用于在铝连接导体上焊接太阳能电池触点的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于将由铝或铝合金制成、具有小于120N/mm2的0.2%屈服强度的焊接连接导体（3）通过例如IR焊接、感应焊接、热接触焊接、超声波焊接或热空气焊接的焊接方法连接到光伏太阳能电池（7、7a、7b、7c）上的方法，其中所述太阳能电池在上侧和下侧具有多个金属化部分。所述太阳能电池的金属化部分可以是预焊接的。可以将一种附加的焊料材料（2a，2b）设置在连接导体（3）与太阳能电池（7，7a，7b，7c）的金属化部分之间。该工序允许所述太阳能电池（7，7a，7b，7c）彼此之间串联连接。
【专利说明】用于在铝连接导体上焊接太阳能电池触点的方法
【背景技术】
[0001]为了生产太阳能设备，需要将多个光伏太阳能电池相互连接。它们通常是串联的。
[0002]通常是将由银制成的末端触点施加到太阳能电池的正面和背面上，并且将用于连接这些单独的太阳能电池的连接导线通过粘合或软焊接(软钎焊)施加到这些触点上。
[0003]为了进行钝化，太阳能电池的背面配备有铝层，因为这提高了效率。然而，这种铝层具有用于配合这些可焊接的银末端触点的开口。此外，这种铝层降低了可焊接性。
[0004]作为替代方案，背面接触式太阳能电池被焊接到结构化的铜箔上。
[0005]这种焊接是例如通过激光焊接、IR焊接、热接触焊接、感应焊接或类似的方法进行的。铜具有16.5*10_6/K的、比硅(2.6*10_7Κ)更高的热膨胀系数。在冷却过程中，铜连接器比硅更强烈地收缩，并且在太阳能电池上施加力，所述力导致了机械应力。所述机械应力导致在该太阳能电池内形成微裂纹。
[0006]对于在机械应力下可能的损伤而言，在机械应力过大时，太阳能电池表面上的微裂纹是非常关键的。这可能造成更大的裂纹，从而损伤太阳能电池。
[0007]镀锡的铜连接器通常被用作连接导线，因为它们可以容易地进行焊接并且具有高电导率。
[0008]然而，由于它们的高屈服点，使用铜连接器必然引起在焊接过程中太阳能电池破裂的危险性增大。
[0009]还提出了覆铜的铝连接器来解决这个问题。然而，它们需要制造复杂，并且其结果通常不是完全令人满意的。在薄的硅太阳能电池的情况下，破裂的危险特别大。
[0010]本发明的一个目的是提供一种方法，该方法尤其是在基于薄晶片的太阳能电池的情况下限制了在焊接过程中太阳能电池破裂的危险。
【发明内容】
[0011]这个目的通过在下面的这些要点中简要说明的本发明实现:
[0012]1.一种用于将连接导线连接到光伏太阳能电池上的方法，其中所述太阳能电池在上侧和下侧上具有金属化部分，该方法包括以下步骤:
[0013]-以所希望的方式将具有小于120N/mm2的0.2%屈服强度的铝或铝合金制成的焊料涂覆的连接导线设置在所述太阳能电池的金属化部分上；
[0014]-通过如IR焊接、感应焊接、热接触焊接、激光焊接、超声波焊接或热空气焊接的焊接方法在所述连接导线与所述太阳能电池之间建立电连接。
[0015]2.根据要点I所述的方法，其中将焊料材料设置在所述连接导线与所述太阳能电池的金属化部分之间。
[0016]3.根据要点2所述的方法，其中设置在预涂覆了焊料的连接导线与太阳能电池的金属化部分之间的焊料材料与该连接导线预涂覆的焊料材料或者是相同的或者是不同的。
[0017]4.根据要点I至3中一项或多项所述的方法，其中通过提供太阳能电池来设置该焊料材料，其中所述太阳能电池的一个或多个金属化部分通过具有焊料材料的焊料涂覆。[0018]5.根据要点4所述的方法，其中用来对所述太阳能电池的金属化部分进行涂覆的焊料材料与用来对所述连接导线进行预涂覆的焊料材料是相同的或不同的。
