晶体硅太阳电池焊接工艺研究

任现坤，徐振华，姜言森，贾河顺，张春艳，马继磊

（山东力诺太阳能电力股份有限公司， 山东 济南 250103）

焊接作为光伏组件加工工艺的重要组成部分，焊接后晶体硅太阳电池主栅银浆与焊带之间的连接性能直接影响光伏组件的光电转化效率和使用寿命[1,2]。常规晶体硅太阳能电池组件的使用寿命一般承诺在20年以上。目前国内外学者一直致力于识别和评估危害组件稳定性影响因素的研究。美国萨迪亚国家实验室发表了一项关于组件室外长期使用的测试报告，报告表明组件的串联电阻是影响组件长期稳定性使用的最重要因素之一[3,4]，组件的串联电阻除了包括焊带电阻、焊带与电极之间的接触电阻、硅基底的体电阻、发射结的横向电阻、电极电阻等外，还存在焊接不良导致的附加电阻[5]，这部分电阻与焊接质量有很大关系。目前国内大部分太阳电池组件生产企业都在采用手工焊接，而在组件生产过程中，手工焊接可能出现虚焊、过焊以及主栅与焊带之间的连接强度低等问题。虚焊将增加组件的串联电阻，降低组件效率；过焊会造成电池片变形隐裂等问题[6]。由此可见，如何提高人工焊接的焊接质量，对组件生产非常重要。

太阳能电池组件焊接是将焊带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，焊带的长度约为电池边长的2倍，多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。焊接质量控制的方法一般采用以下两种：一、将焊上的焊带用电烙铁取下然后观察是否存在虚焊和过焊的情况来评价焊接质量；二、采用焊接拉力测试机来进行质量监控。焊掉焊带的电池片可以重新焊新的焊带，这种质量监控方式具有成本低的优点。但这种监控方式，对于操作者的焊接稳定性反映并不明显。焊接拉力测试可以通过分析数据和焊接后电池片主栅的情况，更直观的反映虚焊、过焊等问题。本文采用焊接拉力测试机质量监控的方法，通过研究不同焊接温度和时间对焊接质量的影响，得出了最优化工艺。

1 焊 接

1.1 焊接的影响因素

影响焊接质量的因素主要有焊接温度、焊接时间、焊带和主栅银浆以及它们接触面的清洁度、助焊剂、烙铁的回温速度和人工操作的焊接压力等因素[7]。实践证明，在太阳能电池焊接工艺中，焊接温度在370~385 ℃之间，焊接时间控制在3 s以内有较优的焊接效果。焊接接触面的清洁度作为焊接质量的首要因素和先决条件，直接影响溶化后的焊带与主栅银浆受热形成合金的质量。焊带通过助焊剂的浸泡去除表面的氧化膜，并在表面覆盖形成了一层均匀、平滑、连续并着附牢固的焊料层，在焊接过程中可以有效地清除栅线表面的氧化物，加快烙铁头温度的传递，将焊带牢固的与电池片的主栅线结合。电烙铁作为焊接工艺的必要工具，需要具有热量充足、温度稳定、温度补偿的能力强等特点。另外，操作人员需要严格按照工艺要求生产，提高产品质量。

1.2 常见焊接缺陷

常见的焊接缺陷主要存在以下几种：虚焊、过焊、拉尖、桥连和导线焊接不当[8]。虚焊又称假焊，是指焊接时焊点内部没有真正形成金属合金的现象，其主要原因是焊接面不清洁、焊剂用量不足、焊接温度以及时间控制不当。过焊是在焊接区内形成脆性的金属间化合物层的现象，过焊主要原因有助焊剂与焊带不匹配以及焊接温度高或者焊接时间长。焊点外表有尖刺称为拉尖，主要是在手工焊接时，电烙铁撤离焊点的方法不当导致焊点拉尖。焊料将相邻的不应连接的印刷导线、焊盘或元器件引线误连接，称为桥连，产生这种缺陷的主要原因是电烙铁使用不当，或焊料槽温度不当(过低或过高)。导线焊接不当诸如：焊锡浸过外皮是由于导线端头处理不当造成的；外皮烧焦现象是由于电烙铁头碰到了外皮；芯线散开是由于捻头散开或电烙铁压迫芯线造成的。在此，我们主要分析虚焊与过焊两种，其它几种焊接缺陷操作者可以通过正确的焊接手法均可避免。

