CN104526191B - 多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置及其方法，焊接装置包括光伏电池识别定位装置、布线装置、上硅片传送装置、下硅片传送装置、焊接加热装置、前端剪线装置和后端剪线装置，布线装置将互联导线布线至焊接工作区，光伏电池识别定位装置将待焊接的光伏电池定位并放置于焊接工作区，上硅片传送装置和下硅片传送装置将互联导线压贴在光伏电池上，前端剪线装置和后端剪线装置分别设置在焊接工作区的左右两侧，在合适位置剪断多余的互联导线，焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热。本发明的有益效果是：实现多根互联导线在光伏电池表面的直接布线和焊接，免除了透明薄膜和粘结剂的使用，降低成本，提升了可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及多互联导线的光伏电池的焊接技术领域，特别是一种多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置及其焊接方法。
背景技术
2004年以来，中国光伏电池制造和应用迅猛发展。到2013年，中国不仅成为全球第一光伏制造大国，也已成为全球最大的光伏市场。未来光伏产业仍将保持高速增长，受到市场和投资人的巨大瞩目。
目前，产业内多数光伏电池和组件制造厂商，采用2-5个主栅线(Bus bar)的电池电极设计和互联方式。首先，在光伏电池的制造过程中，一个电池单元的正面，通过丝网印刷和高温烧结的方式形成大约55-90根60-100um宽度的细栅线。这些细栅线一般通过2根1.8mm的主栅线连接到一起。然后，在光伏组件的制造过程中，电池的主栅线通过高温焊接过程和涂覆有Sn层的铜互联条电性连接在一起。通过细栅线收集到的电池表面的光生电流，汇集到主栅线上，然后转移到约0.4mm厚2mm宽的涂Sn铜互联条上。这里，主栅线的宽度越宽，电性接触越好，接触电阻越低，有利于光电转化效率提升。但主栅线越宽，主栅线以及相应的互联条所造成的阴影遮蔽量也就越大，这又造成光电转换效率降低。考虑接触电阻和光学遮蔽两因子竞争作用，目前产业有向5主栅线电池设计过渡的趋势。
针对上述2-5主栅线电池设计，在光伏组件的制造过程中，电池的主栅线通过高温焊接过程和涂覆有Sn层的铜互联条电性连接在一起。焊接过程中，会施加机械压力到铜互联条和电池表面上。如果工艺条件波动或压力控制不够精准，就可能造成隐裂等可靠性缺陷。另外，热膨胀系数方面，铜互联条和硅片有巨大差异(分别为18ppm/度和2.5ppm/度)。光伏组件在自然环境中，不断升温降温，也会在组件内部形成巨大的机械应力。如果铜互联条的拉伸性能不好，也会造成安全隐患。
加拿大创新太阳能技术公司Day4Energy提出了通过提升组件成本的方法来制造高端组件，大幅度提升光伏组件的质量可靠性。根据加拿大专利局CA2496557中的技术信息公布，加拿大创新太阳能技术公司首先采用了多根互联导线(直径<1mm的细铜导线)和透明膜层结合的方式制备基本的电极连接单元。在上述设计中，互联导线被嵌入光学透明的聚合物载体材料中并连接至太阳能电池，其中聚合物辅助材料是用于改善可操纵性。德国专利说明书DE10239845C1中，也描述了一种借助于光学透明的黏着剂将互联导线固定至光学透明膜上并随后固定至太阳能电池的金属化层上的方法。
在上述布置当中，互联导线的使用大大提升了光伏组件结构的可靠性。这得益于互联导线表面体积比增加后，柔软度大大增加。同时，由于互联导线分布更为分散，可以连接到更多硅片表面。即使有部分隐裂，仍然可以通过互联导线连接碎片部分而不影响电流收集，增强组件产品可靠性。由于膜及黏着剂保持在太阳能电池模块中，这意味着对黏着剂及膜在长期稳定性方面存在相对高的要求，因此上述方案也导致相对高的成本。