[0019]6.根据要点4或5所述的方法，其中用来对所述太阳能电池的金属化部分进行涂覆的焊料材料与设置在所述连接导线与所述太阳能电池的金属化部分之间的焊料材料是相同的或不同的。
[0020]7.根据要点I至6中一项或多项所述的方法，其中由铝或铝合金制成的预涂覆了焊料的连接导线已经采用超声波用焊料进行了预涂覆。
[0021]8.根据要点I至7中一项或多项所述的方法，其中该连接导线是镀锡的。
[0022]9.根据要点I至8中一项或多项所述的方法，其中所述太阳能电池具有从30μπι至600 μ m的晶片厚度。
[0023]10.根据要点I至9中一项或多项所述的方法，其中所述太阳能电池中至少一个的
表面具有微裂纹。
[0024]11.根据要点I至10中一项或多项所述的方法，其中所述连接导线具有从100 μ m至1000 μ m的厚度。
[0025]12.根据要点I至11中一项或多项所述的方法，其中在超声波焊接过程中，用于施加超声波的超声波发生器以从IOkHz至IOOkHz的频率运行。
[0026]13.根据要点I至12中一项或多项所述的方法，其中在焊接过程中不存在助焊剂。
[0027]14.一种焊料涂覆的连接导线，用于带或箔形式的太阳能电池，该连接导线具有如下截面，该截面包括由铝或铝合金制成的内芯并且在两侧上都具有焊料涂层，该连接导线具有比由对应地使用的内芯材料所制成的连接导线更低的屈服点。
[0028]15.根据要点14所述的连接导线，其中由铝或铝合金制成的该内芯是复合铝材料。
[0029]16.根据要点14或15所述的连接导线，其中该内芯由具有99.9%、尤其地99.99%或99.999%的纯度的软化退火的超纯铝组成。
[0030]17.根据要点14至16中一项或多项所述的连接导线，其中该连接导线以选自下组的焊料进行预涂覆，该组由以下各项组成:Sn (42) /Bi (58)、Sn (30-50) /Bi (70-30)、Sn(42)/Bi(57)/Ag (I)、Sn(30-50) /Bi(70-30)/Ag(0-5)、Sn (50)/In (50)、Sn(30-50)/In (70-30)、In (97) /Ag (3)、In (90-100) /Ag (0-10)、Sn (50) /Pb (32) /Cd (18)、Sn (30-60) /Pb (20-40) /Cd (10-30)、Sn (43) /Pb (43) /Bi (14)和 Sn (30-50) /Pb (30-50) /Bi (5-20)、SAC焊料(SnAgCu)、SAC305 合金、Sn (90-100)/Ag (0-5)/Cu (0-5)、SACX0307 合金、Sn (96.5)/Ag (3.5)、Sn (90-95) /Ag (0-5)、SnZn (0-15)、Sn (99) /Cu (I)、Sn (95-100) /Cu (0-5)、Sn (63) /Pb (37)、Sn (20-80) /Pb (0-20)、Sn (62) /Pb (36) /Ag (2)、Sn (50-70) /Pb (30-50) /Ag (0-5)、Sn (60) /Pb (38) /Cu (2)、和 Sn (50-70) /Pb (30-50) /Cu (0-5)、锡。
[0031]18.根据要点14至17中一项或多项所述的连接导线，其中以活性焊料预涂覆该连接导线，该活性焊料包含:
[0032]-至少lwt%(重量百分比)的、来自周期表第IVa和/或Va副族的一种元素或多种元素的混合物，
[0033]-至少0.01wt%的来自镧系的一种元素或多种元素的混合物，
[0034]-可选地至少0.5wt%的银和铜、或银与铜的混合物，以及[0035]-可选地至少O.01wt%的镓，
[0036]-并且以锌、铋、铟、锡或铅、或这些元素中的两种或更多种的混合物补足到100wt%,并且可能有常规的杂质。
