CN103384921A

CN103384921A - 一种用于将硅晶片附着在光伏模块中的新型电导体

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Publication number: CN103384921A
Application number: CN2010800702945A
Authority: CN
Inventors: 塔格·哈曼; 贝维斯·哈钦森; 莉娜·赖德
Original assignee: Luvata Espoo Oy
Current assignee: Luvata Espoo Oy
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2013-11-06
Also published as: MX2013005983A; KR20140043701A; EP2647059A1; WO2012072109A1; JP2014509444A; AU2010364692A1; SG190212A1; US20130247979A1

Abstract

本发明涉及一种电导体（2），这种电导体具有平行于导线轧制方向的一个纵向轴线（A），这种电导体包括铜材料和一个附着表面（7），该附着表面被配置成用于附着到一个硅晶片（3）的接收表面上以便建立一个电连接。该铜材料具有的纯度为至少99.5%，其中晶粒具有的一种立方体织构包含一组立方体轴线，这些立方体轴线在高达20度的角范围之内指向该纵向轴线（A），并且由此使得至少65%的晶粒有所述立方体织构。本发明还涉及一种用于生产导体（2）以及包括所述导体（2）和硅晶片的光伏模块的方法。

Description

一种用于将硅晶片附着在光伏模块中的新型电导体

发明领域

本发明涉及一种根据权利要求1的特征部分的长形电导体和一种根据权利要求10的特征部分的用于制造电导体的方法，连同包括被附着到硅晶片上的所述导体的一种光伏模块。

发明背景和现有技术

一个晶体硅光伏模块一般由多个串联连接的硅晶片或太阳能电池组成。从第一硅晶片的前面到下一个硅晶片的背面等等来做成这种串联连接。这些硅晶片之间的电连接是通过焊接这些硅晶片各个侧面上的两条或三条铜带-线（string-wire）的来实现。在焊接过程之中或之后，由于该带在冷却的过程中被拉伸的事实，存在着这些表层硅晶片的弯曲的重大风险。出现这种情况是因为铜的热膨胀系数显著高于硅的热膨胀系数。这种弯曲与薄而易碎的硅晶片的拉伸应力有关，而且会导致高频率的电池破碎。因为强机械应力，还可能在这些晶片的边缘处正好在该带-线的下面引发裂缝。

希望的是减少这些硅晶片的厚度来降低电损耗。而且，希望用无铅的锡替代传统的锡铅焊接材料，这将致使焊接温度提高。这些因素的作用使该硅晶片中的机械应力增大。而且，同时，存在着一种需要来维持晶片目前的尺寸、连同敷金属图案的设计和这些带-线的一般概念。总之，这意味着带-线的这些机械特性变成一个非常重要的问题，因为它们对在焊接过程中在硅晶片中出现的机械应力有着直接的影响。

WO2009/049572公开了一种改进的缆线连接，该缆线连接包括一种针对板状太阳能模块中硅晶片的电导体的弹性设计。然而，由于焊接，这种设计不能解决这些硅晶片破碎和开裂的问题。

US 7,173,188描述了一种改进的电导体，该电导体是经涂覆的以防止该导体在焊接过程中的绕接。US2009/0017325描述了具有改进的柔性疲劳性能的轧制铜箔，该轧制铜箔以一个5步法制成，该5步法致使铜具有立方体织构的晶粒。然而，这是一种用于在高强度产品中使用的材料。

对于能够减小这些硅晶片破裂风险的改进的铜材料仍然存在着一种需要。

发明概述

本发明的目的是提供改进的带-线，其中，该电导体中铜材料的应力被最小化，以防止在这些硅晶片上的负荷变得足够大而对这些晶片造成损害。

此目的是由最初限定的电导体来实现的，该电导体的特征在于，该铜材料是以至少99.5%的纯度存在的并且其中这些晶粒具有的一种立方体织构，该立方体织构包含一组立方体轴线，这些立方体轴线在一个高达20度的角范围内指向该纵向轴线，并且由此使得至少65%的这些晶粒有所述立方体织构。

