(57)【要約】【課題】隣接する光電変換素子同士を十分な接続強度を保って接続された光電変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板１上に形成された一つの光電変換素子の一方側電極７、８と隣接する光電変換素子の上記基板１の裏面とを銅箔から成る配線材９で接続した光電変換装置であって、上記配線材９における上記基板１の裏面との接続部をアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆することによって、配線材９と隣接する光電変換素子とを十分な接続強度で接続する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板上に形成された一つの光電変換素子の一方側電極と隣接する光電変換素子の前記基板の裏面とを銅箔から成る配線材で接続した光電変換装置において、前記配線材における前記基板の裏面との接続部をアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記配線材における前記一方側電極との接続部をハンダで被覆したことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記配線材を被覆するハンダがＳｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｂｉのうちの２種以上から成る合金ハンダであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板上に形成された一つの光電変換素子の一方側電極と隣接する光電変換素子の前記基板の裏面とを銅箔から成る配線材で接続する光電変換装置の製造方法において、前記配線材における前記基板の裏面との接続部をアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆して超音波融着若しくはレーザースポット溶接で前記基板の裏面に接続することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電変換装置とその製造方法に関し、特に粒状結晶半導体を用いた光電変換装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の粒状結晶半導体を用いた光電変換装置を図５に示す。この光電変換装置では、第１のアルミニウム箔１７に開口を形成し、その開口にｐ形の上にｎ形表皮部を持つシリコン球１６を結合し、球１６の裏側のｎ形表皮部を除去し、第１のアルミニウム箔１７の裏面側に酸化物絶縁層３を形成し、シリコン球１６の裏側の酸化物絶縁層３を除去し、シリコン球１６と第２のアルミニウム箔１８とを接合し、第１のアルミニウム箔１７と第２のアルミニウム箔１８とを超音波等で接合する光電変換装置が開示されている（例えば特開昭６１−１２４１７９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示すような光電変換装置においては、第１のアルミニウム箔１７と第２のアルミニウム箔１８とを超音波等で接合するが、シリコン球１６と第２のアルミニウム箔１８とを接合するときの処理温度がアルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以下であるため、接合が不安定になり、第１のアルミニウム箔１７の端部と第２のアルミニウム箔１８の折り返し部分１９とを超音波融着する際に、シリコン球１６と第２のアルミニウム箔１８とが剥離する等の問題があった。
【０００４】
本発明は上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的はアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板の裏面と配線材とを高い接合強度で接合することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る光電変換装置は、裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板上に形成された一つの光電変換素子の一方側電極と隣接する光電変換素子の前記基板の裏面とを銅箔から成る配線材で接続した光電変換装置において、前記配線材における前記基板の裏面との接続部をアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆したことを特徴とする。
【０００６】
上記光電変換装置では、上記配線材における上記一方側電極との接続部をハンダで被覆することが望ましい。
【０００７】
上記光電変換装置では、前記配線材を被覆するハンダがＳｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｂｉのうちの２種以上から成る合金ハンダであることが望ましい。
【０００８】
また、請求項４に係る光電変換装置の製造方法では、裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板上に形成された一つの光電変換素子の一方側電極と隣接する光電変換素子の前記基板の裏面とを銅箔から成る配線材で接続する光電変換装置の製造方法において、前記配線材における前記基板の裏面との接続部をアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆して超音波融着若しくはレーザースポット溶接で前記基板の裏面に接続することを特徴とする。
【０００９】
本発明の光電変換装置によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板の裏面と配線材とを高い接合強度で接合することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１および図２は、本発明で用いられる光電変換素子を示す図である。図１および図２において、１は基板、２は粒状結晶半導体、３は絶縁体、４は半導体層、５は透明導電層、６は基板のアルミニウムと粒状結晶半導体のシリコンとの合金層、７及び８は一方側電極、９は配線材である。