[0037]19.根据要点14至18中一项或多项所述的连接导线，其中该连接导线是通过预涂覆焊料以及超声波的作用能得到的。
[0038]20.多个太阳能电池，所述太阳能电池的金属化部分通过多个铝制成的连接导线彼此连接，在金属化部分与所述连接导线之间除了焊料材料之外未设置其它层。
[0039]21.根据要点20所述的多个太阳能电池，其中使用了根据要点14至19中一项所述的连接导线。
[0040]22. 一种用于将连接导线连接到光伏太阳能电池上的方法，其中所述太阳能电池在上侧和下侧上具有金属化部分，该方法包括以下步骤：
[0041]-以所希望的方式将具有小于120N/mm2的O.2%屈服强度的铝或铝合金制成的连接导线设置在所述太阳能电池的金属化部分上；
[0042]-在所述连接导线与所述太阳能电池的金属化部分之间设置焊料材料；
[0043]-通过如IR焊接、感应焊接、热接触焊接、激光焊接、超声波焊接或热空气焊接的焊接方法在所述连接导线与所述太阳能电池之间建立电连接。
[0044]23.根据要点22所述的方法，其中通过提供以具有该焊料材料的焊料涂覆的连接导线来设置该焊料材料。
[0045]24.根据要点22或23所述的方法，其中通过提供太阳能电池来设置该焊料材料，在所述太阳能电池中一个或多个金属化部分被该焊料涂覆。
[0046]25.根据要点22所述的方法，其中提供了一种铝或铝合金制成的预涂覆了焊料的连接导线，这种连接导线具有小于100N/mm2的O. 2%屈服强度。
[0047]26.根据要点25所述的方法，其中该连接导线是镀锡的。
[0048]27.根据要点22至26中一项或多项所述的方法，其中所述太阳能电池具有从30μπι至600μπι的晶片厚度。
[0049]28.根据要点22至27中一项或多项所述的方法，其中所述太阳能电池中至少一个的表面具有微裂纹。
[0050]29.根据要点22至28中一项或多项所述的方法，其中所述连接导线具有从100 μ m至1000 μ m的厚度。
[0051]30.根据要点22至29中一项或多项所述的方法，其中在超声波焊接过程中，用于施加超声波的超声波发生器以从IOkHz至IOOkHz的频率运行。
[0052]31. 一种焊料涂覆的连接导线，用于带或箔形式的太阳能电池，该连接导线具有如下截面，该截面包括由铝或铝合金制成的内芯并且在两侧上都具有焊料涂层，该连接导线具有比由对应地使用的内芯材料所制成的连接导线更低的屈服点。
[0053]32.根据要点31所述的连接导线，其中由铝或铝合金制成的该内芯是复合铝材料。
[0054]33.根据要点31或32所述的连接导线，其中该连接导线以选自下组的焊料进行预涂覆，该组由以下各项组成=Sn (42)/Bi (58), Sn (30-50)/Bi (70-30)、Sn (42)/Bi (57) /Ag (I)、Sn (30-50) /Bi (70-30) /Ag (0-5)、Sn (50)/In (50)、Sn (30-50)/In (70-30)、In (97) /Ag (3)、In (90-100) /Ag (0-10)、Sn (50) /Pb (32) /Cd (18)、Sn (30-60) /Pb (20-40) /Cd (10-30)、Sn (43)/Pb (43)/Bi (14)和 Sn (30-50)/Pb (30-50)/Bi (5-20)、SAC 焊料（SnAgCu)、SAC305合金、Sn (90-100) /Ag (0-5) /Cu (0-5)、SACX0307 合金、Sn (96. 5) /Ag (3. 5)、Sn (90-95) /Ag (0-5)、SnZn (0-15)、Sn (99) /Cu (I)、Sn (95-100) /Cu (0-5)、Sn (63) /Pb (37)、Sn (20-80) /Pb (0-20)、Sn (62) /Pb (36) /Ag (2)、Sn (50-70) /Pb (30-50) /Ag (0-5)、Sn (60) /Pb (38) /Cu (2)、和 Sn (50-70) / Pb(30-50)/Cu (0-5)、锡。
