晶體硅太陽能組件焊接技術的優化研究

張福家，李 韜，楊 搖

（中國電子科技集團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的優化研究

張福家，李 韜，楊 搖

（中國電子科技集團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因素對組件質量的影響，分析了各種環節造成問題的原理，并提出了解決問題的技術途徑。

關鍵詞：太陽電池組件；焊接工藝；熱場；

從太陽能電池片到電池組件，需要將單片的電池片聯接起來使之形成一個整體，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成本，更影響到光伏組件的質量。晶體硅太陽能電池焊接工藝的研究對組件生產質量提升尤為重要。

1　晶體硅太陽能電池組件焊接原理及技術發展狀況

目前，晶體硅電池焊接有人工焊接和機器焊接；人工焊接主要包括單焊和串焊兩環節，機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，并互相聯接成一個擁有一定數量電池片的電池串；機器焊接中，電池片之間、電池片和焊帶之間的定位主要由機械手操作完成，機械手將電池片和焊帶依次排版后從略高于焊錫熔點溫度場中通過來完成焊接，焊接示意圖見圖1所示。

圖1　 焊接示意圖

2　焊接技術導致的主要相關問題

2.1 焊接工藝溫度及熱場的影響

晶體硅太陽能電池組件所用電池片主要成分是硅材料，硅材料機械性能脆，易因受熱不均或熱沖擊而產生裂紋；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。如圖2，生產焊接實驗中，樣品A為電池片通過低溫預熱后進行焊接產生的嚴重翹曲現象，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熱后進行焊接產生翹曲的現象，最大翹曲同樣位于主柵線兩端，翹曲值0.9 mm左右。

圖2　 預熱溫度—撓曲值曲線

2.2 焊接工藝設備機械性能的影響

在焊接工藝中，電池片的抓取和輸送由運動部件支撐，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的影響容易導致電池片隱裂或摔碎，傳送帶及相關裝置由于擠壓電池片或粘結電池片而導致電池片隱裂、碎片、堆錫等質量問題。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%比例由與焊接有關的抓取運動直接造成。

2.3 助焊劑的影響

助焊劑在錫焊技術中能幫助和促進焊接的進行，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合金的生成；（2）覆蓋在焊料表面，防止焊料或金屬繼續氧化；（3）增強焊料和被焊金屬表面的活性，降低焊料的表面張力；（4）增加焊料的流動性，進一步提高浸潤能力；（5）加快熱量從烙鐵頭向焊料和被焊物表面傳遞；（6）使焊點美觀。其中最主要和關鍵的作用是去除氧化物和降低被焊接材質表面張力。一般情況下，助焊劑造成的質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，焊帶的質量直接影響光伏組件光生電流的收集效果。焊帶的結構如圖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械性能兩方面因素。

圖3　 焊帶結構示意圖

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、銅基材的合金擴散層（如銅與錫生成Cu3Sn和Cu6Sn5組成的合金擴散層）。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，過厚的錫涂層將會溢出，造成電池片表面污染，導致功率損耗或裂片；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，氧化膜必然會阻止焊料對母材的潤濕，使焊接不能正常進行。

2.4.2 焊帶整體機械性能的影響

影響組件焊接可靠性的焊帶機械特性主要是焊帶截面幾何尺寸和焊帶屈服強度；屈服強度不匹配的焊帶容易使電池片與硅片間產生熱應力，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電阻直接相關，組件串聯電阻熱損耗會增加封裝功率損失，寬于正面電極寬度的焊帶會遮擋入射光，引起電流損失。

2.5 焊接設備操作的影響

在焊接大面積的電池片時，因為電池片的硅導熱性能很好，熱量會迅速傳遞到硅片上，瞬間使熱場局部的溫度降低到200℃以下，熱場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，容易導致虛焊。

3　焊接工序主要的優化途徑

3.1 適當的預熱溫度及預熱時間、匹配穩定的焊接溫度

焊接溫度需要參照涂錫帶涂層熔點的溫度，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生合金反應；預熱溫度和預熱時間需要以焊接溫度為目標，使電池片從常溫到焊接溫度的升溫速率保持均勻平穩。過快的升溫速率和過高的焊接溫度會使電池片由于熱應力而產生變形，導致隱裂和碎片的產生，過低的焊接溫度造成虛焊。