这种铜材料的优势在于，它确保了这些铜带-线中的应力尽可能地被最小化，这样使得这些硅晶片上的负荷尽可能小。这种应力水平是由该带-线的机械特性决定的，该带-线的机械特性易受于裁制（tailoring）该铜材料的结晶织构和显微结构的控制。

铜的纯度对于电导体的机械特性而言是重要的。在一个实施例中，该铜材料具有的纯度为至少99.9%。

和晶粒在该立方体织构中的取向相比，该铜材料的大部分具有这种立方体织构也是重要的。在一个实施例中，70%到100%的这些晶粒具有这种立方体织构。

为了将该铜材料中的机械应力最小化，晶粒在这种立方体织构中的取向是重要的。在另一个实施例中，该组立方体轴线是在15度的角范围内指向该纵向轴线。在一个进一步的实施例中，该组立方体轴线是在10度的角范围内指向该纵向轴线。

该铜织构的锐利度或强度关于得到的机械特性的各向异性是重要的。有必要的是对该铜板材/线材中足够比例的晶粒（晶体）相对于该板材轴线进行正确取向。就这一点而言，一个重要的标准的是该带线的纵向轴线与这些铜晶体的立方体轴线之间的重合程度。这些立方体轴线在标准晶体密勒（Miller）指数表示法中被称为<100>方向。优化该材料要求了在这些晶粒的<100>方向与该板材/线材的纵向轴线之间的一个高度重合。用一个立方体轴线指数（CA指数）来最佳地描述这个织构强度，该立方体轴线指数被定义为该铜被取向成以使得在其纵向轴线与<100>之间的角度是小于15度的体积百分比。在一个实施例中，该立方体轴线指数是至少70%。出于比较，没有特定织构（即，任意取向的）的铜材料可能具有的CA指数是低于15%。

优选地，该铜材料是一种电解韧铜或一种无氧铜。

对于给定的（热）应变水平，该带-线的应力可能取决于两个因素，即，该铜材料的弹性模量（杨氏模量）和屈服应力（Rp）。杨氏模量仅受控于晶体织构，而屈服应力则取决于织构和显微结构（晶粒结构）两者。在一个实施例中，该铜材料具有的屈服应力是低于50MPa。

与无立方体织构的类似材料相比，一种强的立方体织构可能使该带-线中的弹性应力水平减少高达45%。在一个实施例中，该铜材料具有的杨氏模量是低于95GPa。

本发明的目的还可以通过一种用于制造电导体的方法来实现，该电导体包括纯度为至少99.5%的一种铜材料，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)将该铜材料安排到一个轧机上，

b)沿一个轧制方向将该铜材料轧制为从20%到80%的一个缩小程度，其中形成了一种铜产品，

c)将该铜产品在低于600°C的温度下进行退火，

d）可任选地重复步骤b)和c)，

e）将该铜产品冷轧为至少80%的缩小程度，并且

f）在高于250°C的温度下对该铜产品进行最终退火。

如上所讨论的，铜材料的特性重要的是将该铜材料中的机械应力最小化。因此，在一个实施例中，该方法是优选地使用具有的纯度为至少99.9%的铜材料来进行的。在另一个实施例中，在步骤b）和步骤c）之后的铜材料的晶粒大小是从5μm到25μm。在一个进一步的实施例中，该铜材料是一种电解韧铜或一种无氧铜。

为了甚至进一步优化通过上述方法得到的铜材料的这些机械特性，可以改变一些工艺参数。在另一个实施例中，步骤b）中的缩小程度为从30%到80%。在一个进一步的实施例中，步骤c）中的温度是从300°C到400°C。还在另一个实施例中，步骤d）中的缩小程度为从90%到99%。在一个实施例中，步骤f）中的温度是高于500°C。