[0055]34.根据要点31或32所述的连接导线，其中以活性焊料预涂覆该连接导线，该活性焊料包含：
[0056]-至少lwt%的、来自周期表第IVa和/或Va副族的一种元素或多种元素的混合物，
[0057]-至少O.01wt%的来自镧系的一种元素或多种元素的混合物，
[0058]-可选地至少O.5wt%的银和铜、或银与铜的混合物，以及
[0059]-可选地至少O.01wt%的镓，
[0060]-并且以锌、铋、铟、锡或铅或这些元素中的两种或更多种的混合物补足到100%，并且可能有常规的杂质。
[0061]35.多个太阳能电池，所述太阳能电池的金属化部分通过多个铝制的连接导线彼此连接，在金属化部分与所述连接导线之间除了焊料材料之外未设置其它层。
[0062]36.根据要点35所述的多个太阳能电池，其中使用根据要点31至34中一项所述的连接导线。
【具体实施方式】
[0063]在本发明的方法中可以使用例如由多晶或单晶的晶片制成的太阳能电池。这些晶片大体具有从30 μ m至600 μ m、优选从100 μ m至210 μ m的厚度。同样地，本发明的方法还适合于表面有微裂纹的太阳能电池。对太阳能电池的面积没有具体限制，虽然其边长大体是从10Omm至300mm,尤其是从156_至210mm。
[0064]根据本发明，所述连接导线由铝，或包含铝的合金组成，并具有小于120N/mm2或110N/mm2或100N/mm2、尤其地小于40N/mm2或小于10N/mm2的O. 2%屈服强度。尤其地，具有9.81N/mm2的软化退火的铝具有特别低的屈服点。这种材料的低O. 2%屈服强度造成了机械应力的降低。例如，纯度为99. 9%、尤其是99. 99%或99. 999%的超纯铝是高度适合的。所述连接导线大体具有从ΙΟμπι至5mm或从ΙΟΟμπι至ΙΟΟΟμπι的厚度。其宽度大体上是从Imm至IOOmm或从Imm至3mm。在本发明的内容内，铝或包含铝的合金还旨在表示复合铝材料。这例如可以是纤维强化的铝或ODS铝(氧化物分散体增强的铝)，它可以是根据在US A-5296675中引用的文献获得的，这些文献通过引用结合到本说明书中，例如US-A-4869751、US-A-4878967、US-A-4898612 和 US-A-4625095。同样地，有可能使用以铁镍合金或铁镍钴合金(分别为因瓦合金（INVAR)和考瓦合金（KOVAR))的金属丝来强化的铝。这种强化纤维有利地具有与连接导线相同的长度。所述连接导线可以是单件，或者是任意长度的连续带。
[0065]所述连接导线设置在太阳能电池的金属化部分上，并且通过IR焊接、感应焊接、热接触焊接、激光焊接、超声波焊接或热空气焊接连接到所述太阳能电池的金属化部分上。在IR焊接的情况下，热量是通过红外辐射输入的，在激光焊接的情况下是通过激光照射，在热空气焊接的情况下是通过充足量的被加热的空气，并且在热接触焊接的情况下是通过例如与热焊接烙铁的接触。在感应焊接的情况下，热量是通过电磁场的感应而引入的。
[0066]在超声波焊接的情况下，如在常规的方法中，焊接点还通过供应热能而被加热，直到焊料材料熔化，并且将焊接点暴露在超声波中以便润湿有待连接的这些部件。这些焊接方法本身是本领域技术人员已知的，他们了解如何根据预期的应用来使用这些方法。
[0067]为此目的，必须将焊料材料设置在太阳能电池的金属化部分与连接导线之间。