【００１１】
基板１はアルミニウム以上の融点の金属、セラミックなどであればよく、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス、ニッケル合金、アルミナ等が用いられる。そして基板１がアルミニウム以外の材料の場合は、その材料とアルミニウムから成る電極層１’の構成とする。
【００１２】
基板１上には、第一導電型の結晶半導体粒子２を多数配設し、アルミニウムとシリコンとの共晶温度である５７７℃以上の温度で処理することによって、基板１と結晶半導体粒子２を溶着する。この結晶半導体粒子２は、Ｓｉにｐ形を呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等、又はｎ形を呈するＰ、Ａｓ等を微量元素含んだものである。
【００１３】
絶縁体３は、正極と負極の分離を行うための絶縁材料からなり、例えば低温焼成用ガラス材料から成るフィラーを含有したガラス組成物、或いはシリコーン樹脂を主成分とする絶縁体がある。このような絶縁材料を基板１上の結晶半導体粒子２間の隙間に充填する。
【００１４】
半導体層４は例えばＳｉから成り、気相成長法等で例えばシラン化合物の気相にｎ形を呈するリン系化合物の気相、又はｐ形を呈するホウ素系化合物の気相を微量導入して形成する。膜質としては結晶質、非晶質、結晶質と非晶質とが混在するもののいずれでもよい。半導体層４中の微量元素の濃度は高くてもよく、例えば１×１０１６〜１０２１ａｔｍ／ｃｍ３台程度である。更に、半導体層４は粒状結晶半導体２の表面に沿って形成し、粒状結晶半導体２の凸曲面形状に沿って形成することが望ましい。粒状結晶半導体２の凸曲面状の表面に沿って形成することによってｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、粒状結晶半導体２の内部で生成したキャリアを効率よく収集することが可能となる。なお、その外郭にｎ形を呈するＰ、Ａｓ等、又はｐ形を呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等が微量含まれている粒状結晶半導体２を用いる場合には、半導体層４はなくてもよく、その上に下記の透明導電層５を形成してもよい。
【００１５】
半導体層４上には透明導電層５を形成する。透明導電層５はスパッタリング法や気相成長法等の成膜方法あるいは塗布焼成等によって形成し、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等から選ばれる１種又は複数の酸化物系膜を形成する。透明導電層５は膜厚を選べば反射防止膜としての効果も期待できる。
【００１６】
半導体層４あるいは透明導電層５上に保護層（不図示）を形成してもよい。このような保護層としては透明誘電体の特性を持つものがよく、例えば酸化珪素、酸化セシウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化チタン、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２、酸化タンタル、酸化イットリウム等を単一組成又は複数組成で単層又は組み合わせて半導体層４又は透明導電層５上にＣＶＤ法やＰＶＤ法等で形成する。保護層は、光の入射面に接しているために、透明性が必要であり、また半導体層４又は透明導電層５と外部との間のリークを防止するために、誘電体であることが必要である。なお、保護層の膜厚を最適化すれば反射防止膜としての機能も期待できる。
【００１７】
直列抵抗値を低くするために、一方側電極７（７ａ、７ｂ）として半導体層４又は透明導電層５の上に一定間隔のフィンガー電極部７ａ及びバスバー電極部７ｂから成るパターン電極を設けて直接又は間接的に半導体層４と接続し、変換効率を向上させる。電極材料としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化型樹脂をバインダーとし、導電粉と少量の溶媒から成る低温形成の導電性ペーストを用いる。このような導電粉としては、銀粉或いは表面を銀で被覆した銅粉がよい。
【００１８】
配線材９は、ハンダ１１で被覆された銅箔１０から成り、バスバー電極部７ｂ上にハンダ１１で接合する。ハンダ１１はバスバー電極部７ｂとの接合を担う。ハンダを構成する材料としては少なくともＳｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、ＢＩのうちの２種以上から成る合金ハンダからなる。
【００１９】
上記のように形成した光電変換素子において、一つの光電変換装置の一方側電極７と他の光電変換装置の他方側電極となる基板１の裏面とを接続する。接続方法としてはハンダによる接合や超音波融着等があるが、基板１の裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合は、アルミニウムとハンダ材料とは元来親和性が弱いためにハンダによる接合では十分な接合強度が得られない。
【００２０】
そこで、図３に示す超音波融着又は図４に示すレーザースポット溶接で接続する。この場合、配線材９の基板１の裏面との接合部は、ハンダ１１の膜厚が厚いと、ハンダ材料とアルミニウムとは元来親和性が弱いこととレーザーによる加熱時にハンダ材料が沸騰してボイドが発生することから、充分な接合強度が得られない。充分な接合強度を得るにはハンダ１１の膜厚の薄いものがよく、膜厚としては２０μｍ以下であれば充分な接合強度が得られる。
【００２１】
これは、超音波融着では、ハンダ１１の膜厚が薄いと超音波で溶融したハンダ１１が融着時の押し付け圧で基板１と銅箔１０との間で部分的に除外されて銅１０と基板１のアルミニウムが融着したためと考えられる。また、レーザースポット溶接では、ハンダ１２の膜厚が薄いとレーザーによる加熱時にハンダ１２が沸騰するときに基板１と銅箔１０との間で部分的に除外されて銅と基板１のアルミニウムが溶着したためと考えられる。