本发明的目的还通过上述方法所制造的一种电导体来实现。

在一个实施例中，该电导体的附着表面涂覆有锡基焊接材料。

本发明进一步涉及一种将该电导体附着到一个硅晶片上的方法，其特征在于，该电导体的附着表面以及该硅晶片的接收表面被加热到将该焊接材料熔化，由此使得在所加热的材料冷却时在该电导体与该硅晶片之间形成一种附着。

本发明的一个实施例涉及一种包括至少一个硅晶片的光伏模块，该硅晶片被附着在至少一个电导体上。

附图简要说明

现在将通过对不同实施例的描述并参考附到此处的这些附图来更加严密地对本发明进行解释。

图1，一种示意性的光伏模块，包括由多个电导体连接的一连串硅晶片。

图2，一个硅晶片的接收表面和一个电导体的附着表面的示意图。

图3，制造方法的一个流程图。

本发明的不同实施例的详细说明

图1示出了一种光伏模块1的一个实例，该光伏模块包含至少一个硅晶片3，该硅晶片被附着到至少一个电导体2上。通常，光伏模块1包括由多个电导体2而连接到彼此上的一个串硅晶片3，由此使得一个硅晶片3被附着到至少两个或至少四个电导体2上。

图2示出了这种改进的电导体2，用于在一个光伏模块或晶体硅光伏模块1中使用。电导体2包括一个导体芯层5和一个锡基焊接材料涂层6，该导体芯层由一种铜材料组成。该涂层优选地包括一种锡基无铅焊接材料6，但是也可能使用其他焊接材料6。

总体上，电导体2的整个导体芯层5被涂覆有涂层6。为呈现电导体2结构的目的，电导体2的右部的导体芯层5已在图2中示出。导体芯层5可能具有一个矩形截面。通过这个矩形截面，该电导体2形成了一个平坦表面，该平坦表面被适配成附着到硅晶片3的上表面和/或下表面4a，4b上。

焊接材料6形成了一个附着表面7，该附着表面被适配成经定位与硅晶片3的上表面或下表面4a，4b接触。参见图1，附着表面7被适配经定位与一个第一硅晶片3的上表面4a上的接收表面相接触（电导体2标有一条实线）并且与一个邻近的第二硅晶片3的下表面4b上的接收表面相接触（该电导体2标有一条点虚线）。上表面4a和下表面4b被定位在第一和第二硅晶片3的相反面上。

通过以下方式将电导体2附着到硅晶片3上：将导体2定位与该第一硅晶片3的上表面4a上的接收表面并且与该邻近的第二硅晶片3的下表面4b上的接收表面相接触、并且将第一和第二硅晶片3与电导体2一起加热，由此熔化焊接材料6。据此，所加热的材料冷却时在该电导体2与该硅晶片3之间形成一种附着。

由于焊接过程中所使用的热量而且由于该硅晶片3是易碎的，因此使用电导体2的一种导体芯层5材料（它防止了硅晶片3的损坏）是重要的。

为了减轻硅晶片3中的机械应力，希望的是导体芯层5材料在导体芯层5的一个纵向轴线A的方向上有一个低屈服强度。由于硅晶片3的材料与电导体2的材料之间的热传导率不同，出现了这样的多个应力。

导体芯层5包括具有的纯度为至少99.5%的铜材料。该纯度还可能是99.6%、或99.7%、或99.8%、或99.9%。该铜材料中的杂质量优选地是少于0.5%。

该铜材料可能是市场上可获得的任何铜材料。优选地，该铜材料是一种电解韧铜或一种无氧铜。

这些机械特性通过具有这种立方体织构的数量的晶粒进行改进。优选地，该电导体的铜材料中至少70%或75%的晶粒具有这种立方体织构。该铜材料可能具有从80%到100%、或80%到90%、或90%到99.9%、或95%到99.9%处于这种立方体织构中的晶粒。

