太阳能电池互连器和制造其的方法

文档序号:8407890阅读:426来源:国知局
太阳能电池互连器和制造其的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高导电高温稳定箔材料、用于制备这样的高导电高温稳定箔材料的工 艺、包括高导电高温稳定箔材料的太阳能互连器以及高导电高温稳定箔材料的使用和/或 在太阳能、飞机或太空应用中的太阳能互连器的使用。
【背景技术】
[0002] 通常,太阳能电池用于在地球上以及太空中的电功率生成。在图1中概述了太阳 能电池的原理。为了实现所需的操作电压,很多太阳能电池(1) 一般经由互连器(2)串联 连接(被称为"串"),互连器(2)通过焊接或熔接来施加到太阳能电池触头(3)。一般通过在 10到30 Mm厚度的范围内化学蚀刻工艺或机械冲压出薄金属箔来制造互连器(2)。为了避 免引起降低功率输出的电阻,这些互连器需要是足够导电的以防止不可接受的电压降。
[0003] 此外,在太空应用中,串通常使用硅粘合剂(4)来接合到具有碳纤维覆面板和具有 卡普顿(Kapton)前侧绝缘(6)的铝蜂窝芯(5)的夹层面板。为了辐射保护,盖玻片(9)使 用透明硅酮胶(8)来接合到太阳能电池(1)。这些衬底具有相对于太阳能电池(1)的大的 热膨胀失配。在具有高达200°C的温度波动的隐蔽期期间,在一个串内部的两个太阳能电池 (1)之间的间隙(7)变化几十Mm,这导致在互连器材料内部的显著的热机械循环应力。为 了处理此,现有技术是使用10到30 Mm厚的金属箔,如Ag或Au(都可能具有用于加强的一 些添加剂)。这两种材料的优点是除了良导电率以外,这些材料也可直接焊接到Ag电池触 头上。常常用作互连器材料的其它材料是Mo、科伐合金和英瓦合金。这些材料的低热膨胀 系数(CTE)减小总间隙变化,使它们成为对具有几万个隐蔽期(即,低地球轨道)的任务的良 好候选者。
[0004] 然而,因为这些材料不能被直接焊接或熔接到太阳能电池触头,它们附加地用几 Mm的Ag或Au来电镀,这使工艺敏感和昂贵。
[0005] 已经做出了用于在不失去材料的优点(即,抗腐蚀、良好的可焊性和极好的导电 率)的情况下从热机械循环稳定性方面加强Ag和Au的若干尝试。例如,US 5, 841,071描 述了 Au太阳能电池互连器,银、钯和铜的迹线被添加到所述Au太阳能电池互连器以在低地 球轨道(LEO)条件中实现几万个热循环。US 4, 885, 135 (在这种情况下针对用于半导体的 接合的细导线)描述添加稀土元素(如镧(La)、铈(Ce)等)的一些迹线和锗(Ge)、铍(Be)和 钙(Ca)的一些迹线。为了加强Ag,可使用类似的元素 。US 5, 023, 144描述包含钙(Ca)、铍 (Be)、镧(La)和铟(In)的迹线的太阳能电池互连器的Ag合金箔。这导致增加的存储寿命 和温度稳定性。US 2007/0231186 Al描述铜(Cu)、钙(Ca)和锶(Sr)的迹线被添加。
[0006] 然而,即使可使用这些所述技术来改善或甚至避免由热循环引起的Ag和Au箔材 料的疲劳,对Ag和Au的Xe离子腐蚀的易感性和对在Ag的情况下原子氧腐蚀的易感性不 能被改善或避免。特别是,电气太阳能电池触头必须桥接在相对侧上,以便必须从一个电池 的前侧触头到相邻电池的后侧执行电气串联连接。为了最小化由于热产生的间隙变化在互 连器材料中引起的应力,互连器(2 )通常是S形的,这使它们在电池盖玻片(9 )之上显著地 突出。然而,在这里它们如果在低地球轨道中操作则暴露于原子氧助熔剂,使得Ag变得被 原子氧高度攻击。在Ag和Ag氧化物的CTE中的可比较的高差异导致在表面处的连续材料 剥落(=材料损耗)(氧化、由于热循环、氧化引起的剥落…),且因此这个序列随着时间的过 去降低了互连器厚度并可甚至导致由于互连器破损而引起的总损耗。
