晶體硅太陽能組件焊接技術(shù)的優(yōu)化研究

張福家，李 韜，楊 搖

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙 410111）

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晶體硅太陽能組件焊接技術(shù)的優(yōu)化研究

張福家，李 韜，楊 搖

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙 410111）

摘要：介紹了晶體硅太陽能組件焊接工藝相關(guān)因素對(duì)組件質(zhì)量的影響，分析了各種環(huán)節(jié)造成問題的原理，并提出了解決問題的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：太陽電池組件；焊接工藝；熱場(chǎng)；

從太陽能電池片到電池組件，需要將單片的電池片聯(lián)接起來使之形成一個(gè)整體，焊接是其中最主要的工序。焊接過程中的碎片率、虛焊、電池偏移等問題不僅影響到了組件的生產(chǎn)成本，更影響到光伏組件的質(zhì)量。晶體硅太陽能電池焊接工藝的研究對(duì)組件生產(chǎn)質(zhì)量提升尤為重要。

1　晶體硅太陽能電池組件焊接原理及技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

目前，晶體硅電池焊接有人工焊接和機(jī)器焊接；人工焊接主要包括單焊和串焊兩環(huán)節(jié)，機(jī)器焊接將單焊和串焊整合到一起整體完成；單焊將長度約電池邊長2倍的鍍錫銅帶焊接到電池片正面的主柵線上，串焊是將單焊完畢的硅電池片依次與相鄰電池片背電極焊接起來，并互相聯(lián)接成一個(gè)擁有一定數(shù)量電池片的電池串；機(jī)器焊接中，電池片之間、電池片和焊帶之間的定位主要由機(jī)械手操作完成，機(jī)械手將電池片和焊帶依次排版后從略高于焊錫熔點(diǎn)溫度場(chǎng)中通過來完成焊接，焊接示意圖見圖1所示。

圖1　 焊接示意圖

2　焊接技術(shù)導(dǎo)致的主要相關(guān)問題

2.1 焊接工藝溫度及熱場(chǎng)的影響

晶體硅太陽能電池組件所用電池片主要成分是硅材料，硅材料機(jī)械性能脆，易因受熱不均或熱沖擊而產(chǎn)生裂紋；在光伏組件的焊接工藝過程中，高溫焊接的翹曲破損一直困擾著組件生產(chǎn)。如圖2，生產(chǎn)焊接實(shí)驗(yàn)中，樣品A為電池片通過低溫預(yù)熱后進(jìn)行焊接產(chǎn)生的嚴(yán)重翹曲現(xiàn)象，最高翹曲值接近5.2 mm，位于電池片焊接主柵線前后兩端；樣品B為電池片通過較高溫度預(yù)熱后進(jìn)行焊接產(chǎn)生翹曲的現(xiàn)象，最大翹曲同樣位于主柵線兩端，翹曲值0.9 mm左右。

圖2　 預(yù)熱溫度—撓曲值曲線

2.2 焊接工藝設(shè)備機(jī)械性能的影響

在焊接工藝中，電池片的抓取和輸送由運(yùn)動(dòng)部件支撐，電池片的定位和抓取主要是真空吸盤，電池片的傳送主要是傳送帶，真空吸盤由于受吸盤真空度不穩(wěn)的影響容易導(dǎo)致電池片隱裂或摔碎，傳送帶及相關(guān)裝置由于擠壓電池片或粘結(jié)電池片而導(dǎo)致電池片隱裂、碎片、堆錫等質(zhì)量問題。通常情況下，焊接中碎片、隱裂總量占電池片比例為0.3%左右，其中有約25%比例由與焊接有關(guān)的抓取運(yùn)動(dòng)直接造成。

