晶体硅太阳能电池焊接技术及其发展趋势

资源描述：

晶体硅太阳能电池焊接技术及其发展趋势王海东 1，帅争锋 2，王鹤 2，杨宏 2（ 1. 宁夏银星能源股份有限公司，宁夏银川 750021 ；2. 西安交通大学，陕西西安 710049 ）摘要晶体硅太阳能电池的焊接工艺是太阳能电池组件制造过程中最主要的工序之一，随着硅片厚度不断减薄和电池面积不断增大的趋势，焊接过程造成的电池碎片或隐裂是影响组件可靠性的主要因素。主要介绍了晶体硅太阳能电池现有的焊接技术，指出了其发展的趋势，并介绍了未来可应用于晶体硅太阳能电池的新型焊接工艺。关键词太阳电池；光伏组件；焊接中图分类号 TM914 文献标识码 A 文章编号 1001-3474 （ 2012） 03-0316-04 Soldering Technology and Its Trend of Crystalline Silicon Solar CellsWANG Hai-dong1, SHUAI Zheng-feng2, WANG He2*, YANG Hong21. Ningxia Yinxing Energy Co., Ltd., Yinchuan 750021, China; 2. Xi ’ an Jiaotong University, Xi ’ an 710049, ChinaAbstract Tabbing and stringing of crystalline silicon solar cells is one of the key process in the solar module manufacturing. With the trend of thinner and larger area wafers, the breakage of cells resulted from the soldering process becomes the main factor influencing the reliability of solar modules. Based on the soldering process of crystalline silicon solar cells, introduce some new soldering technology that would be used in the soldering process of crystalline silicon solar cells. Key words Solar cells; Solar module; SolderingDocument Code A Article ID 1001-3474201203-0136-04从太阳能电池片到电池组件，需要将单片的电池连接起来使之形成一个整体，焊接就是其中最主要的工序。随着硅片厚度的不断减薄和电池面积的不断增大，焊接过程中的碎片率也越来越高，直接影响到了组件的生产成本，而焊接的效果也直接影响到组件的质量。本文将主要介绍晶体硅太阳能电池现有的焊接工艺及其影响因素，并比较现有的焊接工艺中手工焊接和自动焊接，有铅焊接和无铅焊接的特点，指出其发展的趋势，并介绍了未来可应用于晶体硅太阳能电池的新型焊接工艺。1 焊接工艺及其主要影响因素焊接是晶体硅太阳能组件生产过程中的主要工序，主要包括单焊和串焊，单焊是指将汇流带焊接到电池正面的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，长度一般为电池边长的 2倍，多出的焊带在串焊时与后面的电池片的背面电极相连。串焊是指将焊接好的单个电池片从背面互相焊接成一个电池串，目前的工艺大多为手工的，电池的定位主要靠一个焊接面板，上面有放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置预先设计好，不同规格的组件使用不同的模板，焊接面板同时还具有传热作用，可以减少电池片的隐裂和虚焊。焊接过程中，操作者使用电烙铁将“前电池”的正面电极焊接到“后电池”的背面电极上，这样依次将单个电池片串接在一起，并在电池串的正负极焊接出引线。电池片的单作者简介王海东（ 1962- ），硕士，毕业于上海理工大学，高级工程师，现从事光伏电池与太阳能发电工作。基金项目中央高校基金项目和西安市科技局基金项目（项目编号 CXY 1123）。电子工艺技术Electronics Process Technology 2012年 5月136 第 33卷第 3期DOI10.14176/j.issn.1001-3474.2012.03.004焊和串焊的目的是将单个电池片进行串联，使其形成一个回路，收集各个电池片上的电荷 [1]。