晶體硅太陽電池焊接工藝研究

任現(xiàn)坤，徐振華，姜言森，賈河順，張春艷，馬繼磊

（山東力諾太陽能電力股份有限公司， 山東 濟(jì)南 250103）

焊接作為光伏組件加工工藝的重要組成部分，焊接后晶體硅太陽電池主柵銀漿與焊帶之間的連接性能直接影響光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命[1,2]。常規(guī)晶體硅太陽能電池組件的使用壽命一般承諾在20年以上。目前國內(nèi)外學(xué)者一直致力于識(shí)別和評(píng)估危害組件穩(wěn)定性影響因素的研究。美國薩迪亞國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于組件室外長期使用的測試報(bào)告，報(bào)告表明組件的串聯(lián)電阻是影響組件長期穩(wěn)定性使用的最重要因素之一[3,4]，組件的串聯(lián)電阻除了包括焊帶電阻、焊帶與電極之間的接觸電阻、硅基底的體電阻、發(fā)射結(jié)的橫向電阻、電極電阻等外，還存在焊接不良導(dǎo)致的附加電阻[5]，這部分電阻與焊接質(zhì)量有很大關(guān)系。目前國內(nèi)大部分太陽電池組件生產(chǎn)企業(yè)都在采用手工焊接，而在組件生產(chǎn)過程中，手工焊接可能出現(xiàn)虛焊、過焊以及主柵與焊帶之間的連接強(qiáng)度低等問題。虛焊將增加組件的串聯(lián)電阻，降低組件效率；過焊會(huì)造成電池片變形隱裂等問題[6]。由此可見，如何提高人工焊接的焊接質(zhì)量，對(duì)組件生產(chǎn)非常重要。

太陽能電池組件焊接是將焊帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線上，焊帶的長度約為電池邊長的2倍，多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池片的背面電極相連。焊接質(zhì)量控制的方法一般采用以下兩種：一、將焊上的焊帶用電烙鐵取下然后觀察是否存在虛焊和過焊的情況來評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量；二、采用焊接拉力測試機(jī)來進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。焊掉焊帶的電池片可以重新焊新的焊帶，這種質(zhì)量監(jiān)控方式具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。但這種監(jiān)控方式，對(duì)于操作者的焊接穩(wěn)定性反映并不明顯。焊接拉力測試可以通過分析數(shù)據(jù)和焊接后電池片主柵的情況，更直觀的反映虛焊、過焊等問題。本文采用焊接拉力測試機(jī)質(zhì)量監(jiān)控的方法，通過研究不同焊接溫度和時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量的影響，得出了最優(yōu)化工藝。

1 焊 接

1.1 焊接的影響因素

影響焊接質(zhì)量的因素主要有焊接溫度、焊接時(shí)間、焊帶和主柵銀漿以及它們接觸面的清潔度、助焊劑、烙鐵的回溫速度和人工操作的焊接壓力等因素[7]。實(shí)踐證明，在太陽能電池焊接工藝中，焊接溫度在370~385 ℃之間，焊接時(shí)間控制在3 s以內(nèi)有較優(yōu)的焊接效果。焊接接觸面的清潔度作為焊接質(zhì)量的首要因素和先決條件，直接影響溶化后的焊帶與主柵銀漿受熱形成合金的質(zhì)量。焊帶通過助焊劑的浸泡去除表面的氧化膜，并在表面覆蓋形成了一層均勻、平滑、連續(xù)并著附牢固的焊料層，在焊接過程中可以有效地清除柵線表面的氧化物，加快烙鐵頭溫度的傳遞，將焊帶牢固的與電池片的主柵線結(jié)合。電烙鐵作為焊接工藝的必要工具，需要具有熱量充足、溫度穩(wěn)定、溫度補(bǔ)償?shù)哪芰?qiáng)等特點(diǎn)。另外，操作人員需要嚴(yán)格按照工藝要求生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 常見焊接缺陷

常見的焊接缺陷主要存在以下幾種：虛焊、過焊、拉尖、橋連和導(dǎo)線焊接不當(dāng)[8]。虛焊又稱假焊，是指焊接時(shí)焊點(diǎn)內(nèi)部沒有真正形成金屬合金的現(xiàn)象，其主要原因是焊接面不清潔、焊劑用量不足、焊接溫度以及時(shí)間控制不當(dāng)。過焊是在焊接區(qū)內(nèi)形成脆性的金屬間化合物層的現(xiàn)象，過焊主要原因有助焊劑與焊帶不匹配以及焊接溫度高或者焊接時(shí)間長。焊點(diǎn)外表有尖刺稱為拉尖，主要是在手工焊接時(shí)，電烙鐵撤離焊點(diǎn)的方法不當(dāng)導(dǎo)致焊點(diǎn)拉尖。焊料將相鄰的不應(yīng)連接的印刷導(dǎo)線、焊盤或元器件引線誤連接，稱為橋連，產(chǎn)生這種缺陷的主要原因是電烙鐵使用不當(dāng)，或焊料槽溫度不當(dāng)(過低或過高)。導(dǎo)線焊接不當(dāng)諸如：焊錫浸過外皮是由于導(dǎo)線端頭處理不當(dāng)造成的；外皮燒焦現(xiàn)象是由于電烙鐵頭碰到了外皮；芯線散開是由于捻頭散開或電烙鐵壓迫芯線造成的。在此，我們主要分析虛焊與過焊兩種，其它幾種焊接缺陷操作者可以通過正確的焊接手法均可避免。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，影響因素有焊接時(shí)間和焊接溫度兩個(gè)因素，每個(gè)因素取5個(gè)水平，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)兩因素、5水平的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案如表1所示。其中，焊接時(shí)間取1, 2, 3, 4, 5 s五個(gè)水平，焊接溫度取320, 350, 380, 410, 440 ℃五個(gè)水平，兩個(gè)因素各水平之間全部組合有25種。

