太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性研究

雷 剛，王志超，范 襄，沈 一，沈靜曼，金 超

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

0 引言

1968年，AEG-Telefunken公司首創(chuàng)了太陽電池平行間隙焊接方法，由于平行間隙焊接形成的焊點具有良好的耐高低溫交變的特性，因此該方法開始取代釬焊成為空間用太陽電池串聯(lián)焊接的主要方法[1-3]。由于影響太陽電池平行間隙焊接質(zhì)量的因素較多，而且對于焊點的質(zhì)量也缺乏便捷有效的檢測方法，因此關(guān)于太陽電池平行間隙焊接的質(zhì)量控制一直是空間用太陽電池制造領(lǐng)域的研究重點。

已經(jīng)有很多文獻(xiàn)針對焊接機(jī)理和焊接特性開展了詳細(xì)研究[4-7]，但對于實際生產(chǎn)中太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的研究則相對較少。近幾年，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，空間用太陽電池的焊接已普遍采用全自動焊接設(shè)備[8]，因此，控制太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性變得尤為重要。

為提高空間用太陽電池方陣的可靠性，有效控制太陽電池平行間隙焊接的質(zhì)量，本文對太陽電池平行間隙焊接工藝的原理和特性進(jìn)行了簡要分析，通過理論計算和實驗確定了影響太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的主要因素，并討論了提高太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的措施。

1 太陽電池平行間隙焊接工藝的理論分析

1.1 太陽電池平行間隙焊接工藝的基本原理

太陽電池焊接的目的是通過將太陽電池表面的電極與銀互連片牢固連接來實現(xiàn)太陽電池之間的電路連接。

目前，太陽電池的焊接通常采用平行間隙焊接工藝。平行間隙焊接工藝的基本原理為：焊機(jī)上2根互相平行且具有微小間隙的焊機(jī)電極向銀互連片施加一定的壓力，使銀互連片緊密地壓在太陽電池表面的電極上；向2根焊機(jī)電極施加一定的電壓并持續(xù)一定的時間，從而在焊機(jī)電極、銀互連片、太陽電池電極之間形成焊接回路；焊接回路的總電流取決于整個焊接回路的電阻。焊機(jī)電極由鉬(Mo)材料制成；銀互連片由厚度為幾十微米的銀材料制成；太陽電池由鍺(Ge)襯底上外延生長的砷化鎵(GaAs)系材料構(gòu)成；太陽電池電極的主體是采用真空蒸發(fā)技術(shù)沉積在太陽電池表面的厚度為幾微米的銀(Ag)和厚度為幾百納米的金(Au)，且Au位于電極的最外層。由于焊接過程中，焊機(jī)電極下方的微小區(qū)域(即焊接區(qū)域)的電阻相對較大，因此該區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生較大的熱量，從而使銀互連片和太陽電池電極快速升溫，再加上壓力的作用，在銀互連片和太陽電池電極之間形成焊點。太陽電池平行間隙焊接工藝示意圖如圖1所示。

圖1 太陽電池平行間隙焊接工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of parallel gap welding process for solar cells

如圖1所示，電流在太陽電池平行間隙焊接回路中的分布并不是均勻的，焊接過程中的相關(guān)參數(shù)隨著焊接區(qū)域溫度的上升呈動態(tài)變化，因此，對太陽電池平行間隙焊接過程進(jìn)行精確描述與參數(shù)計算需要采用有限元分析[5-7]。考慮到本文主要是對太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并不需要對焊接過程中涉及到的參數(shù)進(jìn)行精確計算，因此可以采用一個理想的簡化模型對太陽電池平行間隙焊接過程進(jìn)行分析。

假定電流在同種材料中是均勻分布的，并忽略銀互連片和太陽電池電極的縱向電阻，同時忽略太陽電池襯底材料對總電阻的影響，則可采用平行間隙焊接的理想電路模型對太陽電池平行間隙焊接的過程進(jìn)行描述。平行間隙焊接的理想電路模型如圖2所示，圖中：R1為焊機(jī)電極的電阻；R2為焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻；R3為銀互連片的橫向電阻；R4為銀互連片和太陽電池電極之間的接觸電阻；R5為太陽電池電極的橫向電阻；U為太陽電池平行間隙焊接回路的總電壓；I為太陽電池平行間隙焊接回路的總電流。