该导体芯层5的纵向轴线A基本上平行于一条导线的轧制方向。而且，该导体芯层5的铜材料包括晶粒，这些晶粒在一种立方体织构中进行取向，该立方体织构包括指向纵向轴线A的一个第一组立方体轴线以及基本上垂直于纵向轴线A进行指向的其他组立方体轴线。该第一组轴线的角度可能偏离了纵向轴线A。相对于该纵向轴线A，这种对称偏离优选地是小于±30度。该第一组立方体轴线可能在高达25度的范围内指向该纵向轴线A。这组立方体轴线可能还在高达20度或高达15度或高达10度或高达5度的范围内指向该纵向轴线A。

为了清楚起见，本发明的电导体2可能包括以上关于任何纯度的铜材料提及的范围和间隔、指向纵向轴线A的度数范围以及具有该立方体织构的晶粒数量的任意组合。例如，该铜材料可能包括99.95%的纯铜、在高达12度的范围内指向该纵向轴线A的一组立方体轴线、以及从80%到100%的处于这种立方体织构的晶粒或落在上述范围和间隔内的任意其他值。

使用传统技术，诸如X-射线衍射和电子背散射衍射（EBSD），可以做出该电导体2的带-线内铜材料织构的评估。该材料的可以被测量的机械特性是例如屈服应力或强度以及杨氏模量。泰勒因子可能从该织构的测量结果中进行估计。

本发明的电导体2优选地包括铜材料，该铜材料具有的屈服应力是低于50、或45、或40MPa。与无立方体织构的类似材料相比，该电导体2的带-线的屈服应力优选地被缩减至少10%、或20%、或30%、或更多。杨氏模量优选地是低于95、或80、或70Gpa。

该立方体取向还在减少该带-线的屈服应力上传递优势。与无立方体织构的类似材料相比，一种强的立方体织构可能将带-线中的屈服应力水平减少20%、或40%、或更多。以所谓的泰勒因子（M）的方式来定义其塑性流动。与无立方体织构的金属相比，对于具有一种立方体织构的金属而言，M较小。在另一个实施例中，该铜材料具有的泰勒因子为3、或低于2.75、或更小。

被包括在电导体2中的铜材料可以用不同方法进行制造。然而，材料的控制和工艺参数对获得该优选的强立方体织构而言是重要的。

在该方法中使用的铜材料优选地具有至少99.5%的纯度。其纯度还可能是至少99.6%、或99.7%、或99.8%、或99.9%。该铜材料中的杂质数量优选是少于0.5%。

在上述方法中使用的铜材料可以是电解韧铜或无氧铜。

图3示出了制造方法的流程图。步骤a）中，该方法首先将该铜材料安排到一个轧机上。接着，在步骤b）中，沿一个轧制方向轧制该铜材料以使该铜材料缩小形成一种铜产品，诸如像以一个条带，一个薄片或一个扁丝。这个缩小程度可以是从20%到90%、或20%到80%、或20%到70%、或30%到90%、或30%到80%、或30%到70%。步骤b）中的轧制可以冷地或热地或在中间体冷到150°C的温度下进行，优选地在低于125°C、或100°C、或75°C的温度下。步骤c）中，将该铜产品在低于600°C、或500°C、或400°C的温度下进行退火。这个温度可能是在从300°C到400°C的范围内。在一个实施例中，这个温度是350°C。

该铜的显微结构优选地是一个精细的晶粒尺寸，由此在步骤b）和步骤c）之后的晶粒尺寸不超过30μm。优选地，该晶粒尺寸是低于25μm、或20μm、或15μm、或从2μm到25μm、或5μm到20μm、或5μm到15μm、或2μm到10μm。如有必要，步骤b）和c）可以重复一次、两次、或更多次。

退火步骤c）接着是在步骤e）中将该产品进行冷轧，以将该产品缩小至少80%、或90%、或95%、或98%、或从90%到99%、或95%到99%、或98%到99%。在步骤f）中对该产品进行最终退火。步骤f）中的温度优选地是高于250°C、或400°C、或500°C、或600°C。