2.3 助焊劑的影響

助焊劑在錫焊技術(shù)中能幫助和促進(jìn)焊接的進(jìn)行，助焊劑的作用主要是以下幾方面：（1）消除金屬氧化膜使焊錫表面清潔，有利于焊錫的浸潤和焊點(diǎn)合金的生成；（2）覆蓋在焊料表面，防止焊料或金屬繼續(xù)氧化；（3）增強(qiáng)焊料和被焊金屬表面的活性，降低焊料的表面張力；（4）增加焊料的流動(dòng)性，進(jìn)一步提高浸潤能力；（5）加快熱量從烙鐵頭向焊料和被焊物表面?zhèn)鬟f；（6）使焊點(diǎn)美觀。其中最主要和關(guān)鍵的作用是去除氧化物和降低被焊接材質(zhì)表面張力。一般情況下，助焊劑造成的質(zhì)量問題主要是不能有效去除氧化物，造成虛焊等焊接問題，電池片虛焊約占電池片總量的0.1%。

2.4 焊帶性能的影響

在晶體硅太陽能電池組件的焊接工藝過程中，主要焊接材料是焊帶，焊帶的質(zhì)量直接影響光伏組件光生電流的收集效果。焊帶的結(jié)構(gòu)如圖3所示，焊帶由銅基材和外圍涂層組成；焊帶影響焊接性能主要有焊帶涂層性能和焊帶整體機(jī)械性能兩方面因素。

圖3　 焊帶結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.1 焊帶涂層性能的影響

焊帶錫合金涂層可焊性的影響因素主要有：錫合金涂層的成分、錫合金涂層厚度、錫合金涂層表面氧化物層、銅基材的合金擴(kuò)散層（如銅與錫生成Cu3Sn和Cu6Sn5組成的合金擴(kuò)散層）。錫合金涂層厚度必須適宜，過薄的錫涂層將填充不了銅基材與電池片間的間隙，造成虛焊，過厚的錫涂層將會(huì)溢出，造成電池片表面污染，導(dǎo)致功率損耗或裂片；在大氣中，被焊材料表面總是被氧化膜覆蓋著，其厚度大約為0.002～0.02 μm，在焊接時(shí)，氧化膜必然會(huì)阻止焊料對(duì)母材的潤濕，使焊接不能正常進(jìn)行。

2.4.2 焊帶整體機(jī)械性能的影響

影響組件焊接可靠性的焊帶機(jī)械特性主要是焊帶截面幾何尺寸和焊帶屈服強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度不匹配的焊帶容易使電池片與硅片間產(chǎn)生熱應(yīng)力，提高硅電池片裂片率，焊帶的截面積與太陽能電池組件的串聯(lián)電阻直接相關(guān)，組件串聯(lián)電阻熱損耗會(huì)增加封裝功率損失，寬于正面電極寬度的焊帶會(huì)遮擋入射光，引起電流損失。

2.5 焊接設(shè)備操作的影響

在焊接大面積的電池片時(shí)，因?yàn)殡姵仄墓鑼?dǎo)熱性能很好，熱量會(huì)迅速傳遞到硅片上，瞬間使熱場(chǎng)局部的溫度降低到200℃以下，熱場(chǎng)的加熱速率不足以保證溫度升高到220～250℃，不能保證焊接的牢固性，容易導(dǎo)致虛焊。

3　焊接工序主要的優(yōu)化途徑

3.1 適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度及預(yù)熱時(shí)間、匹配穩(wěn)定的焊接溫度

焊接溫度需要參照涂錫帶涂層熔點(diǎn)的溫度，焊接過程中，需要使熔化的合金涂層順利流入電池片主柵線表面，并使之與主柵線表面形成合金，同時(shí)主柵線也必定要有一定的溫度，否則，熔化的合金涂層與主柵線銀漿不能產(chǎn)生合金反應(yīng)；預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間需要以焊接溫度為目標(biāo)，使電池片從常溫到焊接溫度的升溫速率保持均勻平穩(wěn)。過快的升溫速率和過高的焊接溫度會(huì)使電池片由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致隱裂和碎片的產(chǎn)生，過低的焊接溫度造成虛焊。