2014年也被称为中国分布式光伏发展的元年。光伏应用从大型电站应用，开始大面积扩展到家庭屋顶、工业厂房屋顶等更接近人们日常活动范围的地方。这对光伏系统的可靠性和安全性也进一步提出了更高要求。因此，中国光伏产业迫切需要能够在提高光伏组件性能的同时，降低组件成本的创新解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的多互联导线需要透明薄膜和粘结剂才能与光伏电池电连接，对透明薄膜和粘结剂存在相对较高的要求，导致成本太高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，包括光伏电池识别定位装置、布线装置、上硅片传送装置、下硅片传送装置、焊接加热装置、前端剪线装置和后端剪线装置，上硅片传送装置、下硅片传送装置上下相对设置，并通过升降装置驱动相对闭合或打开，上硅片传送装置、下硅片传送装置之间的重叠区域为焊接工作区，焊接工作区分为前后设置的第二焊接工作区和第一焊接工作区，布线装置将互联导线布线至上硅片传送装置和下硅片传送装置之间，光伏电池识别定位装置将待焊接的光伏电池定位并放置于焊接工作区，前端剪线装置和后端剪线装置分别设置在焊接工作区的左右两侧，焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热。
进一步限定，上硅片传送装置和下硅片传送装置由多个输送滚轮构成，在输送滚轮表面具有与互联导线配合的导向槽；或者上硅片传送装置和下硅片传送装置由多个输送滚轮和套在输送滚轮上的传导带构成，在传导带表面具有与互联导线配合的导向槽。
进一步限定，布线装置包括线轮、前端夹线装置和后端夹线装置，互联导线绕在线轮上，前端夹线装置和后端夹线装置在前后两个方向分别夹持线轮释放的互联导线，并将夹持的互联导线布线至上硅片传送装置和下硅片传送装置之间。
进一步限定，焊接加热装置包括提供基础温度的基础温度加热器和提供峰值温度的峰值温度加热器。
进一步限定，滚动焊接装置还包括汇流条引出装置，汇流条引出装置将汇流条引出至焊接工作区。
进一步限定，布线装置还包括为互联导线涂覆助焊层的预处理装置和对涂覆助焊层的互联导线进行预加热的预加热装置，预处理装置和预加热装置设置在线轮和前端夹线装置之间。
一种上述多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置的焊接方法,具有如下步骤：
a)上硅片传送装置和下硅片传送装置打开，布线装置布线；
b)光伏电池识别定位装置将首片待焊接的光伏电池定位并放置于第一焊接工作区的互联导线上；
c)上硅片传送装置和下硅片传送装置闭合，互联导线被临时固定在光伏电池背面；
d)前端剪线装置和后端剪线装置剪断多余的互联导线；
e)焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，将互联导线焊接在光伏电池背面；
f)上硅片传送装置和下硅片传送装置向前移动背面焊接完成的光伏电池至第二焊接工作区；
g)上硅片传送装置和下硅片传送装置打开，布线装置布线；
h)上硅片传送装置和下硅片传送装置闭合，互联导线被临时固定在光伏电池正面；
i)前端剪线装置剪断多余的互联导线；
j)焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，将互联导线焊接在光伏电池正面；
k)上硅片传送装置和下硅片传送装置打开，光伏电池识别定位装置将下一片待焊接的光伏电池定位并放置于第一焊接工作区的互联导线上；
l)上硅片传送装置和下硅片传送装置闭合，互联导线被临时固定在当前待焊接的光伏电池背面；
m)后端剪线装置剪断多余的互联导线；
n)焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，将互联导线焊接在光伏电池背面；
o)重复步骤f～n，完成光伏模块内光伏电池的互联
进一步限定，在步骤j中，在焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热时，上硅片传送装置和下硅片传送装置向后移动当前光伏电池并复位。
本发明的有益效果是：实现多根互联导线在光伏电池表面的直接布线和焊接，免除了透明薄膜和粘结剂的使用，降低成本，提升了可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1a是本发明的光伏模块内的光伏电池的结构示意图；
图1b是本发明的光伏模块内的光伏电池的串焊结构示意图；
图1c是本发明的光伏模块的封装结构示意图；
图2a是本发明的“川字形”布线装置的结构示意图；
图2b是本发明的“凹字形”布线装置的结构示意图；
图3是本发明的光伏电池的滚动焊接装置的整体结构示意图；
图4a是本发明的光伏电池的滚动焊接方法的步骤a至b的示意图；
图4b是本发明的光伏电池的滚动焊接方法的步骤c至f的示意图；
图5a是本发明的光伏电池的滚动焊接方法的步骤g的示意图；
图5b是本发明的光伏电池的滚动焊接方法的步骤h至j的示意图；
图6a是本发明的光伏电池的滚动焊接方法的步骤k的示意图；
