太阳能电池Si片Al背电极与Cu电极引线绿色环保钎焊的方法与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种太阳能电池板的焊接方法，尤其涉及一种太阳能电池Si片Al背电极与Cu电极引线绿色环保钎焊的方法。

背景技术：

太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经在能源领域占有重要的地位。太阳能光伏发电技术也已经得到全世界范围的应用和推广，低的制造成本和较高的性能输出已经成为太阳能电池板发展的趋势。

单片太阳能电池的输出电压和功率非常有限，因此需要将多个太阳能电池单体进行串并联来实现一定的功率输出。这就需要将太阳能电池的正负极逐级焊接在一起。在硅太阳能电池板的受光面一般印刷银栅线，银栅线的钎焊比较容易，利用Sn基钎料及配合使用的钎剂可以较容易的实现银栅线的连接。

印刷背面电极通常使用Al浆料，主要是因为Al能和Si形成良好的欧姆接触。同时Al背场还能起到以下几个作用，1)在Si板背表面形成P+钝化层，能够降低少数载流子的复合率，提高电池的开路电压；2)Al背场层可以作为背反射器，提高太阳能电池的短路电流；3)将电流导出到焊点。但是Al表面有一层非常致密稳定的氧化膜，没有配合Sn钎料使用的低温钎剂，因此钎焊Al背场十分困难。现在普遍采用的工艺为在Si背场印刷焊接性和导电性好的Ag电极，再利用涂覆SnPb钎料的焊带进行钎焊。

目前，有关太阳能电池焊接的发明专利大多是针对钎料合金体系和焊接工装的发明：

上海交通大学吴雪薇等(光伏焊带的制备与性能研究[D],2013.)研究了光伏焊带表面涂覆Sn63Pb37钎料的工艺。但是SnPb钎料中的Pb是一种对环境有害的元素，逐渐减少和停止使用含Pb钎料已经成为一种趋势。

CN105499830A公开了一种光伏焊带用Sn-Zn-Cu-Al-Bi系无铅多元合金。CN103801853A公开了一种含锑、银、铜、铋、镓、磷的无铅Sn基光伏钎料。上述两个专利公开的钎料主要是针对Ag电极的焊接，且并没有公开配套的焊接方法。

CN101110458A公开了一种用于非晶硅太阳能电池电极焊接的自动超声波焊接设备来焊接Cu焊带与Ag电极。CN103503163A公开了一种Al焊带与Ag电极的超声波焊接方法。这类专利采用超声波金属焊的原理焊接引线和电极，但是由于超声波工具头需要向Si片施加一定的压力，并进行振动，会造成焊接过程中电池片破损率提高。

作为一种贵金属，Ag的使用使制造成本上升；其次Ag和Si不能形成背场，导致少数载流子的复合率提高，开路电压下降。因此直接钎焊Al背场电极，可以避免Ag的使用，不仅能够降低成本，而且可以提高太阳能电池的性能。

CN104952508A公开了一种使用反应钎剂直接钎焊Al背电极的方法，所使用的钎剂中以重金属氯化物作为反应剂，NaF和/或KF作为反应助剂，NH₄Cl和/或NH₄Br作为润湿助剂，但是这种钎剂存在以下问题：1)这种钎剂为腐蚀性钎剂，其钎剂残留对接头有强的腐蚀性；2)去膜过程中会产生有毒有害气体和烟雾；3)钎剂熔点较高，只能配合一少部分Sn基钎料使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太阳能电池Si片Al背电极与Cu电极引线绿色环保钎焊的方法，使用无铅Sn基钎料，在液态钎料中施加超声，直接钎焊Si太阳能电池片Al背场电极和Cu电极引线，不仅解决了Si太阳能电池片Al背场电极不能直接钎焊，只能印刷Ag焊点再钎焊，导致制造成本上升及性能下降的问题，而且解决了使用钎剂钎焊Al背电极与Cu电极引线带来的腐蚀问题，同时解决了超声波金属焊造成的Si片破损率高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能电池Si片Al背电极与Cu电极引线绿色环保钎焊的方法，包括以下两种技术方案：

