向的中央部载置熔融焊镀层与铜条抵接。将其置于电热板上加热(260℃下保持1分钟)，将电极线材软钎焊接在铜条上。
之后，采用拉伸试验机，使上述电极线材和铜条呈相反方向地进行拉伸，使电极线材与铜板剥离，测量实现该剥离所需的拉力。对各试样进行5次试验，求取其平均值。结果是：实施例为14.1N，比较例为8.1N。由此确认，实施例的电极线材能得到约为比较例制品1.7倍的接合力，具有优异的焊料焊接性。

Claims (9)

1.一种电极线材，其特征在于，具有：
由条状导电材料形成的芯材，和层积形成在所述芯材表面的熔融焊镀层，
所述芯材沿长度方向形成熔融焊料收容用凹部，所述熔融焊镀层填充形成在所述凹部。
2.如权利要求1所述的电极线材，其特征在于，所述熔融焊料收容用凹部在所述芯材宽度方向的开口宽度为所述芯材宽度的90％以上。
3.如权利要求2所述的电极线材，其特征在于，所述芯材在垂直于长度方向的截面的形状呈弯曲状，在该芯材的下凹一侧形成所述熔融焊料收容用凹部。
4.如权利要求2所述的电极线材，其特征在于，所述芯材在垂直于长度方向的截面的形状呈盘状，在该芯材的下凹一侧形成所述熔融焊料收容用凹部。
5.如权利要求1～4任一项所述的电极线材，其特征在于，所述芯材为由包括在Fe-Ni合金或Fe-Ni-Co合金构成的与铜相比热膨胀系数低的低热膨胀系数Fe合金形成的中间层的两面上层积铜层而形成的覆盖材料形成。
6.如权利要求1～4任一项所述的电极线材，其特征在于，所述熔融焊镀层通过熔点为130℃以上、300℃以下，不含铅的焊料形成。
7.一种太阳能电池，其特征在于，具备：
由具有PN结的半导体形成的半导体基板，和设置于所述半导体基板的表面上的多个表面电极上软钎焊接的连接导线，
所述连接导线由权利要求1～4任一项所述的电极线材构成，通过熔融焊镀层软钎焊接在设置于所述半导体基板上的多个表面电极上。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述电极线材的芯材为由包括在Fe-Ni合金或Fe-Ni-Co合金的与铜相比热膨胀系数低的低热膨胀系数Fe合金形成的中间层的两面上层积铜层而形成的覆盖材料形成。
9.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述电极线材的熔融焊镀层通过熔点为130℃以上、300℃以下，不含铅的焊料形成。
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