(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙飛行に使用される太陽発電機用の金を含有する電気導体から成る太陽電池接続部材において、
電気導体が、銀、パラジウム、銅の群の中から選んだ少なくとも一つの金属を最大０．１重量パーセント含有し、それ以外が金である合金で構成されることを特徴とする太陽電池接続部材。
【請求項２】
当該の金合金が、銀、パラジウム及び銅の全てを合計で最大０．１重量パーセント含有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池接続部材。
【請求項３】
最大で１５μm の厚さを有することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池接続部材。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の太陽発電機用の少なくとも一部金を含有する電気導体から成る太陽電池接続部材を宇宙飛行に使用すること。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙飛行に使用するための少なくとも一つの太陽電池モジュールから成る太陽発電機用の、太陽電池の接続部材として形成された、金を含有する電気導体及びそのような太陽発電機用の接続部材の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙船の太陽発電機は、展開できるか、ないしは折り畳める、あるいは衛星に組み込める多数のパネルで少なくとも構成されている。これ等のパネルはそれぞれ一つまたはそれ以上の太陽電池モジュールを担持し、これ等のモジュールは相互に直列あるいは並列に結線された多数の個別太陽電池で構成されている。直列接続の場合、太陽電池の前側接触部はそれぞれ後続される太陽電池の裏側接触部に接続している上記の結線は、前記太陽電池接続部を介して行われる。並列接続の場合には、この種の接続部材により隣接する太陽電池の前側接触部と裏側接触部が別々に相互接続されている。
【０００３】
宇宙飛行船にこのような太陽発電機を使用すると、材料と構造上の構成に特別な要請が設定される。
つまり、特に地球衛星の場合、宇宙飛行応用の太陽発電機は照明期間と影期間が交互に切り換わる熱条件に曝される。これは、使用する太陽発電機の構造部材中で単に熱的に誘起する応力を与えるだけでなく、熱サイクルの頻度に応じて機械的な疲労も与える。典型的な熱サイクル数は、静止衛星軌道 (GEO)に対して一年当たり＋ 60 と− 170℃の間で 92 サイクルであり、低い巡回軌道 (LEO)に対して＋ 100と− 100℃の間で一年当たり 5000 サイクルである。この熱負荷に耐えるため、太陽発電機の構成部材をそれに応じて設計し適合させる。太陽電池を担持する構造体としては、例えば熱膨張係数の小さい好ましくは炭素繊維の複合材料が使用される。太陽電池を結線するために使用する接続部材は、主に銀から成る太陽電池の接触部に溶接される。それ故、太陽電池の接続部材材料として銀が特に良く適している。この種の接続部材は少なくとも銀の網あるいは銀の箔で形成されている。これが熱負荷を大きくするために、使用する材料を強くロールしてできる限り薄く（例えば 15 μm)する必要がある。熱応力に対するバランスは、平坦な、あるいは平面から突き出たバランス円弧の形状にして計算する必要がある。バランス円弧の幾何学形状は歪みサイクルグラフを採用して決定される。平面から突出する円弧に対して 0.4 mm の最低レベルと、少なくとも 0.1 mm の円弧の半径が典型的である。バランス円弧の形状を全ての仕上げ期間、試験期間およびミッション期間にわたり安定に維持するには、材料に最低の硬度と最低の弾性率を必要とする。
【０００４】
宇宙飛行で太陽発電機の使用を始める時、太陽電池を先ずその接続部材にハンダ付けする。これにより、電池の接触部が密閉されて、熱的に一体化された状況となり熱膨張係数の不一致により電池の接触部あるいはハンダ付け個所が剥げ落ちないようになる。従って、太陽電池と同じ熱膨張係数の材料への要請が生じる。大抵使用されているシリコンセルに対して、モリブデンあるいはインバーが問題になる。両者は、ハンダ付けに良く適しているが、太陽電池の銀接触部に比べて溶融点が異なるため、溶接には不適当である。
【０００５】
宇宙飛行では極端な要請が設定されるため、ハンダによる恒久電気接触部を作製する方法として溶接がもっとも使用されるので、例えばドイツ特許第 35 37 262 A1 号明細書により、モリブデンあるいはインバーの接続部材に銀の被覆を付け、この被覆を太陽電池の銀接触部に溶接することが提案されている。それ故、銀箔あるいは銀を被覆したモリブデンあるいはインバーから成る太陽電池の接続部材が主に使用される。疲労強度に関して二つのタイプの接続部材で十分であり、モリブデンは良好な材料特性、特に耐磨耗性と、良好な熱膨張係数により、また銀は太陽電池の接続部材を薄く（約 12.5 μm)にできる高電気電導度のために十分である。
【０００６】
この種の太陽電池の接続部材は、静止衛星の場合、良く知られている。しかし、高度 800 km までの低い巡回軌道では、熱サイクルが早く繰り返すことを無視しても、他の効果、酸素原子の存在が不利な役目をする。これから特に銀が適する。何故なら、酸化により規則通りに腐食されるからである。形成された酸化膜は周期的な熱負荷によりフレークとなって剥落し、新たな酸化面が露出する。モリブデンベースの太陽電池接続部材では、銀の被覆のみが腐食されるが、モリブデンは酸素原子に対して非常に強い。銀の酸化物の剥落を防止するため、溶接個所にのみ銀が被覆するモリブデン接続部材が開発された。しかし、この解決策もコスト的に見て満足ではない。