通过上述方法获得的铜材料的立方体织构被取向成以使得该第一组立方体轴线基本上指向该铜产品的轧制方向，如在该产品制造方法中所使用的（即，纵向轴线A）。其他组的立方体轴线基本上垂直于该铜产品的轧制方向进行指向。

为了清楚起见，该方法可以通过以上关于该铜材料的纯度、晶粒尺寸、温度、和缩小程度中任一者提及的范围和间隔的任意组合来实现。例如，该方法可以用包括99.9%纯铜的铜材料进行，其中步骤b）中的缩小程度在冷（低于150°C）的中间体水平下是从30%到80%，退火步骤c）可以在350°C下完成，产生了低于26μm的晶粒尺寸，并且步骤d）的缩小程度可以是在从90%到98%的范围中，并且步骤f）中的温度可以是高于500°C。

如此处使用的术语“基本上”应该在广义上来解释，包含全部或几乎全部、或占全部的99%、95%、90%、85%、80%、或75%。

本发明不限于公开的这些实施例，而是可以在以下权利要求书的范围内进行改变和修改。

Claims

1.一种长形电导体（2），具有基本上平行于导线轧制方向的一个纵向轴线（A），该导体（2）包括铜材料和一个附着表面（7），该附着表面被配置成有待附着到一个硅晶片（3）的一个接收表面上，以此在该硅晶片（3）与该电导体（2）之间建立一种电连接，其特征在于，该铜材料是以至少99.5%的纯度存在，并且其中的晶粒具有一种立方体织构，该立方体织构包括一组立方体轴线，这些立方体轴线在高达20度的角范围之内指向该纵向轴线（A），并且由此使得至少65%的晶粒具有所述立方体织构。

2.根据权利要求1所述的电导体（2），其特征在于，该铜材料具有的纯度为至少99.9%。

3.根据权利要求1或2所述的电导体（2），其特征在于，70%到100%的这些晶粒具有这种立方体织构。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该组立方体轴线是在15度的角范围之内指向该纵向轴线（A）。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该组立方体轴线是在10度角范围之内定指向该纵向轴线（A）。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该立方体轴线的指数是至少70%。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该铜材料是一种电解韧铜或一种无氧铜。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该铜材料具有的屈服应力低于50Mpa。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该铜材料具有的杨氏模量低于95GPa。

10.一种用于生产电导体（2）的方法，该电导体包括纯度为至少99.5%的一种铜材料，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)将该铜材料安排到一个轧机上，

c)将该铜产品在低于600°C的温度下进行退火，

d)可任选地重复步骤b）和c)，

e)将该铜产品冷轧为至少80%的缩小程度，并且

f)在高于250°C的温度下对该铜产品进行最终退火。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该铜材料具有的纯度为至少99.9%。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在步骤b）和c）之后的晶粒尺寸是5到25μm。

13.根据权利要求10到12中任一项所述的方法，其特征在于，该铜材料是一种电解韧铜或一种无氧铜。

14.根据权利要求10到13中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b）中的缩小程度是从30%到80%。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c）中的温度是从300°C到400°C。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d）中的缩小程度是从90%到99%。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f）中的温度是高于500度。

18.一种由根据权利要求10至17中任一项所述的方法制造的电导体（2）。

19.根据权利要求1到9或18中任一项所述的电导体（2），其特征在于，该附着表面（7）涂覆有锡基焊接材料（6）。

20.一种用于将根据权利要求19所述的电导体（2）附着到硅晶片（3）上的方法，其特征在于，该电导体（2）的附着表面（7）以及该硅晶片（3）的接收表面被加热到将该焊接材料（6）熔化，由此使得在所加热的材料冷却时在该电导体（2）与该硅晶片（3）之间形成一种附着。

21.一种光伏模块（1），包括至少一个硅晶片（3），该硅晶片被附着在根据权利要求19所述的至少一个电导体（2）上。