晶体硅太阳电池的单焊和串焊如图 1所示。图 1 晶体硅太阳电池的单焊和串焊在晶体硅太阳能电池的焊接过程中，除了电池片本身的质量因素外，影响焊接效果的主要因素有以下几个方面焊接温度、助焊剂的选择、焊带焊料的选择以及操作者的操作规范等，一定的焊带和焊料都对应着相适应的最优焊接温度。1.1 焊接温度在单焊和串焊中，焊接的温度直接影响太阳能电池组件的焊接质量，电池片放置在焊接面板上操作，焊接面板一般维持在 50 ℃左右，起传热和使电池片受热均匀的作用，避免局部受热，焊接过程中，由于烙铁温度较高，对电池片形成了一定温差，有热的冲击。如果焊接温度偏低，一方面焊面上氧化层不易除去，会出现沙粒一样的粗糙麻点，而且主栅线不到一定温度值时也不能与锡形成很好的欧姆接触，表面看起来是焊接上的，但不是真正意义上的合金连接，形成虚焊，同时也导致操作效率偏低；而焊接温度偏高，又会使电池片由于热应力而产生变形，导致隐裂和碎片的产生。同时，焊接过程中焊料中是否含铅也决定着焊接的温度， 100 锡的熔点为 23 2 ℃ ，一定比例的含铅量会降低其熔点，目前使用最多的含铅焊料 SnPbAg62/36/2 的熔点为 190 ℃，无铅焊料SnAg96,5/3,5 的熔点为 221 ℃[2,3]，常规的无铅焊料熔点温度比含铅焊料的熔点都高出 30 ℃以上，所以无铅焊料的使用会增加焊接过程中焊接温度，更容易产生隐裂 [4]，目前 Sn-Bi 系共晶焊料熔点为 138 ℃，但是其可靠性不强。 Sn-Bi 系焊料的熔点可以通过调整Bi 的含量来控制，使其接近于锡铅焊料，是无铅焊料研究的重点。对于手工焊，我们除了考虑焊料熔点的问题外，还需要考虑焊接过程中电烙铁头接触涂锡带后，需要传热给涂锡焊带使其温度升高，这需要热量；焊料由固体变为液体也需要吸收热量；助焊剂的挥发同样需要热量；要想熔化的焊料能顺利流入基体这里就是主栅线与焊接的基体材料形成合金，主栅线也必定要有一定的温度，否则，熔化的焊料或浇淋于冷的焊接基体上不能形成合金的。所以综合以上因素，目前一般单晶单焊的温度在 320 ℃～ 330 ℃，多晶在 330 ℃～ 350 ℃ , ，串焊的温度在330 ℃～ 360 ℃，根据焊料焊带的不同，电池片的质量差异和基板温度的不同，各有不同。1.2 助焊剂在晶体硅太阳能电池焊接过程中，助焊剂的使用影响到焊接的质量，而且直接影响到后续层压工艺的效果。在整个焊接过程中，助焊剂主要起到以下几个作用助焊剂通过自身的活性物质在高温下作用，去除焊接材质表面的氧化层，同时使锡液及被焊材质之间的表面张力减小，增强锡液流动和浸润的性能；同时通过助焊剂本身在基体中移动，将热传递到基体，并且有时还能保护被焊材质在焊接完成之前不再氧化。其中最主要的是去除氧化物和降低被焊接材质表面张力。一般认为光伏组件助焊剂应尽可能满足如下要求要有优良的焊接效果，使互连条与主栅线牢固结合；免去清洗工艺，即具有低固态含量；残留物在一定温度和湿度下保持惰性；在高温下能分解挥发，这样对电池本身，银浆及 EVA无腐蚀性；对环境无污染，对操作者无毒，安全可靠。晶体硅太阳能电池焊接过程中使用的免清洗助焊剂一般主要成分包括活性剂、固含物、溶剂和表面活性剂等。活性剂包括有机酸和卤素等，具有清除金属表面氧化物和改善表面张力的功能，但是也具有一定的腐蚀性能，固含物包括松香和松香油等，可以清洁金属表面助焊剂残留物，还有防止被焊金属在高温下被氧化的功能。表面活性剂可以改善助焊剂的流动性和润湿性、降低助焊剂的表面张力并在很宽的湿度范围内包围金属表面，促进焊料向四周扩散，但是过量的表面活性剂反而对助焊剂中的活性成分起到抑制作用。一般免清洗的助焊剂配方见下表 1。表 1 免洗助焊剂主要配方 [5]主要成分有机酸活性剂助润剂成膜剂改良树脂高沸点溶剂表面活性剂热稳定剂溶剂质量分数 w/ 1.0 ～ 5.0 1.0 ～ 6.0 0.2 ～ 3.0 2.0 ～ 8.0 2.0 ～ 13.0 0.2 ～ 1.0 0.2 ～ 1.0 余量王海东，等晶体硅太阳能电池焊接技术及其发展趋势第 33卷第 3期 137助焊剂的助焊效果和它的腐蚀性是成比例的，往往助焊效果越好，腐蚀性越强。这就要求我们通过选择合适的助焊剂及改进工艺来在助焊效果和腐蚀性中适应，针对不同要求，达到最优化，以满足要求。1.3 焊带的选择在晶体硅太阳能电池单焊和串焊过程中，都需要用到焊带。焊带是太阳能电池组件焊接过程中的重要原材料，焊带质量的好坏将直接影响到光伏组件电流的收集效率，对电池组件的功率影响很大。