太陽電池陣新型互連片微連接技術探討

王志彬，賀 虎，陳萌炯，黃三玻，王訓春

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

空間級太陽電池陣是由多個太陽電池單體通過互連片連接組成的，互連片的連接性能決定了太陽電池電路的輸出性能[1]161-188。隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，飛行器對能源的需求越來越大，壽命也越來越長；而環(huán)境條件越來越惡劣，特別是原子氧環(huán)境對互連片的侵蝕嚴重[2]，傳統(tǒng)的銀質互連片已經不能滿足使用需求。為解決太陽電池電路的原子氧環(huán)境壽命問題，研制了新型鉬鍍銀、可伐鍍銀的互連片[3-5]。

焊接質量直接決定了太陽電池電路的輸出性能，因此焊接技術成為電池電路的一大技術難題。由于互連片厚度通常小于0.05 mm，其焊接技術屬于微連接技術，焊接影響因素多；只有掌握影響焊接的因素和規(guī)律，才能提高太陽電池焊接的合格率 和可靠性。本文對影響焊接質量的因素進行分析，旨在摸索出太陽電池電路微連接技術參數。

1 焊接界面與焊接方法分析

太陽電池陣由多個太陽電池單體串并聯組成，電池間通過互連片以焊接方式連接起來，典型焊接界面如圖1所示?？梢钥闯?，互連片與太陽電池焊接界面為銀和銀焊接，是比較易焊接的接觸界面。

圖1 互連片與太陽電池焊接界面 Fig.1 Welding interface between interconnector and solar cell

根據太陽電池陣焊接部位和焊接結構，焊接可分為壓焊和釬焊。釬焊屬于手工焊接，焊接質量和焊接速度相對較差，不利于工程化批量生產。壓焊可以采用自動焊接設備實現，是目前航天器太陽電池陣焊接采用的主要方式之一。太陽電池與互連片的焊接屬于壓焊中的點焊工藝，采用的設備是平行間隙電阻焊接系統(tǒng)。

2 焊接影響因素分析與工藝試驗

平行間隙電阻焊的焊接設備及焊接原理如圖2所示[6]。根據焊接原理和焊接過程，影響焊接質量的因素主要有被焊材料、焊接表面狀態(tài)以及焊接參數（焊接電流、焊接壓力以及焊接時間）等。

圖2 平行間隙電阻焊接設備及原理 Fig.2 Equipment and principle of parallel gap resistance welding

2.1 被焊材料

互連片材料種類決定了焊接難易及空間環(huán)境適應性。不同金屬可以形成合金，也可能不能固熔。常用互連片材料特性如表1所示[1]251-256。

表1 常用互連片材料特性 Table1 Commonly used material properties of interconnector

由表1可以看出，鉬與可伐互連片均具有良好的耐原子氧性能，鉬還具有較高的導熱性和拉伸強度，同時無鐵磁性，無疑是互連片長壽命設計的可選材料。為提高鉬的可焊性，在其表面鍍一層金屬銀，焊接界面如圖1所示。由于金屬銀具有高導熱率和低電阻率，應采用更嚴格的規(guī)范進行焊接。根據太陽電池陣用焊接設備性能及傳統(tǒng)工藝經驗，選擇焊接電流為150 A，焊接時間為80 ms。

2.2 表面粗糙度影響分析

表面粗糙度主要影響焊接時的接觸電阻[7]隨互連片表面粗糙度增大，接觸電阻增大，有利于焊接初期的生熱，能提高焊接強度。但當互連片表面粗糙度過大時，反而造成焊接界面結合不致密，焊接強度降低。焊接電流為150 A、焊接時間80 ms時，互連片粗糙度與焊接強度的關系如圖3所示。通過工藝試驗發(fā)現，表面粗糙度小于150 μm 有利于焊接，實際工程中將鉬鍍銀互連片表面粗糙度控制在100～180 μm 左右。

圖3 粗糙度與焊接強度關系 Fig.3 Relationship between roughness and welding strength

2.3 焊接壓力

電阻焊接的原理是利用焦耳熱進行焊接，點焊時產生的熱量Q=Ⅰ2Rt，焊接電流、焊接時間及接觸電阻對焊接性能均有影響。其中接觸電阻與材料種類、表面狀態(tài)及焊接壓力有關，因此對于確定的鉬鍍銀互連片材料，焊接壓力是焊接過程的關鍵參數。焊接壓力主要是通過接觸面積和接觸電阻來影響電阻點焊過程。其他條件不變的情況下，加大焊接壓力會使焊盤接觸面積增大，接觸電阻和電流密度減小，導致熔核減?。欢鴾p小壓力，會使接觸電 阻增大，溫度急劇上升，導致噴濺而無法形成焊核。通過工藝參數摸索，焊接電流為150 A、焊接時間為80 ms 時，焊接壓力對焊接強度的影響如圖4所示。經焊接工藝試驗，確定焊接壓力應控制在 30 MPa 左右。焊點壓痕如圖5所示，焊點邊緣規(guī)則，焊核飽滿。

圖4 焊接壓力與焊接強度關系 Fig.4 Relationship between the electrode pressure and the welding strength

圖5 焊點壓痕檢測 Fig.5 The dent of the welding spot

2.4 焊接效果

理論上，點焊接頭的強度決定于熔核的幾何尺寸及其內外質量。一般要求熔核直徑隨著焊接材料厚度的增大而增大，《焊接工程師手冊》[8]中對 點焊熔核質量的一般要求為

其中：dn為熔核直徑；δ為焊件最薄厚度。

鉬鍍銀互連片厚度為30 μm 左右，根據式(1)計算可得點焊熔核直徑應≥27 μm。對太陽電池與鉬鍍銀互連片焊點進行無損檢測，得到焊點焊核如圖6所示，其焊接截面如圖7所示。可以看出，最小焊核直徑約為190 μm，遠超焊接質量要求。

圖6 焊點焊核檢測 Fig.6 Testing of the spot welding nucleus

圖7 焊接焊點截面檢測 Fig.7 Testing of the solder joint section

通過大量焊接工藝試驗摸索出鉬鍍銀互連片焊接參數，并在試驗前后對太陽電池電性能進行測試，具體試驗參數與結果如表2所示。可以看出，通過控制焊接過程中焊接電流、焊接壓力及焊接時間，可實現鉬鍍銀互連片與太陽電池的良好焊接，焊接前后太陽電池電性能幾乎無衰降，滿足電性能輸出要求；焊接強度大于0.83 N/mm2，滿足太陽電池焊接強度指標要求[9]。

表2 鉬鍍銀互連片與太陽電池焊接結果 Table2 Welding results of silver-plated molybdenum connected with solar cell

3 結束語

通過對太陽電池電路焊接工藝過程分析及試驗摸索，初步掌握了新型耐原子氧鉬鍍銀互連片的焊接工藝參數，焊接點的焊接強度達到指標要求，為太陽電池陣長壽命設計積累了數據。后續(xù)為推進 工程應用，還需開展空間原子氧環(huán)境試驗及焊接可靠性試驗。

（References）

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[8] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2009: 515-516

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