[0068]这例如可以是通过用焊料来预涂覆铝带或连接导线而完成的。由于当用焊料涂覆铝带时(如焊接铝时)产生了类似的问题，这可以借助于超声波来进行。因此，本专利申请还涉及一种用于太阳能电池的连接导线，这种导线通过在超声波的作用下用焊料进行预涂覆是可获得的。
[0069]就这一点而言，一种可能性在于在两个超声波发生器I之间传送铝带或铝箔3，以便提供这些焊料涂覆的连接导线，从两侧连续供应液体焊料材料2，如在图I中所示。这种焊接在超声波发生器的振荡区域5中进行。对于一侧上的焊料涂覆而言，铝带还可以在连续递送液体焊料材料的情况下在单一的超声波发生器之下送入。还有可能的是将铝带或铝箔3引导通过焊料容器5，该焊料容器有利地集成在超声波发生器I的振荡波腹位置，如图2a中所示。在这种情况下，焊料材料2有利地也是连续送入的。
[0070]还有可能的是，引导铝带3通过熔融焊料材料6的镀液池（bath)，通过超声波发生器I在至少一侧上施加超声波，如在图2b中所示。在超声波焊接或涂覆焊料过程中施加超声波的这些超声波发生器有利地在所有情况下都是以从IOkHz至IOOkHz的频率来运行。连接导线可以在一侧或两侧涂覆有焊料。本发明因此还涉及一种焊料涂覆的连接导线，用于带或箔形式的太阳能电池，该连接导线具有如下截面，该截面包括由铝制成的内芯并且在两侧上都具有焊料涂层，该连接导线具有比由对应地使用的内芯材料所制成的连接导线更低的屈服点。已经出人意料地发现，当将这些材料互相匹配时，与使用未以焊料涂覆的铝时可能会出现的情况相比，连接导线的更低的屈服点可以通过适当地进行选择而实现。
[0071]在本发明的另一个实施方案中，用焊料涂覆太阳能电池的一个或多个金属化部分。理论上这可以与用焊料涂覆铝带类似的方式进行。
[0072]尤其对于由铝组成的金属化部分而言，这是有利的。因此，本发明的这个实施方案也可以被使用以便用焊料至少在设置有连接导线的位置处涂覆设置在太阳能电池的背面上的铝层。
[0073]在本发明的一个具体实施例中，还可以用焊料涂覆太阳能电池的金属化部分以及连接导线两者，尤其当太阳能电池的背面是铝层时这具有优势。太阳能电池和连接导线上的焊料预涂层可以用相同的焊料材料或不同的焊料材料形成；这允许在宽广的范围内对特性进行调整。
[0074]在连接导线与太阳能电池的金属化部分之间可以设置另外的焊料材料。所述另外的焊料材料可以与用来对连接导线或太阳能电池的金属化部分进行预涂覆的这些焊料材料中的一者或二者是相同的。然而，所述焊料材料还可以与用来对连接导线或太阳能电池的金属化部分进行预涂覆的这些焊料材料中的一种或二者是不同的。因此，连接导线、太阳能电池的金属化部分或连接导线与太阳能电池的金属化部分之间的焊料材料的各种各样的组合是可想到的，其中最后提及的两种焊料材料是可选的。
[0075]下面的表旨在说明不同组合的可能性。A、B和C是不同的焊料材料，这些焊料材料可以选自下表或选自上述的要点17和18或可以与它们不同。
[0076]
【权利要求】
1.一种用于将连接导线连接到光伏太阳能电池上的方法，所述太阳能电池在上侧和下侧上具有金属化部分，该方法包括以下步骤: 以所希望的方式将具有小于120N/mm2的0.2%屈服强度的铝或铝合金制成的焊料涂覆的连接导线设置在所述太阳能电池的金属化部分上； 通过如IR焊接、感应焊接、热接触焊接、激光焊接、超声波焊接或热空气焊接的焊接方法在所述连接导线与所述太阳能电池之间建立电连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将焊料材料设置在所述连接导线与所述太阳能电池的金属化部分之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过提供太阳能电池来设置该焊料材料，在所述太阳能电池中一个或多个金属化部分由该焊料涂覆。