2 实验部分

实验采用正交试验法，影响因素有焊接时间和焊接温度两个因素，每个因素取5个水平，我们设计了一个两因素、5水平的试验方案，试验方案如表1所示。其中，焊接时间取1, 2, 3, 4, 5 s五个水平，焊接温度取320, 350, 380, 410, 440 ℃五个水平，两个因素各水平之间全部组合有25种。

本实验采用日本 QUICK203H型无铅智能控温电焊台进行焊接实验，使用本公司正常生产的电池片，为了减少实验误差，实验所有焊接操作均由同一操作人员完成，焊接时间采用秒表控制。其中，焊接温度和时间分别控制在设定值的±2 ℃和±0.1 s范围内。按照实验方案中的实验条件进行焊接，焊接后使用台湾群PeelForce606焊接拉力测试系统对焊接后的电池片进行 180°剥离拉力测试，每种方案采集 10个焊接拉力数据，然后进行实验分析，并提出了最优化焊接工艺。

表1 实验因素与水平Table 1 Experimental factors and levels

3 实验结果及分析

图1 焊接拉力的等值线图Fig.1 Contour map of soldering force

图2 焊接拉力标准方差的等值线图Fig.2 Contour map of soldering force STD

图1、2分别给出了不同实验条件下焊接拉力与其标准方差的等值线图。分析数据可以得出，在焊接温度低于350 ℃时，焊接拉力随着焊接时间的增加而变大。这是因为焊接温度低，焊接时主栅银浆和焊带接触面不能发生共溶，导致虚焊增多，焊接拉力数值降低，焊接稳定性差；而焊接时间的增加可以减少虚焊，焊接拉力增大。

焊接温度在350~410 ℃之间，可以看出焊接时间为3 s、焊接温度为380 ℃时，焊接拉力与稳定性较好。这说明当温度为380 ℃时，主栅银浆和焊带接触面的共溶效果最佳，焊接速度与电烙铁的温度补偿能力匹配性好。当焊接时间减少或者温度降低时，会出现不同程度的虚焊现象；而焊接时间增加或者温度增加，过焊又会随之产生，进而导致焊接质量的下降。

随着焊接温度进一步增大，焊接拉力值随焊接时间的增大而变小。通过对比主栅银浆脱落的情况发现，焊头温度大于410 ℃，焊接出现过焊现象，其表现为焊接拉力逐渐减小，焊接稳定性变差。焊接温度和焊接时间的继续增加，使得过焊区域加大，焊接质量进一步下降。当温度为440 ℃，焊接时间为5 s时表现最显著，过焊的效果主要表现为焊接拉力小。这主要是由于电池片中本来形成的 Ag-Si合金中的 Ag，会从中析出与 Sn形成合金，低 Ag含量容易引起柔性断裂，而较高 Ag含量容易引起脆性断裂[9]，这样都会导致焊接拉力变小，如果过焊严重的话，会导致栅线位置受热不均，降温后有可能导致电池片变形隐裂。

图3 不同焊接效果对比Fig.3 Comparison of different soldering effect

通过实验，我们发现在焊接时间为3 s、焊接温度为 380 ℃时焊带与电池主栅之间的焊接性能最佳。图3是实验过程中有关过焊、虚焊与正常焊接的效果对比。由图中可见，正常焊接的焊接拉力在整个测试区域都比较大；而虚焊则表现为焊接拉力不稳定，在测试位置：0~50、60~80、85~90均出现了不同程度的拉力小的现象；过焊在整个测试过程焊接拉力比较小。

4 结束语

本文着重研究了不同焊接温度和时间对焊接质量的影响。结果表明，焊接温度380 ℃、焊接时间3 s时，焊接后电池主栅与焊带的连接性能最佳。希望本文的数据和结论对以后进一步提高晶体硅光伏组件的光电转化效率和使用寿命提供一些思路和帮助。

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