[0007] 此外,上述几何结构将材料暴露于用在大约IOOev的范围内的能量从电推进系统 直接或以大角度发射的Xe离子,电推进系统按常规用于卫星姿态轨道控制和越来越多地 用于轨道升高本身。然而,Ag和Au由这些撞击的Xe离子高度腐蚀,使得根据离子剂量和 互连器厚度,太阳能电池阵列串的电气整体性不能被保证,且因此太阳能电池阵列的总功 率可显著地降低。处理这些高腐蚀率的一种方式将是使用足够厚的互连器。然而,溅射的 金属原子的材料回沉积的风险非常高并可导致短路的太阳能电池且因此再次导致功率损 耗。除此以外,在S形互连器回路(2)内部的应力随着厚度线性增加,且因此较厚的材料将 导致恰好在任务开始时的疲劳寿命中的降低。即使通过更多地使用抗Xe离子腐蚀材料(如 Mo或英瓦合金),突出的Ag或Au镀层仍被腐蚀并导致回沉积的风险。此外,因为腐蚀速率 取决于入射角,因此在互连器长度之上的非均质腐蚀分布可导致在热机械循环期间的更高 应力。再次,太阳能电池阵列的总功率可降低,如果它由于这个原因而达到互连器的很多破 损。
[0008] 因此,仍然存在对具有改善的热机械稳定性和抗原子氧和抗Xe离子腐蚀的高度 导电的箔材料的要求。
[0009] 因此,本发明的目的是提供具有改善的热机械稳定性、具有高导电率和抗原子氧 和抗Xe离子腐蚀的箔材料。
[0010] 前述和其它目的由如在本文在权利要求1中限定的主题解决。在对应的从属权利 要求中限定了创造性箔材料的有利实施例。

【发明内容】

[0011] 根据本申请的一个方面,提供了包括铝合金的高导电高温稳定箔材料,铝合金包 括选自由钪(Sc )、镁(Mg)、锆(Zr )、镱(Yb )和锰(Mn)组成的组的至少两种元素。
[0012] 发明人意外地发现前述高导电高温稳定箔材料具有改善的热机械稳定性,且此外 以抗原子氧以及抗Xe离子腐蚀为特征。
[0013] 应理解,为了本发明的目的,下面的术语具有下面的意义。
[0014] 在术语"包括"在本描述和权利要求中使用的场合,它并不排除主要或次要功能重 要性的其它未指定的元素。为了本发明的目的,术语"由…组成"被考虑为术语"具有"的 优选实施例。如果下文中的组被限定为包括至少特定数量的实施例,这也被理解为公开优 选地只由这些实施例组成的组。
[0015] 每当使用术语"包括(including)"或"具有"时,这些术语意指等效于如在上面限 定的"包括(comprising)"。
[0016] 在当提到单数名词时使用不定冠词或定冠词(例如"一"、"一个"或"该")的场合, 这包括该名词的复数,除非特别陈述另一回事。
[0017] 根据本发明的另一目的,提供了用于制备高导电高温稳定箔材料的工艺,该工艺 包括下列步骤: a) 熔化预备材料,其包括用于形成熔融铝合金的铝和选自由钪(Sc)、镁(Mg)、锆(Zr)、 镱(Yb)和锰(Mn)组成的组的至少两种元素; b) 将熔融铝合金冷却到室温以形成固化铝合金, c) 将固化铝合金滚压到从5. O Mm到100.0 Mm的厚度以形成滚压铝合金,以及 d) 在至少250°C的温度下使滚压铝合金退火。
[0018] 根据本发明的另外的方面,提供了包括高导电高温稳定箔材料的太阳能电池互连 器。根据本发明的另一方面,提供了在太阳能、飞机或太空应用中的高导电高温稳定箔材料 和/或太阳能电池互连器的使用。
[0019] 根据本发明的一个实施例,铝合金包括:a)基于铝合金的总重量的以从0. 1到I. 0 wt. _%的数量的钪(Sc),和/或b)基于错合金的总重量的以从0. 1到5. 0 wt. _%的数量的 镁(Mg),和/或c)基于铝合金的总重量的以从0. 075到0. 5 wt. -%的数量的锆(Zr),和/ 或d)基于铝合金的总重量的以从0. 075到0. 5 wt. -%的数量的镱(Yb),和/或e)基于铝 合金的总重量的以从0. 075到0. 6 wt. -%的数量的锰(Μη)。
[0020] 根据本发明的另一实施例,铝合金包括选自由钪(Sc )、镁(Mg )、锆(Zr )、镱(Yb )和 锰(Mn)组成的组的两种或三种或四种元素。
[0021] 根据本发明的又另一实施例,铝合金包括:a)基于铝合金的总重量的以从0. 1到 I. 0 Wt. -%的数量的钪(Sc)和以从0. 075到0. 5 Wt. -%的数量的锆(Zr),或b)基于铝合金 的总重量的以从0. 1到1. 0 wt. -%的数量的钪(Sc)和以从0. 075到0. 5 wt. -%的数量的镱 (Yb),或c)基于铝合金的总重量的以从0. 1到I. 0 wt. -%的数量的钪(Sc)和以从0. 1到 3. 2 wt. -%的数量的镁(Mg),或d)基于铝合金的总重量的以从0. 1到3. 2 wt. -%的数量的 镁(Mg)和以从0. 075到0. 5 wt. - %的数量的镱(Yb)。