技术方案一、当使用无铅Sn基钎料焊丝进行钎焊时，是按照下述步骤进行的：

步骤一、用无铅Sn基钎料焊丝填充钎料，利用电阻、感应或者红外加热到钎焊温度，控制加热温度为160～300℃。

步骤二、待钎料熔化后，将超声工具头伸入液态钎料中，施加超声，在太阳能电池Al背场涂覆钎料，控制超声施加时间为0.1～20s，频率为20～100KHz，振幅为1～25μm。

步骤三、将铜焊带电极放置在预涂覆的钎料上，利用烙铁加热，使钎料熔化，形成连接。

技术方案二、当使用涂覆钎料的铜焊带进行钎焊时，是按照下述步骤进行的：

步骤一、将涂覆无铅Sn基钎料的铜焊带放置于太阳能电池Al背场上，对待焊部位进行加热，加热温度为160～300℃。

步骤二、待钎料熔化后，采用与焊带形状适应的超声工具头施加超声，控制超声时间为0.1～20s，频率为20～100KHz，振幅为1～25μm。

步骤三、在空气中冷却，完成焊接。

本发明中，太阳能电池为单晶硅、非晶硅或者多晶硅太阳能电池板。

本发明中，太阳能电池板在制备过程中，在正面印刷Ag浆料形成正面电极，在背面丝网印刷Al浆料形成背场，然后通过烧结使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。

本发明中，使用的无铅Sn基钎料包括纯Sn、Sn-In、Sn-Bi、Sn-Bi-In、Sn-Zn、Sn-Bi-Zn、Sn-Ag、Sn-Zn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu以及不限于上述种类的其他低温钎料。

本发明中，无铅Sn基钎料焊丝的直径为0.5～2mm。

本发明中，无铅Sn基钎料涂覆在铜焊带表面，涂覆是按照下述步骤进行的：将无铅Sn基钎料放置在焊料槽中，加热熔化，将铜焊带以恒定的速度连续通过熔化的钎料，完成铜焊带表面钎料的涂覆；所述铜焊带的宽度为0.5～2mm，厚度为0.1～0.5mm，涂覆无铅Sn基钎料的厚度为0.05～0.2mm。

本发明中，焊带内芯不局限于Cu，也可以是Al、Ag等其他金属。

本发明中，超声采用超声烙铁施加，超声施加在液态钎料中，不向Si片施加压力，以降低Si片在焊接中的破损率。

本发明无需在Si板背面印刷Ag焊点，无需使用钎剂，在液态钎料中施加声场，使用无铅Sn基钎料焊丝或者涂覆无铅Sn基钎料的焊带填充钎料，直接钎焊Al背场，形成背电极的连接。相比于现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明使用绿色环保的无铅Sn基钎料，由于Pb元素是对环境有害的元素，已经被欧盟禁止在电子产品中使用，所以在太阳能电池焊接中使用无铅钎料是必然趋势。

2、直接钎焊Al背场电极可以避免Ag的使用，降低太阳能电池制造的成本。

3、直接钎焊Al背场电极可以提高太阳能电池片的光伏特性。

4、超声声场的辅助避免了腐蚀性钎剂的使用。

5、超声直接施加在液态钎料中，不对Si片施加压力，解决了传统超声金属焊造成的焊接过程中Si片破损率高的问题。

6、焊接Al背场的过程中，不使用钎剂，以避免腐蚀性钎剂残留和焊接过程中有毒有害烟雾的产生。

附图说明

图1为钎料状态示意图，a-焊丝，b-焊带；

图2为铜带涂覆钎料的示意图；

图3为使用钎料金属丝时超声涂覆示意图；

图4为焊带与涂覆钎料层焊接示意图；

图5为使用纯Sn钎料直接超声钎焊Al背场电极界面形貌；

图6为使用SnAg钎料直接超声钎焊Al背场电极界面形貌；

图7为直接钎焊Al背场电极与Cu电极制备的太阳能电池片宏观形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式中使用纯Sn钎料，钎料为金属丝状，直径为1mm，使用的太阳能电池为多晶硅太阳能电池，厚度为180μm，Al背场厚度为30μm。