焊带的一般选用标准是根据电池片的厚度和短路电流的多少来确定焊带的厚度，焊带的宽度要和电池的主删线宽度一致，焊带的软硬程度一般取决于电池片的厚度和焊接工具。手工焊接要求焊带的状态越软越好，软态的焊带在烙铁走过之后会很好地和电池片接触在一起，焊接过程中产生的应力很小，可以降低碎片率。但是太软的焊带抗伸强度与延伸率会降低，很容易拉断。对于自动焊接工艺，焊带可以稍硬一些，这样有利于焊接机器对焊带的调直和压焊，太软的焊带用机器焊接容易变形，从而降低产品的成品率 [6]。焊带的厚度和电阻率与太阳能电池组件的效率直接相关。组件串联电阻损耗会增加封装功率损失。焊带电阻是电池串联电阻的主要组成之一。焊带电阻主要有焊带本身的尺寸规格和铜基材的材质决定，表面涂锡层的成分不会明显影响焊带电阻。增加焊带宽度或者厚度，能降低焊带电阻，从而降低组件的串联电阻，提高填充因子和峰值功率，减少封装功率损失。但是由于宽于正面电极宽度的焊带会遮挡入射光，引起电流损失，所以推荐在不影响碎片率的前提下，使用较厚的焊带 [7]。随着组件无铅化及硅片越来越薄的趋势，焊接过程中的温度会较高，这样会增加焊接的碎片率，事实证明超软焊带会明显降低焊接碎片率，而且硅片越薄，焊带就需要越软，因此超软焊带也是以后的一个发展方向 [8] 。我们应该在保证焊接碎片率的前提下 , 选择最优化的涂锡铜带及其尺寸规格来提高组件输出功率。2 新型焊接工艺随着硅片厚度的不断减薄和电池面积的不断增大，焊接过程中产生的碎片率也不断增大，直接增加了太阳能电池的生产成本，因此，一些新型的，无接触的焊接工艺也有可能引入到晶体硅太阳能电池的焊接工艺中，以下主要介绍激光焊接、超声焊接和新型导电胶这几种新技术。激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。常用的激光焊接方式有两种脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。脉冲激光焊接中最有可能应用于晶体硅太阳能电池焊接的为传热熔化焊接，传热熔化焊接是指当激光束照射到材料表面上时，材料吸收光能而加热熔化。材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面互熔并焊接在一起。采用半导体激光器进行焊接有诸多优点，而这些优点对于太阳能电池的电连接是必不可少的。首先，激光焊接是一种无接触方法，还能通过对空间和时间上输入热量的定义以及确保太阳能电池本身的热应力最小来实现。为了提高过程的稳定性，半导体激光器可以在一个闭环控制回路里（闭环）通过高温计的作用，尽可能地控制和减小焊缝的热量输入。在自动化生产过程中，可实现大批量重复生产，同时也提高了效益，实现了较高的光电效率。而且激光焊接还有两个很显著的优点大的剪切力，可达 30 N/cm 小的激光焊接面的接触电阻，只有约 0.1 m Ω /cm2，接触电阻相对传统焊面小得多。目前见诸报道的有德国弗劳恩霍夫激光技术研究所开发出一种非接触激光焊接系统，可以用来连接硅太阳能电池板。为了熔融焊料，激光束要传到涂覆焊料的电池栅条上。红外线热能照相机通过实时测量辐射热对硅和金属条的温度进行探测。如果温度太高或太低，反馈控制电路会在毫秒内自动调整激光输出量，使每处连接点均能得到有效焊接。超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波金属焊接的优点是焊接速度快、能源消耗低、焊接后机械强度高、导电性好和接近于常温焊接，能减小热应力带来的冲击；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于 5 mm）、焊点位不能太大和需要加压。目前超声波焊接技术应用在非晶硅太阳能电池的焊接较多。导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶黏剂 , 它通常以基体树脂和导电填料即导电粒子为主要组成成分 , 通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起 , 形成导电通路 , 实现被粘材料的导电连接，（下转第 168页）电子工艺技术Electronics Process Technology 2012年 5月1384 结论在目前国内多数企业还停留在二维 CAD图纸的现实情况下，在产品设计初期，基于设计图纸完成线扎图设计，具有以下优势（ 1）对设计图纸进行合理性验证，避免在生产中出现问题而返工，降低了产品制造成本；（ 2）产品模型及线扎图设计均是计算机中 1∶ 1设计，避免了手工测量实物而产生的累计误差，因此线扎图的准确性提高，对于结构复杂的产品尤为明显；（ 3）节省了原来根据实物样机设计线扎图的停工时间，缩短了产品的生产周期，对产品的交付提供有力的保障。