[0022] 根据本发明的一个实施例,铝合金包括基于铝合金的总重量的以从0. 1到1.0 wt. -%的数量的钪(Sc)、以从0. 075到0. 5 wt. -%的数量的锆(Zr)和以从0. 075到0. 5 wt.-%的数量的镱(Yb)。附加地或替换地,铝合金包括以从I / 1A / %到I / % / %的重 量比[Sc/Zr/Yb]的钪(Sc)、锆(Zr)和镱(Yb)。
[0023] 根据本发明的另一实施例,铝合金包括基于铝合金的总重量的以从0. 1到5.0 wt. -%的数量的镁(Mg)、以从0. 1到I. 0 wt. -%的数量的钪(Sc)、以从0. 075到0. 6 wt. -% 的数量的锰(Mn)和以从0. 075到0. 5 wt. -%的数量的锆(Zr)。附加地或替换地,铝合金包 括以从 1 / 1/18 / 1/57 / 1/51 到 1 / 1/20 / 1/7 / 1/40 的重量比[Mg/Sc/Mn/Zr]的 镁(Mg)、钪(Sc)、锰(Mn)和锆(Zr)。
[0024] 根据本发明的又另一实施例,铝合金包括从包括基于铝合金的总重量的以< 5. 0 wt.-%的总数量的铜(Cu)、锰(Mn)、镁-硅(Mg-Si)、锌(Zn)、锂(Li)、银(Ag)及其混合物的 组选择的至少一种另外的合金元素。
[0025] 根据本发明的一个实施例,铝合金包括从包括基于铝合金的总重量的以< 2.0 wt.-% 的总数量的铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼 (Mo)、钨(W)、铪(Hf)及其混合物的组选择的至少一种另外的合金元素。
[0026] 根据本发明的另一实施例,铝合金包括从包括基于铝合金的总重量的以< 1.0 wt.-% 的总数量的镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽 (Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镥(Lu)及其混合物的组选择的至少一种另外的合 素。
[0027] 根据本发明的又另一实施例,铝合金包括从包括基于铝合金的总重量的以< 0. 5 wt. _%的总数量的钙(Ca)、铍(Be)、锶(Sr)、钡(Ba)及其混合物的组选择的至少一种另外的 合金元素。
[0028] 根据本发明的一个实施例,高导电高温稳定箔材料具有范围从5.0 Mm到100 Mm 的厚度。
[0029] 根据本发明的另一实施例,高导电高温稳定箔材料以在室温下在暴露于200°C的 温度至少100小时之后与在温度暴露之前相同的硬度和/或强度为特征。
【附图说明】
[0030] 图1概述了太阳能电池的原理。
[0031] 图2用图形示出了通过抗拉测试得到的关键机械性质。
[0032] 图3绘制了在2小时的温度暴露的CE、IEl和IE2的室温机械性质,每个在325°C 开始一直到400 °C。
[0033] 图4图示了对应的硬度测量。
[0034] 图5概述了 CE及IEl和IE2的所测量的导电率。
【具体实施方式】
[0035] 本发明涉及包括铝合金的高导电高温稳定箔材料,铝合金包括选自由钪(Sc)、镁 (Mg)、锆(Zr)、镱(Yb)和锰(Mn)组成的组的至少两种元素。
[0036] 术语"高导电"高温稳定箔材料在本发明的意义上指的是具有至少10. 0 MS/m、优 选地至少20. 0 MS/m和最优选地从20. 0到35. 0 MS/m的导电率的箔材料。附加地或替换 地,术语"高导电"高温稳定箔材料在本发明的意义上指的是以在室温下在暴露于200°C的 温度至少100小时之后与在温度暴露之前相同的导电率为特征的箔材料。例如,箔材料以 在室温下在暴露于200°C的温度至少100小时之后与在温度暴露之前相同的导电率为特 征。可替换地,箔材料以在室温下在暴露于200°C的温度至少100小时之后与在温度暴露之
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