圖2 平行間隙焊接的理想電路模型Fig. 2 Ideal circuit model of parallel gap welding

如圖2所示，在恒壓焊接模式下，I可表示為：

式中，R為太陽電池平行間隙焊接回路的總電阻。

根據(jù)電路的串并聯(lián)原理，R可表示為：

相對于焊接區(qū)域而言，焊機(jī)電極的尺寸很大，R1產(chǎn)生的熱量會分布在整個焊機(jī)電極上，對形成的焊點的有效熱量的影響較小，因此從理論上來講，影響焊點的有效熱量的因素主要為R2、R3、R4及R5產(chǎn)生的熱量之和。該結(jié)論與文獻(xiàn)[5-6]根據(jù)有限元分析得出的研究結(jié)果一致。

焊點的有效熱量Q的計算式可表示為：

式中，t為焊接時間，即施加電壓的時間。

1.2 太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的影響因素

根據(jù)上述分析可知，影響太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的參數(shù)主要有焊接回路的總電壓、焊接時間、壓力及焊接回路中各部分的電阻阻值，其中，焊接回路的總電壓、焊接時間、壓力均由焊接設(shè)備控制，且這些參數(shù)對于焊接工藝穩(wěn)定性的影響已得到較為充分的研究[6,9]。目前，實際生產(chǎn)中采用的焊接設(shè)備不僅能精確控制這些參數(shù)，而且還能對其進(jìn)行實時監(jiān)控，因此這些參數(shù)對太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的影響很小。但焊接回路中的電阻會受到多方面因素的影響，且不易進(jìn)行監(jiān)測，容易造成太陽電池平行間隙焊接過程不受控。

相關(guān)研究表明，在太陽電池平行間隙焊接回路不同部分的電阻中，R2與R3是影響焊點有效熱量主要因素中最為重要的2個因素[5-7]。由于R3值的大小主要是由銀互連片自身的厚度及2根據(jù)焊機(jī)電極的間隙決定的，而實際生產(chǎn)中銀互連片自身的厚度和2根焊機(jī)電極的間隙容易實現(xiàn)精確控制，因此R3對太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的影響很小。而由于R2的變化較為復(fù)雜，因此其是影響太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的主要因素。

另外，R1產(chǎn)生的熱量雖然對焊接過程沒有貢獻(xiàn)，但其會影響I值的大小，因此，R1的變化也會對太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性存在影響。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 接觸電阻的影響因素

影響金屬間接觸電阻的因素很多，包括接觸界面的材料種類、粗糙度、壓力，以及金屬材料表面的氧化等。在實際生產(chǎn)中，對銀互連片的材料種類、加工方法均會嚴(yán)格控制，采用確定的加工方法可以保證材料的粗糙度保持較好的一致性；而壓力則可由焊接設(shè)備來實現(xiàn)精確控制。另外，焊接電極在連續(xù)焊接過程中其端頭會被逐漸氧化，從而影響太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。而氬氣可對焊接電極起到一定的保護(hù)作用，提高焊接工藝的穩(wěn)定性。因此，在有、無氬氣保護(hù)的情況下，對連續(xù)焊接時太陽電池平行間隙焊接回路中的總電流I隨焊接次數(shù)變化而變化的情況進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 有、無氬氣保護(hù)時，I隨焊接次數(shù)變化而變化的情況Fig. 3 With or without argon protection，I changes with changes of number of welding

由圖3可知，無氬氣保護(hù)時，隨著焊接次數(shù)的增加，焊接電極的端頭逐漸被氧化，從而造成I逐漸下降；當(dāng)達(dá)到某一臨界值(圖中焊接次數(shù)約為55次)后，I開始急劇下降，因此焊接過程中焊點處的有效熱量也會隨之下降，導(dǎo)致焊接區(qū)域的溫度大幅降低，從而出現(xiàn)“虛焊”現(xiàn)象。

從圖3中還可以看出，有氬氣保護(hù)時，I的變化趨勢與無氬氣保護(hù)時的變化趨勢類似，但I(xiàn)的下降速率大幅降低；當(dāng)焊接次數(shù)約為90次時，I才開始急劇下降。由此可知，采用氬氣保護(hù)的方式可以有效提高太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性，而且還可以延長焊機(jī)電極的使用壽命。