图6b是本发明的光伏电池的滚动焊接方法的步骤l至n的示意图；
图中：101.细栅线，102.加大加粗的焊接点，103.互联导线，104.汇流条，105.表面封装层，106.粘结层，107.光伏电池，108.背面封装层，201.线轮，202.前端夹线装置，203.后端夹线装置，204.固体分隔物，205.光伏电池识别定位装置，206.上硅片传送装置，207.下硅片传送装置，208.焊接加热装置，209.前端剪线装置，210.后端剪线装置，211.第一焊接工作区，212.第二焊接工作区，213.冷却区，214.预处理装置，215.预加热装置。
具体实施方式
本发明公开了一种多互联导线的光伏模块：光伏模块中的两两光伏电池107之间通过多根互联导线103进行互联，多根互联导线103通过高温焊接和光伏电池107的栅线形成合金的方式电连接，互联导线103的数量>15根，互联导线103为细铜金属导线。
图1a本发明的光伏电池107的正面电极的结构示意图。正面电极包括收集电流的细栅线101和加大加粗的焊接点102，细栅线101采用断栅设计，这种断栅设计可以降低细栅线101的Ag浆用量，并缓解光伏电池107的表面应力，细栅线101的材质为贵金属，如Ag。加大加粗的焊接点102一方面便于光伏电池识别定位装置进行图形识别，另一方面也减低接触电阻。加大加粗的焊接点102存在于光伏电池107的边缘和正中心，起到加固互联导线103的作用。在实际的实施例中，加大加粗的焊接点102的数量也可设计可以更多，也可以更少。除此之外，光伏电池识别定位装置也可以利用光伏电池107的正面电极的变化特征来进行图形识别与定位，如利用细栅线101的断栅设计特征。
图1b是本发明的光伏模块中的光伏电池107的互联结构示意图，图1c是本发明的光伏模块的示意图。在图1b和1c中，涂覆有助焊层如SnPbAg、InSn或其他低熔点合金的高导电率的互联导线103一方面直接和左边的光伏电池107的正面电极相连，一方面，互联导线103直接和右边的光伏电池107的背面电极相连，从而将两个光伏电池107串接起来。汇流条104为涂有焊接层金属的高导电率铜带，和目前业界通用的一致，在图1b中光伏电池串左右两侧的汇流条104分别连接其他光伏电池串的负极和正极，构成更大的光伏电池串，这对熟悉本领域的技术人员来说是显而易见的，这里就不赘述了。根据上述信息，本专业领域的技术人员很容易制造出相应不同大小规格的光伏模块。
如图1c所示，为最大限度地简化设计，以节省成本和提升可靠性。本发明的多互联导线下的光伏模块，除了光伏电池107和互联导线103之外只有4层。其中一层为表面封装层105，如玻璃或ETFE；另外两层为分别位于电池正面和反面的粘结层106，如EVA或硅胶膜层；最后一层为背面封装层108，一般为TPT或PET。和加拿大专利CA2496557或德国专利DE10239845C1不同，互联导线103直接与光伏电池107电连接，并通过中间两层粘结层106与表面封装层105、背面封装层108粘合为一体，除此以外不和其他透明膜层结合，这起到了降本和提升可靠性的作用，但也增加了光伏电池107与多根互联导线103的焊接实现和封装操作难度，需要通过本发明所披露的特殊设备滚动焊接装置来实现。
如图3所示，该光伏模块中的光伏电池107和互联导线103通过本发明公开的一种多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置进行焊接，滚动焊接装置包括光伏电池识别定位装置205、布线装置、上硅片传送装置206、下硅片传送装置207、焊接加热装置208、前端剪线装置209和后端剪线装置210，上硅片传送装置206、下硅片传送装置207上下相对设置，并通过升降装置驱动相对闭合或打开，上硅片传送装置206、下硅片传送装置207之间的重叠区域为焊接工作区，焊接工作区分为前后设置的第二焊接工作区212和第一焊接工作区211，布线装置将互联导线103布线至上硅片传送装置206和下硅片传送装置207之间，光伏电池识别定位装置205将待焊接的光伏电池107定位并放置于焊接工作区，前端剪线装置209和后端剪线装置210分别设置在焊接工作区的左右两侧，焊接加热装置208对焊接工作区进行焊接加热。
多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置还包括汇流条引出装置，汇流条引出装置将汇流条104引出至焊接工作区。