在焊接工藝中，電池片先經歷預熱區，再到焊接區進行焊接；預熱區溫度一般從80～160℃，分成多段控制，避免溫度變化梯度太大。表1是兩種不同預熱溫度梯度對電池片焊接質量影響統計。

表1　 預熱溫度-質量情況

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，同時焊接溫度較低，其熱沖擊較小，產生的碎片、隱裂、過焊、脫焊等質量問題要少。表2為兩種不同焊接溫度對電池片焊接質量的影響。

表2　 焊接溫度-質量情況

預熱溫度、預熱時間、焊接溫度需根據不同廠家電池片特性做匹配調試，總體上達到最佳狀態。

3.2 焊帶的匹配選擇

焊帶的選擇根據所選用的硅電池片特性來決定。根據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，涂錫銅帶的屈服強度取決于電池片的厚度和焊接熱場特性。軟態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，同時在焊接過程中產生的應力小，降低碎片率和隱裂率。在相同材質下，提高焊帶基材厚度和提高焊帶基材寬度，都必會提高焊帶的屈服強度，導致硅電池片焊接的破損率升高。在選擇焊帶規格時，需結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。在實際應用中應選擇不同規格的焊帶進行匹配封裝試驗。表3是焊帶尺寸與電池片匹配試驗數據，表4是焊帶屈服強度與電池片匹配試驗數據，試驗數據表明焊帶的屈服強度越小，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。總體上要從經濟運行角度綜合考慮技術方案。

表3　 焊帶尺寸與電池片匹配試驗

表4　 焊帶屈服強度與電池片匹配試驗

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：在焊接環節產生良好的電氣接觸，同時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用助焊劑，必須采用硅電池片專用免清洗助焊劑。性能指標必須達到下列要求：（1）助焊劑適當的活性溫度范圍,在焊料熔化前開始起作用，在施焊過程中較好地發揮清除氧化膜、降低液態焊料表面張力的作用，焊劑的熔點應略低于焊料的熔點；（2）助焊劑有良好的熱穩定性，熱穩定溫度不小于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，促進焊料對母材的潤濕；（4）無腐蝕性。由于免清洗助焊劑極低的固態含量不能形成絕緣保護層，若有少量的有害成分殘留在板面上，就會導致腐蝕和漏電等嚴重不良后果。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）預熱。涂覆助焊劑后，焊接件進入預熱工序，通過預熱揮發掉助焊劑中的溶劑部分，增強助焊劑的活性。免清洗工藝中控制好預熱溫度是一重要環節，通常要求控制在100℃或更高（按供應商指導溫度曲線），且應有足夠的預熱時間供溶劑充分揮發。

（3）焊接。由于嚴格限制了助焊劑的固態含量和腐蝕性，其助焊性能必然受到限制。要獲得良好的焊接質量，還必須對焊接設備提出新的要求，免清洗工藝要求更嚴格地控制焊接過程的各項工藝參數，主要包括焊接溫度、焊接時間、焊帶涂層厚度等。應根據使用不同類型的免清洗助焊劑調整好焊接設備的各項工藝參數，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對比數據，試驗電池總量為5 000片，每次批量出現的虛焊均由某種主要原因引起，從表5數據可以看出，只要采用相應的正確方法，每種問題都能得到比較有效解決。

4　結　論

表5　與助焊劑相關的虛焊解決效果對比

在通常情況下，組件的碎片率約0.4%，組件的功率產出約97%，通過批量生產試驗，采用上述焊接可靠性提升技術，組件的碎片率已降低到0.2%以下，組件的功率產出能提高到99.7%以上，并且實現穩定生產，隨著晶體硅太陽能電池組件應用規模的擴大，組件成本及質量競爭越來越激烈，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鍵環節，通過提升焊接過程中的各種技術環節，能夠有效地降低生產成本，提高焊接質量，達到理想的焊接生產效果。

參考文獻：

［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：TG456

文獻標識碼：A

文章編號：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