【００２２】
配線材９のハンダ被覆方法としては一般に溶融ハンダ槽内に銅箔１０を浸漬して被覆する方法があるが、溶融ハンダ槽内から銅箔１０を取り出す際に、銅箔１０の一方の面に不活性ガスを吹き付ける方法や銅箔１０の一方の面をハンダ１１よりも融点の高い金属で掻き取る方法がある。また、配線材９の一方の面にハンダ１１を被覆しない方法として、銅箔の一方の面にハンダ１１と親和性の弱い材料、例えばアルミニウム等を蒸着等で被覆した後に、溶融ハンダ槽内に銅箔１０を浸漬することによって、一方の面にはハンダ１１が無く、もう一方の面のみハンダ１１で被覆することができる。アルミニウムの膜厚は、銅表面がハンダで被覆されないような膜厚であればよく、数十ｎｍから数μｍあればよい。一方の面にアルミニウムを蒸着等で被覆した配線材９では、超音波融着及びレーザースポット溶接で問題なくアルミニウムと接続できる。
【００２３】
なお、超音波融着のヘッドが基板の表面に接触すること、安定して接続を行うこと及び一方側電極との分離を確実にするために、隣接する基板側は表面側に粒状結晶半導体、半導体層、透明導電層及び一方側電極を形成していない部分の裏面側で接続を行う。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明する。
実施例として以下のようにして作製した試料を用いた。アルミニウム合金基板、ＳＵＳ４３０上にＮｉ箔を介して両面にアルミニウム合金層を冷間圧延した基板上に、ｐ形シリコン粒子をランダムに並べて大気中でアルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度で５〜３０分加熱してシリコン粒子をアルミニウム合金に接合した。その上にシリコン樹脂を主成分とする絶縁体３を焼成後の厚みがシリコン粒子２の粒径の半分近くになるように塗布し、大気中の約３００℃で５〜３０分加熱して絶縁体３を形成した。その後ｐ形シリコン粒子の上部表面をクリーニングするために弗酸水溶液（ＨＦ：純水＝１：１００）で２〜５分洗浄し、シリコン粒子２と絶縁体３の上にｎ形結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混晶の半導体層４を３００ｎｍの厚みに形成し、更に透明導電層５としてＩＴＯ膜を８０ｎｍの厚みに形成した。
【００２５】
上記のように作製した光電変換素子の透明導電層５上に、熱硬化型樹脂から成る銀ペーストでフィンガー電極７ａを、熱硬化型樹脂から成る銀コート銅ペーストでバスバー電極７ｂをディスペンサで塗布し、２５０℃で３０分熱処理して硬化することで一方側電極７を形成した。その上に表１に示す各種配線材９をハンダ溶着でバスバー部７ｂに接合した試料を作製した。そして他の光電変換装置の他方側電極となる基板１の裏面とを接続して光電変換装置とした。なお、ハンダはＳｎＣｕＮｉハンダを使用し、接続方法として超音波融着、レーザースポット溶接で接続したときの接続強度をプッシュプルゲージで配線材を基板の裏面から引っ張ったときの強度で評価した結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
2004063500.tif 000003
【００２７】
比較例１、２、３では、ハンダの膜厚が薄くなるに従って接続強度が向上する傾向にあるが、比較例３でも１．３Ｎ、１．８Ｎと強度不足であった。
【００２８】
一方、実施例１、２、３では５Ｎ以上の強度が得られ、実施例４のＡｌで被覆したものはハンダがない実施例３と同等の強い接続強度が得られた。
【００２９】
以上のことから、本発明の光電変換装置によれば、配線材と基板との間で十分な密着性を保って形成することが可能となり、光電変換装置同士の接続が十分な強度で接続できることが確認できた。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る光電変換装置によれば、裏面がアルミニウム又はアルミニウム合金から成る基板上に形成された一つの光電変換素子の一方側電極と隣接する光電変換素子の基板の裏面とを、この基板の裏面に接続される部分がアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆した配線材で接続することから、配線材と隣接する光電変換素子とを十分な接続強度で接続できる。
【００３１】
また、請求項４に係る光電変換装置の製造方法によれば、配線材における基板の裏面との接続部をアルミニウムもしくは２０μｍ以下の膜厚を有するハンダで被覆して超音波融着若しくはレーザースポット溶接で接続することから、配線材と隣接する光電変換素子とを十分な接続強度で接続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に係る発明の一実施形態を示す断面図である。
【図２】請求項１に係る発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図３】請求項４に係る発明の一実施形態を示す断面図である。
【図４】請求項４に係る発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】従来の光電変換装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１　・・・基板
１’・・・アルミニウムから成る電極層
２　・・・第一導電形の粒状結晶半導体
３　・・・絶縁体
４　・・・逆導電形の半導体層
５　・・・透明導電膜
６　・・・基板のアルミニウムと粒状結晶半導体のシリコンとの合金層
７　・・・一方側電極
９　・・・配線材
１０　・・銅箔
１１　・・ハンダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004063500.tif 000007
【図５】
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