参考文献[1] 李九峰 . 线束模板在整机装联中的应用 [J]. 电子工艺技术 , （上接第 138页）导电胶具有出色耐湿耐热性和导电稳定性，和锡、锡银和镀银带以及汇流条具有很好的兼容性，而且导电胶工艺十分简单，易于操作，可以替代生产过程中的焊料，提高产品的优良率和生产效率，是替代铅锡焊接，实现导电连接的理想选择。导电胶目前主要应用于微电子装配和取代焊接温度超过因焊接形成氧化膜耐受能力的点焊。目前适合应用于剥离强度高的柔韧性薄膜太阳能领域。导电胶工艺如果一旦应用于晶体硅太阳能电池的焊接中，将会带来以下显著优点减少电池破片、翘曲和虚焊等问题，可以低温处理（ 180 ℃以下），无铅工艺，工作效率可以和自动串焊机相同，可进一步减薄电池片的厚度。目前晶体硅太阳能电池的焊接主要采用的还是传统的手工焊或是自动焊接，以上三种焊接工艺的应用较少。自动化程度、好的焊接效果、低的碎片率和较低的焊接成本是制约它们应用的关键。3 结论晶体硅太阳电池的焊接作为电池片封装过程中最重要的一道工序，焊接的温度、焊带、助焊剂的选择和包括电池片本身的质量都直接影响到焊接的效果和组件的生产成本。随着公众对绿色环保能源需求的增大和晶体硅电池片的厚度的减薄和面积增大的必然趋势，无铅焊接和自动焊接必将成为以后焊接技术的发展趋势；而在保证焊接效果和控制好成本的前提下，新型的无接触的焊接技术如激光焊接等也会越来越多地应用于晶体硅太阳能电池的焊接工艺。参考文献[1] Yang Hong, Wang He. Performance analysis of crystalline silicon solar modules with the same peakpower and the different structure[J]. Clean Technologies and Environmental Policy, 2011 ，13 527-533.[2] Lalaguna B. Evaluation of Bismuth-based solder alloys for low- stress interconnection of industrial crystalline silicon pv cells[C]. the 22nd European photovoltaic solar energy conference, Milan, Italy, 2007 3-7.[3] 杨光育，徐欣，董义 . 无铅合金与锡铅合金性能对比分析 [J]. 电子工艺技术， 2008， 29（ 6） 328-330. [4] 王文利，阎焉服，吴波 . 无铅焊接高温对元器件可靠性的影响[J]. 电子工艺技术， 2008， 29（ 6） 317-318. [5] 周卫新，袁永健，石俭莉，等 . 浅谈太阳能晶硅组件用免洗助焊剂 [J]. 精细与专用化学品， 2008， 16（ 22） 19-21.[6] 任军峰，刘亚峰，杨小武 . 涂锡铜带的选择和使用 [G]. 第十届中国太阳能光伏会议论文集，常州，中国， 2008.[7] 董仲，王祺，陈燕，等 . 焊带电阻对组件封装功率损失的影响[G]. 第十一届中国光伏大会及展览会会议论文集，南京，中国， 2010.[8] 张玉，秦进英，刘仁 , 等 . 超软焊带的研究应用及工艺推广 [J]. 电气技术， 2009（ 8） 122-123.收稿日期 2012-04-122010， 31（ 6） 350-353.[2] 李晓麟 . 低频电缆及机柜的装联 [J]. 电子工艺技术， 2003， 24（ 5） 227-228.[3] 张其政 . 基于三维软件绘制线扎图的研究 [J]. 电子工艺技术，2007， 28（ 1） 45 - 46.[4] 刘振宇，周德俭，吴兆华，等 . 一种面向电子整机的三维布线算法研究与实现 [J]. 电子工艺技术， 2010， 31（ 1） 6-8.[5] 张红，魏建，张黎 . 整机三维立体布线设计 [J]. 电子工艺技术， 2007， 28（ 5） 290-291,294. [6] 黄成 . UG NX 7.0 产品设计行业应用实践 [M]. 北京机械工业出版社， 2010. [7] 廖伟 . 降低电缆及线扎导线间电磁干扰的工艺方法 [J]. 电子工艺技术， 2009， 30（ 1） 48-52.收稿日期 2012-03-18电子工艺技术Electronics Process Technology 2012年 5月168