在图3中用一根线代表了相互平行的多根互联导线103。在图3中本焊接装置有三个不同温区，除第二焊接工作区212和第一焊接工作区211外还有冷却区213。第一焊接工作区211和第二焊接工作区212通过焊接加热装置208进行加热，焊接加热装置208包括提供基础温度的基础温度加热器和提供峰值温度的峰值温度加热器。基础温度加热器通过电阻加热方式进行预热，基础温度一般为160℃，峰值温度加热器采用红外加热方式，峰值温度一般为200℃,持续1-2秒。采用红外加热方式的峰值温度加热器可以位于光伏电池107上方，也可以放到光伏电池107的下方，甚至上硅片传送装置206和下硅片传送装置207的滚轮当中。
光伏电池识别定位装置205通过照相定位的方式来识别光伏电池107表面预留的特征图案。特征图案为表面电极图形，如加大加粗的焊接点102图案和/或断栅图案。设备根据这一信息进行位置调整，确保多根互联导线103能够贴合到光伏电池107合适的预定位置。
布线装置分为“川字形”布线装置和“凹字形”布线装置，
如图2a和图3所示，“川字形”布线装置包括线轮201、前端夹线装置202和后端夹线装置203，多根互联导线103平行排布的卷绕在线轮201上，线轮201表面布有导线槽，前端夹线装置202和后端夹线装置203交替使用，在前后两个方向分别夹持线轮201释放的互联导线103，并将夹持的互联导线103平行拉直地布线至上硅片传送装置206和下硅片传送装置207之间。“川字形”布线装置为针对任何直径金属导线的通用型排布技术。
如图2b所示，“凹字形”布线装置针对超细超软(直径<＝0.1mm)金属导线的特殊情况，首先将超细超软金属导线沿纸面的垂直向下方向用一定张力拉直，然后使用一定数量的固体分隔物204(如金属柱)212和213交错水平移动，将一根金属导线变换为多根相互平行的互联导线103。布线时，金属导线通过固体分隔物204加热到200℃左右的软化温度，可使金属导线的机械强度降低为室温的20％左右，有助于布线顺利进行。相比“川字形”布线，“凹字形”布线可以大大减少布线的复杂度和制造成本。
布线装置还包括为互联导线103涂覆助焊层的预处理装置214和对涂覆助焊层的互联导线103进行预加热的预加热装置215，在图3中，预处理装置214和预加热装置215设置在线轮201和前端夹线装置202之间。
上硅片传送装置206和下硅片传送装置207由多个输送滚轮构成，优选，在输送滚轮表面具有与互联导线103配合的导向槽；或者所述的上硅片传送装置206和下硅片传送装置207由多个输送滚轮和套在输送滚轮上的传导带构成，优选，在传导带表面具有与互联导线103配合的导向槽。上硅片传送装置206和下硅片传送装置207的挤压作用，限制多根互联导线103的活动范围，使得互联导线103贴服在光伏电池107表面。上硅片传送装置206和下硅片传送装置207的其中之一的滚轮为主动轮，可提供电池片前进、后退的动力。
以图3所示的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置为例，披露该多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置焊接方法，具有如下步骤：
a)上硅片传送装置206上移，使上硅片传送装置206和下硅片传送装置207打开，布线装置布线，将多根互联导线103拉直并布线到上硅片传送装置206和下硅片传送装置207之间，然后通过汇流条引出装置将汇流条104引出并以一定压力放置在焊接工作区的多根互联导线103之上。；
b)光伏电池识别定位装置205将首片待焊接的光伏电池107定位并放置于第一焊接工作区211的互联导线103上；
c)上硅片传送装置206下移，使上硅片传送装置206和下硅片传送装置207闭合，互联导线103被临时固定在光伏电池107背面；
d)前端剪线装置209和后端剪线装置210剪断多余的互联导线103；
e)焊接加热装置208对焊接工作区进行峰值温度焊接加热，将互联导线103焊接在光伏电池107背面，完成首片待焊接的光伏电池107和汇流条104的串焊；
f)上硅片传送装置206和下硅片传送装置207向前移动背面焊接完成的光伏电池107至第二焊接工作区212，如图4a、4b所示；
g)上硅片传送装置206上移，使上硅片传送装置206和下硅片传送装置207打开，将多根互联导线103拉直并布线到上硅片传送装置206和下硅片传送装置207之间；
h)上硅片传送装置206下移，使上硅片传送装置206和下硅片传送装置207闭合，互联导线103被临时固定在光伏电池107正面；
i)前端剪线装置209剪断多余的互联导线103；