本实施方式中，使用纯Sn钎料直接钎焊太阳能电池Al背场电极和Cu电极引线的方法是按照下述步骤进行的：

步骤一、利用超声烙铁加热到钎焊温度，加热温度为260℃，用钎料丝填充钎料，钎料的状态示意图如图1所示

步骤二、将超声工具头伸入液态钎料中，施加1s的超声，超声的频率为60KHz，振幅范围为1μm，去除Al表面氧化膜并使钎料充分润湿和铺展，钎焊示意图如图3所示。为了降低接头应力水平，在背场涂覆不连续的两条钎料。

步骤三、将铜焊带电极放置在预涂覆的钎料上，利用烙铁加热，使钎料熔化，形成连接，钎焊示意图如图4所示。

界面示意图如图5所示。

具体实施方式二：本实施方式中使用SnAgCu钎料，钎料为金属丝状，直径为0.8mm，具体成分为Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)。

本实施方式中，使用SnAgCu钎料直接钎焊太阳能电池Al背场和Cu电极引线的方法是按照下述步骤进行的：

步骤一、利用超声烙铁加热到钎焊温度，加热温度为240℃，用钎料丝填充钎料，钎料的状态示意图如图1所示。

步骤二、将超声工具头伸入液态钎料中，施加3s的超声，超声的频率为20KHz，振幅范围为3μm，去除Al表面氧化膜并使钎料充分润湿和铺展，钎焊示意图如图3所示。为了降低接头应力水平，在背场涂覆不连续的两条钎料。

步骤三、将铜焊电极带放置在预涂覆的钎料上，利用烙铁加热，使钎料熔化，形成连接，钎焊示意图如图4所示。

具体实施方式三：本实施方式中使用涂覆SnBi钎料的铜焊带。

本实施方式中，使用涂覆SnBi钎料的铜焊带直接钎焊太阳能电池Al背场电极的方法是按照下述步骤进行的：

步骤一、将Sn-58Bi(wt.％)钎料放置在焊料槽中，加热熔化，将铜带连续通过熔化的钎料，完成铜带表面钎料的涂覆。焊带宽度为2mm，铜带厚度为0.15mm，涂覆钎料的厚度为0.05mm。钎料的状态示意图如图1所示，铜焊带表面涂覆钎料的示意图如图2所示。

步骤二、将两条焊带放置于Al背场上，对待焊部位进行红外加热，加热温度为170℃。

步骤三、采用与焊带形状适应的超声工具头施加超声，超声施加时间为15s，超声的频率为80KHz，振幅范围为5μm。

步骤四、在空气中冷却，完成焊接。

具体实施方式四：本实施方式中使用涂覆SnAg钎料的铜焊带。

本实施方式中，使用涂覆SnAg钎料的铜焊带直接钎焊太阳能电池Al背场电极的方法是按照下述步骤进行的：

步骤一、将Sn-3.0Ag(wt.％)钎料放置在焊料槽中，加热熔化，将铜带连续通过熔化的钎料，完成铜带表面钎料的涂覆。焊带宽度为1.5mm，铜带厚度为0.2mm，涂覆钎料的厚度为0.1mm。钎料的状态示意图如图1所示，铜焊带表面涂覆钎料的示意图如图2所示。

步骤二、将两条焊带放置于Al背场上，对待焊部位进行感应加热，加热温度为250℃。

步骤三、采用与焊带形状适应的超声工具头施加超声，超声施加时间为5s，超声的频率为40KHz，振幅范围为6μm。

步骤四、在空气中冷却，完成焊接。

界面示意图如图6所示，太阳能电池板的宏观形貌如图7所示。

以上实施方式获得的太阳能电池片的开路电压如表1所示。

表1