2.2 焊機(jī)電極的影響因素

焊機(jī)電極由Mo材料制成，焊接電極主體部分的截面尺寸為3.2 mm×3.2 mm、長度為37.4 mm，而主體部分與銀互連片直接接觸的一端則逐漸收縮為截面尺寸為0.6 mm×0.4 mm、長度為2.3 mm的細(xì)棒。理想情況下，R1值是固定的，但在實際生產(chǎn)過程中，由于焊機(jī)電極需要經(jīng)常被打磨以除去其端頭的氧化物，造成焊機(jī)電極細(xì)棒部分的長度會逐漸變短，從而影響焊接電極的電阻值。

根據(jù)Mo的電阻率[10]，可計算出I隨焊機(jī)電極打磨長度變化而變化的情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 I隨焊機(jī)電極打磨長度變化而變化的情況Fig. 4 I changes with changes of grinding length of welding machine electrode

由圖4可知，隨著焊機(jī)電極打磨長度逐漸增加，I也逐漸增大，這是因為焊機(jī)電極打磨長度的增加會導(dǎo)致其細(xì)棒部分的長度逐漸減小，使R1值也逐漸減小，從而導(dǎo)致I逐漸增大。

當(dāng)I增大到一定程度時，焊接產(chǎn)生的熱量會過高，使焊接區(qū)域的溫度大幅升高，從而導(dǎo)致太陽電池的電性能衰減，甚至?xí)斐伞斑^焊”現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為銀互連片被熔斷。由I過高而引起的銀互連片被熔斷的情況如圖5所示。

圖5 因I過高而引起的銀互連片被熔斷Fig. 5 Silver interconnect sheet is fused caused by high I

I過高會導(dǎo)致焊接區(qū)域的溫度過高，造成銀互連片被熔斷，形成如圖5所示的半圓形孔洞。另外，焊接溫度的升高會導(dǎo)致焊機(jī)電極的氧化速率大幅增加，I隨焊接次數(shù)變化而變化的幅度會變得更為劇烈，將嚴(yán)重影響太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。

3 控制措施的討論

通過以上分析和實驗，確定了在實際焊接過程中影響太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的2個主要因素，分別為焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻值的異常增大和因打磨造成的焊機(jī)電極自身電阻值的減小。針對這2個影響因素，可以采取以下措施對工藝穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)：

1)由于焊接電極端頭的氧化會導(dǎo)致焊接電極和銀互連片之間接觸電阻的增大，因此對于因持續(xù)焊接造成的焊機(jī)電極端頭氧化，可以從以下2個方面采取措施：一方面，可以在太陽電池平行間隙焊接過程中采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，以延緩焊接電極端頭的氧化；另一方面，可通過打磨焊機(jī)電極端頭來去除氧化層，使焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻恢復(fù)正常。但需要注意的是，應(yīng)確定合適的打磨時機(jī)，先對太陽電池平行間隙焊接回路的總電流進(jìn)行檢測，然后規(guī)定當(dāng)回路的總電流下降到某個閾值時再進(jìn)行打磨，以避免因回路的總電流過低而造成“虛焊”現(xiàn)象。

2)對于因打磨造成的焊機(jī)電極自身電阻值減小這一影響因素，需要控制焊機(jī)電極的打磨長度，防止因太陽電池平行間隙焊接回路的總電流過大出現(xiàn)“過焊”現(xiàn)象，以及因加劇焊機(jī)電極的氧化速率而影響太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。

3)另外，通過上述分析可知，對于恒壓焊接模式，太陽電池平行間隙焊接回路中任何部位的電阻值的異常變化均會使焊接回路總電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，在太陽電池平行間隙焊接過程中對焊接回路總電流進(jìn)行實時監(jiān)測并設(shè)定合適的電流控制范圍是有必要的，如此可以及時發(fā)現(xiàn)存在異常的焊接樣件，從而可提高太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對太陽電池平行間隙焊接工藝的原理和特性進(jìn)行了簡要分析，并通過分析和實驗確定了恒壓焊接模式下影響太陽電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的主要因素，分別為焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻及焊機(jī)電極的電阻。其中，焊機(jī)電極端頭的氧化會導(dǎo)致焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻增大，容易造成“虛焊”現(xiàn)象；而焊機(jī)電極端頭因持續(xù)被打磨會造成其自身電阻的減小，容易造成“過焊”現(xiàn)象。通過采取惰性氣體保護(hù)、及時對焊機(jī)電極端頭進(jìn)行打磨以去除氧化層、實時監(jiān)測焊接回路的總電流的變化情況等控制措施，可以有效保證太陽電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。