4.根据权利要求1所述的方法，其中由铝或铝合金制成的预涂覆了焊料的连接导线已经采用超声波用焊料进行了预涂覆。
5.根据权利要求1至4中一项或多项所述的方法，其中该连接导线是镀锡的。
6.根据权利要求1至5中一项或多项所述的方法，其中所述太阳能电池具有从30μ m至600 μ m的晶片厚度。
7.根据权利要求1至6中一项或多项所述的方法，其中所述太阳能电池中至少一个的表面具有微裂纹。
8.根据权利要求1至7中一项或多项所述的方法，其中所述连接导线具有从100μ m至1000 μ m的厚度。`
9.根据权利要求1至8中一项或多项所述的方法，其中在超声波焊接过程中用于施加超声波的超声波发生器以从IOkHz至IOOkHz的频率运行。
10.一种焊料涂覆的连接导线，用于带或箔形式的太阳能电池，该连接导线具有如下截面，该截面包括由铝或铝合金制成的内芯并且在两侧上都具有焊料涂层，该连接导线具有比由对应地使用的内芯材料所制成的连接导线更低的屈服点。
11.根据权利要求10所述的连接导线，其中由铝或铝合金制成的该内芯是复合铝材料。
12.根据权利要求10或11所述的连接导线，其中该连接导线以选自下组的焊料进行预涂覆，该组由以下各项组成=Sn (42)/Bi (58), Sn (30-50)/Bi (70-30)、Sn (42)/Bi (57) /Ag (I)、Sn (30-50) /Bi (70-30) /Ag (0-5)、Sn (50)/In (50)、Sn (30-50)/In (70-30)、In (97) /Ag (3)、In (90-100) /Ag (0-10)、Sn (50) /Pb (32) /Cd (18)、Sn (30-60) /Pb (20-40) /Cd (10-30)、Sn (43)/Pb (43)/Bi (14)和 Sn (30-50)/Pb (30-50)/Bi (5-20)、SAC 焊料(SnAgCu)、SAC305合金、Sn (90-100) /Ag (0-5) /Cu (0-5)、SACX0307 合金、Sn (96.5) /Ag (3.5)、Sn (90-95) /Ag (0-5)、Sn (99) /Cu (I)、Sn (95-100) /Cu (0-5)、Sn (63) /Pb (37)、Sn (20-80) /Pb (0-20)、Sn(62)/Pb (36)/Ag (2)、Sn(50-70)/Pb(30-50)/Ag (0-5)、Sn(60)/Pb(38)/Cu (2)、和Sn (50-70) /Pb (30-50) /Cu (0-5)、SnZn (0-15)、锡。
13.根据权利要求10或11所述的连接导线，其中以活性焊料预涂覆该连接导线，该活性焊料包含: 至少lwt%的、来自周期表第IVa和/或Va副族的一种元素或多种元素的混合物， 至少0.01wt%的来自镧系的一种元素或多种元素的混合物，可选地至少0.5wt%的银和铜、或银与铜的混合物，以及 可选地至少0.01wt%的镓， 并且以锌、铋、铟、锡或铅或这些元素中的两种或更多种的混合物补足到100wt%，并且可能有常规的杂质。
14.多个太阳能电池，所述太阳能电池的金属化部分通过多个铝制成的连接导线彼此连接，在金属化部分与所述连接导线之间除了焊料材料之外未设置其它层。
15.根据权利要求14所述的多个太阳能电池，其中使用根据权利要求10至13中一项所述的连接导线 。
【文档编号】H01L31/18GK103503163SQ201280013183
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年3月13日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】J·科赫, H·冯坎佩, I·韦斯特拉姆 申请人:乌米科雷股份两合公司