光伏电池焊接工艺及降低碎片率的研究

光伏电池焊接工艺及降低碎片率的研究 180μm电池焊接工艺及降低碎片率的研究 张磊 摘要 光伏发电是目前技术最为成熟的太阳能利用技术～已经在分散、小规模用电方面～如通信、道路照明、偏远地区用电等～发挥了重要的作用～目前正在向大型并网发电方向发展。光伏发电要实现规模化发展～必须大幅降低光伏发电成本～做到基本平价入网。本论文从太阳能电池组件封装的关键环节焊接进行内部挖潜～适应薄片自动焊接～提升内在品质～降低碎片率～最终达到低成本高品质的良性制造。 关键字 多晶硅电池;焊接;质量;碎片率;180μm 一、引言 为了降低光伏制造成本，加上目前紧缺的太阳能级硅材料。光伏企业必须降低硅片和电池厚度，为了保证良好的收益和组件可靠性，我们将电池厚度降低到180微米。随之带来的是工艺、材料、设备必须适应薄片生产，保证产量和组件质量的可靠性。钎焊接的电池步骤,必须要挑战越来越薄的电池。我们通过对自动焊接设备和材料的优化，在薄片基础上提升焊接质量，降低碎片率。 二、实验原理及改进 (1)焊接原理:钎焊是一种物理和化学连接。它是在低于构件熔点的温度下，采用填缝材料，在液态下充填缝隙，通过毛细作用及面化学反应，待填缝材料结晶或固化后，将两个分离的表面连接形成不可拆接头。 软钎焊为钎料熔点为450?以下，接头强度较低，一般不超过70MPa，所以只用于钎焊受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。钎焊过程中，一般都需要使用钎剂。钎剂的作用是:清除被焊金属表面的氧化膜及其它杂质，改善钎料流入间隙的性能(即润湿性)，保护钎料及焊件不被氧化，因此钎剂对钎焊质量影响很大。电池的自动串焊即采用软钎焊，将铜基材焊带与硅基材电池，给予两种材料一定的压力及温度，使锡铅银合金短时间内融化，将处于固态的焊带与电池正银栅线焊接起来。 (2)焊接材料 太阳能电池:采用掺杂硼原子的180微米超薄多晶硅片，通过表面清洗、制绒、扩散制备PN结、气相沉积氮化硅减反射膜、印刷正背场电极、烧结成型。电池正面覆盖银栅线，通过光生伏特效应，收集内部电子，通过导体输出电能。 镀锡铜带(焊带):将电气用粗轧铜线轧制加工成扁平线，使用韧铜或无氧铜，铜成分在99.9%以上， 材料不得有折、曲、染色、污垢、划痕、油分等有害缺陷，外周全部采用浸锡铅合金方式生产而成。材料尺寸一般为0.16×2.0，0.16mm为厚度，2.0mm为宽度，宽度还要根据所焊接电池主栅线宽度进行匹配选择。镀层厚度用单面厚度表示，20?10(μm)。基本要求:涂层合金与基体材料应结合牢固不分层。涂层软钎焊合金应牢固得焊接在硅电池上的银铝栅线上，经-40?——180?热震试验100次不脱焊。涂层钎料熔化温度为185?。 钎剂(助焊剂):光伏电池焊接采用非松香型免清洗助焊剂，在自动侵焊的应用领域有极佳表现。助焊剂中合适的固体含量及内部活性机理保证电池焊后残留物极少，而且电池表面干燥、干净。可免除清洗工序，节约生产费用。此外焊后电池有很高的表面绝缘电阻，保证电气性能可靠性。 (3)改进思路 由于不同金属焊接通常要比同种金属的焊接困难，因为除了金属本身的物理化学性能对焊接有影响外，两种金属材料性能的差异会更大程度上影响它们之间的焊接。为了获得优质的异种金属焊接质量，除合理地选用焊接方法和填充材料，必须正确地制定焊接工艺。 , 缩短被焊金属在液态下相互接触时间，以防止或减少生成金属间化合物或氧化物。 , 加长焊接成型后缓慢降温时间，减少骤冷冷却时间，减少内应力对电池的冲击造成隐裂或碎片。 , 保证焊接过程中对焊带与电池的压力一致性、适应性，即研讨改变探针的结构材质，减少金属材 料探针对电池片的损伤。 , 校验自动热风吹到电池表面的温度稳定性与适宜性，保证受热均匀，减少由于温度不一致，造成 不同位置的内应力差大，造成焊带沿电池主栅线处开裂破损或虚焊欧姆接触电阻过大，见图1。 , 甄选不同种类的焊带，使用更柔软、更轻薄的焊带作为电气传导载体，减少其对电池片的应力。 图1 (4)改进措施 1、提高焊接环境温度稳定性，加装焊接机密封装置，改善排风结构，保持机内温度平稳，避 免骤冷骤热对焊接温度控制的不利影响。。 2、提高电池片的预热温度及时间，加装焊带的预热系统，使两种材料的焊接过程温差降低， 提高适应性。在焊接过程中，将电池背面预热盘温度提高，进一步降低焊带与电池之间的 温差。 3、调整焊带裁切后拽直力，使其延展后，通过焊锡降温时冷缩降低后对电池的抓力。 3、针对自动焊接的特别，必须做好焊前准备，确保焊接参数、热风流量、真空度、压缩空气压力、 机械臂运行速率的最佳。 4、适应电池变薄的趋势，必须降低热风温度由400?C至250?C上下偏差20?C，红外实测热 风到电池温度在210?C~230?C，吹热风时间在1S到1.5S之间，确保均匀钎料融化且时间不 得过长，降低加温度时间过长对电池的冲击，造成隐裂或脱焊(焊带脱落，使锡层粘连银栅线 与硅基材脱离，在电致发光测试仪中ELCD可见沿主栅线到电池边缘的黑线，即细栅线与主栅 线断路，无电流通过，见图2右)。 图2 三、实验结果与分析 通过对焊接工艺的摸索，焊接设备的调整，在确保180μm薄片电池厚度公差25μm内，焊带基材厚度公差0.01mm内，控制影响焊接一次成功率的漏焊、开焊、脱焊，可达到焊接质量均匀一致，焊带剥离强度大于2N/cm，180μm电池焊接碎片率平均达到0.6%以下。通过对10台自动热风焊接机的数据统计，见下表: 一次不成 机号 碎片率 型率 1# 0.29% 4.71% 2# 0.76% 9.75% 3# 0.43% 0.57% 4# 0.93% 11.08% 5# 0.69% 8.84% 6# 0.54% 14.16% 7# 0.79% 8.64% 8# 0.42% 7.63% 9# 0.86% 12.21% 10# 0.61% 15.46% 焊接一次不成形率与碎片率的趋势对比 25.00% 20.00% 15.00%一次不成型率 碎片率10.00% 5.00% 0.00% 1#2#3#4#5#6#7#8#9# 四、结论 通过对超薄多晶硅电池焊接工艺的研究，在原有材料不变的情况下，通过对焊接温度、焊接时间、冷却时间、预热系统、焊接压力、拉伸强度的研究，将电池焊接碎片率稳定在0.6%以下，并达到良好的焊接效果，保证未来组件稳定的电气性能输出。可大幅度降低电池封装成本，提高自身市场竞争力。 参考文献 [1]、邓志杰;Si基太阳电池发展现状 [J];世界有色金属;2000年03期 [2]、崔岩 邹家平;钎焊工艺参数对钎缝组织性能影响的研究; 装备制造技术 2009年02期 [3]、金属工艺学; 武汉理工大学 [4] G.R.Mon,R.G.Ross,Jr,Proc.IEEE PVSC,1982, p. 1268. [5] King,D.L.,M.A.Quintana,J.A.Kratochvil,D.E.Ellibee,andB.R.Hansen.(2000),Progress in Photovoltaics:Research and Applications 8(2), p. 241.