本實(shí)驗(yàn)采用日本 QUICK203H型無鉛智能控溫電焊臺(tái)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，使用本公司正常生產(chǎn)的電池片，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)所有焊接操作均由同一操作人員完成，焊接時(shí)間采用秒表控制。其中，焊接溫度和時(shí)間分別控制在設(shè)定值的±2 ℃和±0.1 s范圍內(nèi)。按照實(shí)驗(yàn)方案中的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行焊接，焊接后使用臺(tái)灣群PeelForce606焊接拉力測試系統(tǒng)對(duì)焊接后的電池片進(jìn)行 180°剝離拉力測試，每種方案采集 10個(gè)焊接拉力數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并提出了最優(yōu)化焊接工藝。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 焊接拉力的等值線圖Fig.1 Contour map of soldering force

圖2 焊接拉力標(biāo)準(zhǔn)方差的等值線圖Fig.2 Contour map of soldering force STD

圖1、2分別給出了不同實(shí)驗(yàn)條件下焊接拉力與其標(biāo)準(zhǔn)方差的等值線圖。分析數(shù)據(jù)可以得出，在焊接溫度低于350 ℃時(shí)，焊接拉力隨著焊接時(shí)間的增加而變大。這是因?yàn)楹附訙囟鹊?，焊接時(shí)主柵銀漿和焊帶接觸面不能發(fā)生共溶，導(dǎo)致虛焊增多，焊接拉力數(shù)值降低，焊接穩(wěn)定性差；而焊接時(shí)間的增加可以減少虛焊，焊接拉力增大。

焊接溫度在350~410 ℃之間，可以看出焊接時(shí)間為3 s、焊接溫度為380 ℃時(shí)，焊接拉力與穩(wěn)定性較好。這說明當(dāng)溫度為380 ℃時(shí)，主柵銀漿和焊帶接觸面的共溶效果最佳，焊接速度與電烙鐵的溫度補(bǔ)償能力匹配性好。當(dāng)焊接時(shí)間減少或者溫度降低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的虛焊現(xiàn)象；而焊接時(shí)間增加或者溫度增加，過焊又會(huì)隨之產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的下降。

隨著焊接溫度進(jìn)一步增大，焊接拉力值隨焊接時(shí)間的增大而變小。通過對(duì)比主柵銀漿脫落的情況發(fā)現(xiàn)，焊頭溫度大于410 ℃，焊接出現(xiàn)過焊現(xiàn)象，其表現(xiàn)為焊接拉力逐漸減小，焊接穩(wěn)定性變差。焊接溫度和焊接時(shí)間的繼續(xù)增加，使得過焊區(qū)域加大，焊接質(zhì)量進(jìn)一步下降。當(dāng)溫度為440 ℃，焊接時(shí)間為5 s時(shí)表現(xiàn)最顯著，過焊的效果主要表現(xiàn)為焊接拉力小。這主要是由于電池片中本來形成的 Ag-Si合金中的 Ag，會(huì)從中析出與 Sn形成合金，低 Ag含量容易引起柔性斷裂，而較高 Ag含量容易引起脆性斷裂[9]，這樣都會(huì)導(dǎo)致焊接拉力變小，如果過焊嚴(yán)重的話，會(huì)導(dǎo)致柵線位置受熱不均，降溫后有可能導(dǎo)致電池片變形隱裂。

圖3 不同焊接效果對(duì)比Fig.3 Comparison of different soldering effect

通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)在焊接時(shí)間為3 s、焊接溫度為 380 ℃時(shí)焊帶與電池主柵之間的焊接性能最佳。圖3是實(shí)驗(yàn)過程中有關(guān)過焊、虛焊與正常焊接的效果對(duì)比。由圖中可見，正常焊接的焊接拉力在整個(gè)測試區(qū)域都比較大；而虛焊則表現(xiàn)為焊接拉力不穩(wěn)定，在測試位置：0~50、60~80、85~90均出現(xiàn)了不同程度的拉力小的現(xiàn)象；過焊在整個(gè)測試過程焊接拉力比較小。

4 結(jié)束語

本文著重研究了不同焊接溫度和時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，焊接溫度380 ℃、焊接時(shí)間3 s時(shí)，焊接后電池主柵與焊帶的連接性能最佳。希望本文的數(shù)據(jù)和結(jié)論對(duì)以后進(jìn)一步提高晶體硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命提供一些思路和幫助。

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