太阳能电池焊接技术研究及焊接质量影响因素

太阳能电池焊接技术研究及焊接质量影响因素

张月

青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司   青海西宁   810000

摘要：焊接是太阳能组件生产的关键工艺，焊接的影响因素也多种多样，本文对焊接的主要对象进行了简要的介绍，并对各材料对焊接质量的影响进行了探讨。

关键词：光伏组件；串焊；太阳能电池

1 串焊工艺简介

1.1焊接对象特性

1.1.1晶体硅电池片

硅（Si）的原子系数是14，为元素周期表上IVA族的类金属元素。晶体硅的弹性模量为144GP、泊松比0.3、热膨胀系数2.4×10-6m/K、密度2328.3 kg/m³。晶硅电池片本身比较脆且硬。

1.1.2涂锡焊带

光伏组件串焊用涂锡焊带是以铜为基体材料，在铜基体上涂敷锡铅钎料或无铅钎料制作而成。主要用于光伏电池片的正负电极链接。涂锡焊带要根据硅电池片的特性来选用，一般的选用准则是根据硅片的厚度和组件的最大电流来决定涂锡焊带的厚度，涂锡焊带的宽度由晶硅电池片的银电极宽度决定（主栅宽度）。涂锡焊带的技术要求有力学性能（抗拉强度、伸长率、屈服强度）、材质、尺寸偏差、电阻率、耐腐蚀性等。焊带的力学性能主要是保证焊带在使用时有足够的强度，同时有良好的伸长率以保证在温度变化时应力不至于过大。焊带的抗拉强度和伸长率按照国家标准GB/T228-2002进行测试，抗拉强度≥170MP、伸长率≥30%、屈服强度≤70MP。

铜基体外围的锡涂层对焊接性能起决定性作用。Sn在钎焊时能与大部分金属反应形成化合物，在焊接时起重要作用。Pb能减小钎料的表面张力和粘度，改善钎料的流动性。Ag能增加焊带的导热性，钎料中的Ag还可避免电池片上电极中的Ag往焊带中扩散。

1.1.3助焊剂

助焊剂是晶硅光伏电池焊接质量的一个关键因素，且会影响组件层压质量。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。

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，银浆及胶膜无腐蚀性；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。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。

1.2焊接原理

焊接是被焊工件的材质，通过加热或加压或二者并用，并且用或者不用填充材料，使工件的材质达到结合的工艺过程。根据工艺特点可分为熔焊、压焊、钎焊。晶硅光伏电池的焊接性质属于钎焊。

单晶硅电池的焊接之所以钎焊，是由于钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，不会对电池板P-N结造成伤害，且电池板不会因为高温产生大的变形。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，通过毛细作用及表面化学反应，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。

1.3焊接工艺

根据生产过程中使用的设备和工具可将光伏电池的焊接分为人工焊接和自动焊接。

人工焊接具有设备投入成本低和生产过程具有良好的灵活性等优点。缺点是对操作人员的焊接熟练程度要求比较高、焊接质量受员工情绪的影响、对员工的管理和培训比较耗时耗力，电池片的正面焊接和背面焊接只能分开导致其二次受热变形。人工焊接的工序主要包括单焊和串焊。

自动焊接具有受人为影响小、焊接质量稳定、生产效率高的优点。其缺点是设备的投入成本高。自动焊接只需操作人员定期上下料，其余过程都由焊接设备自动完成。在焊接过程中电池片的正面和背面的焊接是同时进行的，减小了热变形的次数。

1.4焊接中常见的缺陷

焊接过程的常见缺陷有虚焊、过焊、拉尖、桥连和导线焊接不当。虚焊是指焊接时焊接处没有形成金属合金的现象，是由焊接温度、焊接时间等参数不合适造成的。过焊是指焊接处形成脆性金属化合物的现象，主要是焊接温度偏高和焊接时间偏长造成的。，事实上没有形成合金连接，造成虚焊。焊接温度偏高时，焊接残余应对焊接过程影响较大的因素有预热温度、焊接温度、焊接时间、焊接处接触表面的清洁度、施加的压力、焊接头不干净。

预热温度和焊接温度对光伏电池焊接后的残余应力和焊接质量有较大的影响。涂锡铜带和硅电池片的热膨胀系数相差很大，涂锡铜带的热膨胀系数为18×10-6m/K，硅片的热膨胀系数为2.4×10