【０００７】
今まで議論した太陽電池接続部材も付属する冒頭に述べたタイプの電気導体は、米国特許第 4 301 322号及び米国特許第 3 973 996号明細書により周知である。この明細書の説明によれば、直列に接続された太陽電池が柔軟で非電導性の共通基板に装着されている。これ等の太陽電池は、基板に対向する側に例えば金から成る金属被膜を有する。この被膜に対して、基板上にはそれぞれ例えば金で被覆された銅の層がある。この銅の層には、太陽電池が高い温度、例えば約 280℃で拡散溶接により接続されている。金を被覆した銅の層はそれぞれ太陽電池の一方の側部に突出し、そこで隣のセルへ電気接続を行う。これには独立した接続部材が使用され、この接続部材は、材料を直接表明しないが、同じように拡散溶接により金を被覆した銅の層の横に突き出た部分へ接続させる。この接続部材に金被覆をすることも考えられる。何故なら、拡散溶接がより良く行えるからである。何れにしても、米国特許第 3 973 996号明細書の場合、部分的に金から成る電気導体、特別な太陽電池の接続部材が提示されている。この金の被覆は拡散溶接のみに使用され、その下にある材料（例えば Cu ）をマイクロクラックによる酸素原子に対して保護する。同じことが米国特許第 4 301 322号にも言え、その場合接続方式として半田付けが使用されている。
【０００８】
しかし、拡散溶接に比べて、抵抗溶接は好ましい。何故なら、これにより宇宙飛行に必要なような、信頼性があり寿命の長い電気的で同時に機械的な接続が行えるからである。抵抗溶接により、接続させるべき部品の表面領域の接続をより良くし、溶接時間を短縮するより高い溶接温度を使用できる。溶接時間の短縮はそれだけでも重要である。何故なら、太陽電池の表面接触部へ太陽電池の接続部材を溶接する場合、溶接時間が短いと、金の原子がセル接触部を通過して太陽電池の半導体材料へ移動する有害な拡散を強く低減ないしは大幅に防止できるからである。
【０００９】
特に宇宙飛行用の太陽発電機に対する太陽電池の接続部材で他の重要な点は、太陽発電機が十分な硬度と弾力性を有する必要があることにある。何故なら、形状の変化なしに全処理工程の機械的負荷と、その後の宇宙区間の大きな熱負荷に持ち堪える熱補償ループをしばしば備えているからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、酸素原子で酸化されることなく、硬度と柔軟性が高く、高い熱負荷でも形状を持ち堪え、抵抗溶接でもセルに損傷なしに加工でき、太陽発電機自体に対する相応の特性を保証する、太陽電池の接続部材を提供することある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、この発明により、特に太陽電池接続部材が、銀、パラジウム、銅の群の中から選んだ少なくとも一つの金属を最大０．１重量パーセント含有する金合金で構成されていることによって解決される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
これにより、従来の技術と大いに異なり、層構造は使用されていない。この層構造では、金がただ薄い表面層に使用されるだけであり、むしろ主に金から成る合金状の一様な材料が、望ましい特性を得るために重要な構成要素として銀および／またはパラジウムおよび／または銅の微量を含む。ほぼ純粋であるが、特定の微量元素で狙い通りに不純にされた金を使用すると、比較的大きな材料コストを越える前記利点を与える。
【００１３】
しかし、太陽電池から電流取り出しに使用される他の部品の形にして使用することも考えられる。例えば、太陽モジュールの最終接続部材として、ケーブルや撚り線、または電流バスダクト用の部材にして使用できる。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明を実施例に基づきより詳しく説明する。
太陽電池の接続部材として使用する場合、三つの元素、すなわち銀、パラジウム及び銅の全てを微量金に混ぜて合金にし、この微量成分が全体で高々 0.1重量パーセントになるとよい。ヘラウス（Heraeus)社から供給される材料、99.98 重量パーセント以上の金と 45 ppm の銀、 38 ppm のパラジウムおよび 12 ppm の銅を含む材料（ヘラウス社のタイプ 2545 ）が特に適する。この材料には、高い信頼性を伴う必要な特性がある。500 kmの高度の巡回軌道で 10 年の運転を表す 50,000 回の熱サイクルを− 110と＋110 ℃の間で行うと、所望の特性が狭い許容限界内で持続することが示されている。つまり、測定精度の限界を越える電気特性の劣化を全く確認できない。この試験は、主に銀から成る接触部を有する結晶性のシリコンをベースにした太陽電池を用いて行われた。その場合、短い試験時間の後に、金が太陽電池の電極層を通過して半導体材料に拡散できないことを保証する溶接時間を設定できた。典型的な値としては、例えば溶接時間として 30 ms, および、その時に使用する溶接電流として 240 Aであった。この場合、溶接時間として 50 msおよび溶接電流として 400 Aの値を越えるべきでないことが分かった。太陽電池の接続部材の引っ張り強度は少なくとも 200 N/mm2であるべきである。これは金合金の少なくとも必要となる強度から間接的に比較的良好に測定できる量となる。帯状材料の厚さは高々 15 μm であるが、必要な疲労強度の理由により、好ましくは 12.5 μm である。
【００１５】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明による電気接続部材を用いると、酸素原子で酸化されることなく、硬度と柔軟性が大きく、高い熱負荷でも形状を持ち堪え、抵抗溶接でもセルに損傷なしに加工できる。