在焊接工藝中，電池片先經(jīng)歷預(yù)熱區(qū)，再到焊接區(qū)進(jìn)行焊接；預(yù)熱區(qū)溫度一般從80～160℃，分成多段控制，避免溫度變化梯度太大。表1是兩種不同預(yù)熱溫度梯度對(duì)電池片焊接質(zhì)量影響統(tǒng)計(jì)。

表1　 預(yù)熱溫度-質(zhì)量情況

焊接溫度一般為200℃左右。由于焊接工藝中焊接的溫度場(chǎng)考慮了空間的溫度均勻性，分成上下兩層加熱，電池片從中間通過，有良好的空間溫度均勻性，同時(shí)焊接溫度較低，其熱沖擊較小，產(chǎn)生的碎片、隱裂、過焊、脫焊等質(zhì)量問題要少。表2為兩種不同焊接溫度對(duì)電池片焊接質(zhì)量的影響。

表2　 焊接溫度-質(zhì)量情況

預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、焊接溫度需根據(jù)不同廠家電池片特性做匹配調(diào)試，總體上達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.2 焊帶的匹配選擇

焊帶的選擇根據(jù)所選用的硅電池片特性來決定。根據(jù)電池片的厚度和短路電流的多少來確定涂錫銅帶的厚度，其寬度要求和電池的主柵線寬度一致，涂錫銅帶的屈服強(qiáng)度取決于電池片的厚度和焊接熱場(chǎng)特性。軟態(tài)的焊帶和硅電池片接觸性好，形成良好的銀錫合金，滿足可焊接性要求，同時(shí)在焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力小，降低碎片率和隱裂率。在相同材質(zhì)下，提高焊帶基材厚度和提高焊帶基材寬度，都必會(huì)提高焊帶的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致硅電池片焊接的破損率升高。在選擇焊帶規(guī)格時(shí)，需結(jié)合考慮焊帶的電阻和硅電池片破損率，偏向哪一方都是得不償失的。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇不同規(guī)格的焊帶進(jìn)行匹配封裝試驗(yàn)。表3是焊帶尺寸與電池片匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表4是焊帶屈服強(qiáng)度與電池片匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明焊帶的屈服強(qiáng)度越小，電池片的碎片率越低，焊帶的截面積越大，組件功率輸出越高，但電池的碎片率也高?？傮w上要從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度綜合考慮技術(shù)方案。

表3　 焊帶尺寸與電池片匹配試驗(yàn)

表4　 焊帶屈服強(qiáng)度與電池片匹配試驗(yàn)

3.3 助焊劑的匹配選擇

3.3.1 助焊劑的正確選用

助焊劑的選用原則是：在焊接環(huán)節(jié)產(chǎn)生良好的電氣接觸，同時(shí)不影響硅電池片的性能，不影響封裝材料EVA的性能。硅電池電極的焊接不能選用一般電子工業(yè)用助焊劑，必須采用硅電池片專用免清洗助焊劑。性能指標(biāo)必須達(dá)到下列要求：（1）助焊劑適當(dāng)?shù)幕钚詼囟确秶?在焊料熔化前開始起作用，在施焊過程中較好地發(fā)揮清除氧化膜、降低液態(tài)焊料表面張力的作用，焊劑的熔點(diǎn)應(yīng)略低于焊料的熔點(diǎn)；（2）助焊劑有良好的熱穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定溫度不小于100℃；（3）助焊劑的密度小于焊料的密度，利于助焊劑才能均勻地在被焊金屬表面鋪展，呈薄膜狀覆蓋在焊料和被焊金屬表面，有效地隔絕空氣，促進(jìn)焊料對(duì)母材的潤濕；（4）無腐蝕性。由于免清洗助焊劑極低的固態(tài)含量不能形成絕緣保護(hù)層，若有少量的有害成分殘留在板面上，就會(huì)導(dǎo)致腐蝕和漏電等嚴(yán)重不良后果。因此，免清洗助焊劑中不允許含有鹵素成分，表面絕緣電阻應(yīng)大于1.0×1011Ω。