-6m/K。在焊接一块156mm的光伏电池时，当温度从室温（25℃）上升到焊接温度（250℃）时，焊带变长了0.63mm，硅片仅变长了0.11mm。因此硅电池片焊接后存在较大的残余应力。焊接温度偏低时，焊接残余应力较小，但焊接面上氧化层去除不干净，出现粗糙的麻点，液体锡焊的流动性不好，不能良好的浸润焊带和栅线，表面上看上去已经焊接好力较大，焊接时会形成脆性金属化合物，造成过焊。焊接温度的选择和钎料的成分密切相关，无铅锡钎料的焊接温度比含铅锡钎料的高。在焊接前加入预热过程可以缩小焊接温差，能明显降低焊接应力。合适的预热温度和焊接温度能避免虚焊、过焊、脱焊等不良现象，提高焊接效率。

焊接时间的长短会明显影响焊接质量的好坏。光伏电池焊接采用的钎料含有银，为降低成本银的浓度是根据逾渗阀值来确定的。焊接时银和锡熔化形成合金化合物。钎料中银浓度非常接近逾渗阀值，焊接时间过长会导致过多的银颗粒熔化和溶解，降低了焊带的导电性，光伏组件的输出功率也会随着降低。焊接时间偏短时会造成虚焊、脱焊，焊接时间偏长时会导致过焊、碎片。

2 串焊影响因素

2.1焊接工艺温度及热场的影响

晶体硅太阳能电池组件所用电池片主要成分是硅材料，硅材料机械性能脆，易因受热不均或热冲击而产生裂纹；在光伏组件的焊接工艺过程中，高温焊接的翘曲破损一直困扰着组件生产。电池片通过低温预热后进行焊接相较于较高温度预热后焊接会产生更为严重的翘曲现象，一般最大翘曲同样位于主栅线两端。

2.2焊接工艺设备机械性能的影响

在焊接工艺中，电池片的定位和抓取主要是真空吸盘，电池片的传送主要是传送带，真空吸盘由于受吸盘真空度不稳的影响容易导致电池片隐裂或摔碎，传送带及相关装置由于挤压电池片或粘结电池片而导致电池片隐裂、碎片、堆锡等质量问题。通常情况下，焊接中碎片、隐裂总量占电池片比例为0.3%左右，其中有约25%比例由与焊接有关的抓取运动直接造成。

2.3助焊剂的影响

助焊剂在锡焊技术中能帮助和促进焊接的进行，助焊剂的作用主要是以下几方面：(1)消除金属氧化膜使焊锡表面清洁，有利于焊锡的浸润和焊点合金的生成；(2)覆盖在焊料表面，防止焊料或金属继续氧化；(3)增强焊料和被焊金属表面的活性，降低焊料的表面张力；(4)增加焊料的流动性，进一步提高浸润能力；(5)加快热量从烙铁头向焊料和被焊物表面传递；(6)使焊点美观。其中最主要和关键的作用是去除氧化物和降低被焊接材质表面张力。一般情况下，助焊剂造成的质量问题主要是不能有效去除氧化物，造成虚焊等焊接问题，电池片虚焊约占电池片总量的0.1%。

2.4焊带性能的影响

在晶体硅太阳能电池组件的焊接工艺过程中，主要焊接材料是焊带，焊带的质量直接影响光伏组件光生电流的收集效果。焊带的结构如图所示，焊带由铜基材和外围涂层组成；焊带影响焊接性能主要有焊带涂层性能和焊带整体机械性能两方面因素。

2.4.1焊带涂层性能的影响

焊带锡合金涂层可焊性的影响因素主要有：锡合金涂层的成分、锡合金涂层厚度、锡合金涂层表面氧化物层、铜基材的合金扩散层(如铜与锡生成Cu3Sn和Cu6Sn5组成的合金扩散层)。锡合金涂层厚度必须适宜，过薄的锡涂层将填充不了铜基材与电池片间的间隙，造成虚焊，过厚的锡涂层将会溢出，造成电池片表面污染，导致功率损耗或裂片；在大气中，被焊材料表面总是被氧化膜覆盖着，其厚度大约为0.002～0.02μm，在焊接时，氧化膜必然会阻止焊料对母材的润湿，使焊接不能正常进行。

2.4.2焊带整体机械性能的影响

影响组件焊接可靠性的焊带机械特性主要是焊带截面几何尺寸和焊带屈服强度；屈服强度不匹配的焊带容易使电池片与硅片间产生热应力，提高硅电池片裂片率，焊带的截面积与太阳能电池组件的串联电阻直接相关，组件串联电阻热损耗会增加封装功率损失，宽于正面电极宽度的焊带会遮挡入射光，引起电流损失。

2.5焊接设备操作的影响

在焊接大面积的电池片时，因为电池片的硅导热性能很好，热量会迅速传递到硅片上，瞬间使热场局部的温度降低到200℃以下，热场的加热速率不足以保证温度升高到220～250℃，不能保证焊接的牢固性，容易导致虚焊。