3.3.2 正確操作助焊劑的使用

（1）助焊劑的涂覆。為了獲得良好的免清洗效果，助焊劑涂覆過程必須嚴(yán)格控制助焊劑涂覆的均勻度，噴霧法是最新的焊劑涂覆方式，由于涂覆的焊劑是霧狀薄層，因此板面的焊劑非常均勻，最適用于免清洗助焊劑的涂覆。

（2）預(yù)熱。涂覆助焊劑后，焊接件進(jìn)入預(yù)熱工序，通過預(yù)熱揮發(fā)掉助焊劑中的溶劑部分，增強(qiáng)助焊劑的活性。免清洗工藝中控制好預(yù)熱溫度是一重要環(huán)節(jié)，通常要求控制在100℃或更高（按供應(yīng)商指導(dǎo)溫度曲線），且應(yīng)有足夠的預(yù)熱時(shí)間供溶劑充分揮發(fā)。

（3）焊接。由于嚴(yán)格限制了助焊劑的固態(tài)含量和腐蝕性，其助焊性能必然受到限制。要獲得良好的焊接質(zhì)量，還必須對(duì)焊接設(shè)備提出新的要求，免清洗工藝要求更嚴(yán)格地控制焊接過程的各項(xiàng)工藝參數(shù)，主要包括焊接溫度、焊接時(shí)間、焊帶涂層厚度等。應(yīng)根據(jù)使用不同類型的免清洗助焊劑調(diào)整好焊接設(shè)備的各項(xiàng)工藝參數(shù)，才能獲得滿意的免清洗焊接效果。

表5列出了三次典型虛焊問題解決的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，試驗(yàn)電池總量為5 000片，每次批量出現(xiàn)的虛焊均由某種主要原因引起，從表5數(shù)據(jù)可以看出，只要采用相應(yīng)的正確方法，每種問題都能得到比較有效解決。

4　結(jié)　論

表5　與助焊劑相關(guān)的虛焊解決效果對(duì)比

在通常情況下，組件的碎片率約0.4%，組件的功率產(chǎn)出約97%，通過批量生產(chǎn)試驗(yàn)，采用上述焊接可靠性提升技術(shù)，組件的碎片率已降低到0.2%以下，組件的功率產(chǎn)出能提高到99.7%以上，并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，隨著晶體硅太陽能電池組件應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，組件成本及質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，晶體硅太陽電池的焊接工序已成為電池片封裝過程異常關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過提升焊接過程中的各種技術(shù)環(huán)節(jié)，能夠有效地降低生產(chǎn)成本，提高焊接質(zhì)量，達(dá)到理想的焊接生產(chǎn)效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 趙建華.化錫板可焊性影響因素淺析［M］.表面處理與涂覆，2011.183-195.

張福家（1971—），男，湖南衡山縣人，本科，高級(jí)工程師，主要從事太陽能電池組件工藝的研制。

李 韜（1987-），男，湖南衡陽縣人，碩士，助理工程師，主要從事太陽能電池組件工藝的研制。

楊 搖（1986-），男，湖南長沙市人，本科，助理工程師，主要從事太陽能電池組件工藝的研制。

中圖分類號(hào)：TG456

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4507（2016）07-0006-05

作者簡介：

收稿日期：2016-05-30

Research on Improving the Technology of the PV Models in the Welding Process

ZHANG Fujia，LI Tao，YANG Yao
（The 48th Research Institute of CETC，Changsha 410111,China）

Abstract：This paper mainly introduces the influence of welding process related factors on the quality of the PV modules.And the principle of each link related problem is analyzed.This paper also puts forward the technical approach to solve the problem.

Keywords：Crystalline PV modules；Welding technology；Thermal field