3 焊接工序主要的优化途径

3.1 适当的预热温度及预热时间、匹配稳定的焊接温度

焊接温度需要参照涂锡带涂层熔点的温度，焊接过程中，需要使熔化的合金涂层顺利流入电池片主栅线表面，并使之与主栅线表面形成合金，同时主栅线也必定要有一定的温度，否则，熔化的合金涂层与主栅线银浆不能产生合金反应；预热温度和预热时间需要以焊接温度为目标，使电池片从常温到焊接温度的升温速率保持均匀平稳。过快的升温速率和过高的焊接温度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，过低的焊接温度造成虚焊。

在焊接工艺中，电池片先经历预热区，再到焊接区进行焊接；预热区温度一般从80～160 ℃，分成多段控制，避免温度变化梯度太大。焊接温度一般为200℃左右。由于焊接工艺中焊接的温度场考虑了空间的温度均匀性，分成上下两层加热，电池片从中间通过，有良好的空间温度均匀性，同时焊接温度较低，其热冲击较小，产生的碎片、隐裂、过焊、脱焊等质量问题要少。

3.2 焊带的匹配选择

焊带的选择根据所选用的硅电池片特性来决定。根据电池片的厚度和短路电流的多少来确定涂锡铜带的厚度，其宽度要求和电池的主栅线宽度一致，涂锡铜带的屈服强度取决于电池片的厚度和焊接热场特性。软态的焊带和硅电池片接触性好，形成良好的银锡合金，满足可焊接性要求，同时在焊接过程中产生的应力小，降低碎片率和隐裂率。在相同材质下，提高焊带基材厚度和提高焊带基材宽度，都必会提高焊带的屈服强度，导致硅电池片焊接的破损率升高。在选择焊带规格时，需结合考虑焊带的电阻和硅电池片破损率，偏向哪一方都是得不偿失的。在实际应用中应选择不同规格的焊带进行匹配封装试验。试验数据表明焊带的屈服强度越小，电池片的碎片率越低，焊带的截面积越大，组件功率输出越高，但电池的碎片率也高。总体上要从经济运行角度综合考虑技术方案。

3.3 助焊剂的匹配选择

3.3.1 助焊剂的正确选用

助焊剂的选用原则是：在焊接环节产生良好的电气接触，同时不影响硅电池片的性能，不影响封装材料EVA的性能。硅电池电极的焊接不能选用一般电子工业用助焊剂，必须采用硅电池片专用免清洗助焊剂。性能指标必须达到下列要求：

（1）助焊剂适当的活性温度范围,在焊料熔化前开始起作用，在施焊过程中较好地发挥清除氧化膜、降低液态焊料表面张力的作用，焊剂的熔点应略低于焊料的熔点；（2）助焊剂有良好的热稳定性，热稳定温度不小于100℃；（3）助焊剂的密度小于焊料的密度，利于助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展，呈薄膜状覆盖在焊料和被焊金属表面，有效地隔绝空气，促进焊料对母材的润湿；（4）无腐蚀性。由于免清洗助焊剂极低的固态含量不能形成绝缘保护层，若有少量的有害成分残留在板面上，就会导致腐蚀和漏电等严重不良后果。因此，免清洗助焊剂中不允许含有卤素成分，表面绝缘电阻应大于1.0×1011Ω。

3.3.2 正确操作助焊剂的使用

（1）助焊剂的涂覆。为了获得良好的免清洗效果，助焊剂涂覆过程必须严格控制助焊剂涂覆的均匀度，喷雾法是最新的焊剂涂覆方式，由于涂覆的焊剂是雾状薄层，因此板面的焊剂非常均匀，最适用于免清洗助焊剂的涂覆。

（2）预热。涂覆助焊剂后，焊接件进入预热工序，通过预热挥发掉助焊剂中的溶剂部分，增强助焊剂的活性。免清洗工艺中控制好预热温度是一重要环节，通常要求控制在100℃或更高（按供应商指导温度曲线），且应有足够的预热时间供溶剂充分挥发。

（3）焊接。由于严格限制了助焊剂的固态含量和腐蚀性，其助焊性能必然受到限制。要获得良好的焊接质量，还必须对焊接设备提出新的要求，免清洗工艺要求更严格地控制焊接过程的各项工艺参数，主要包括焊接温度、焊接时间、焊带涂层厚度等。应根据使用不同类型的免清洗助焊剂调整好焊接设备的各项工艺参数，才能获得满意的免清洗焊接效果。