j)焊接加热装置208对焊接工作区进行峰值温度焊接加热，将互联导线103焊接在光伏电池107正面。但是，前端剪线装置209对互联导线103剪断后，会有部分互联导线103暴露在上硅片传送装置206和下硅片传送装置207压紧的部分之外，无法直接焊接，为保证焊接质量，优选在该j步骤的焊接过程中，上硅片传送装置206和下硅片传送装置207配合驱动光伏电池107以及互联导线103前后移动，在光伏电池107向后移的过程中，对光伏电池107最左端的加大加粗的焊接点102进行完美焊接，然后再向前移动复位，将互联导线103更完美地焊接在光伏电池107正面，如图5a、5b所示；
k)上硅片传送装置206上移，使上硅片传送装置206和下硅片传送装置207打开，光伏电池识别定位装置205将下一片待焊接的光伏电池107定位并放置于第一焊接工作区211的互联导线103上；
l)上硅片传送装置206下移，使上硅片传送装置206和下硅片传送装置207闭合，互联导线103被临时固定在当前待焊接的光伏电池107背面；
m)后端剪线装置210剪断多余的互联导线103；
n)焊接加热装置208对焊接工作区进行峰值温度焊接加热，将互联导线103焊接在光伏电池107背面，优选光伏电池107的背面电极垂直于多根互联导线103，如图6a、6b所示；
o)重复步骤f～n，完成光伏模块内光伏电池107的互联。
Claims (7)
1.一种多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，其特征是：包括光伏电池识别定位装置、布线装置、上硅片传送装置、下硅片传送装置、焊接加热装置、前端剪线装置和后端剪线装置，
所述的上硅片传送装置、下硅片传送装置上下相对设置，并通过升降装置驱动相对闭合或打开，上硅片传送装置、下硅片传送装置之间的重叠区域为焊接工作区，焊接工作区分为前后设置的第二焊接工作区和第一焊接工作区，
所述的布线装置将互联导线布线至上硅片传送装置和下硅片传送装置之间，
所述的光伏电池识别定位装置将待焊接的光伏电池定位并放置于焊接工作区，
所述的前端剪线装置和后端剪线装置分别设置在焊接工作区的左右两侧，
所述的焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，
具有如下步骤：
a)上硅片传送装置和下硅片传送装置打开，布线装置布线；
b)光伏电池识别定位装置将首片待焊接的光伏电池定位并放置于第一焊接工作区的互联导线上；
c)上硅片传送装置和下硅片传送装置闭合，互联导线被临时固定在光伏电池背面；
d)前端剪线装置和后端剪线装置剪断多余的互联导线；
e)焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，将互联导线焊接在光伏电池背面；
f)上硅片传送装置和下硅片传送装置向前移动背面焊接完成的光伏电池至第二焊接工作区；
g)上硅片传送装置和下硅片传送装置打开，布线装置布线；
h)上硅片传送装置和下硅片传送装置闭合，互联导线被临时固定在光伏电池正面；
i)前端剪线装置剪断多余的互联导线；
j)焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，将互联导线焊接在光伏电池正面；
k)上硅片传送装置和下硅片传送装置打开，光伏电池识别定位装置将下一片待焊接的光伏电池定位并放置于第一焊接工作区的互联导线上；
l)上硅片传送装置和下硅片传送装置闭合，互联导线被临时固定在当前待焊接的光伏电池背面；
m)后端剪线装置剪断多余的互联导线；
n)焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热，将互联导线焊接在光伏电池背面；
o)重复步骤f～n，完成光伏模块内光伏电池的互联。
2.根据权利要求1所述的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，其特征是：所述的上硅片传送装置和下硅片传送装置由多个输送滚轮构成，在输送滚轮表面具有与互联导线配合的导向槽；
或者,所述的上硅片传送装置和下硅片传送装置由多个输送滚轮和套在输送滚轮上的传导带构成，在传导带表面具有与互联导线配合的导向槽。
3.根据权利要求1所述的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，其特征是：所述的布线装置包括线轮、前端夹线装置和后端夹线装置，互联导线绕在线轮上，前端夹线装置和后端夹线装置在前后两个方向分别夹持线轮释放的互联导线，并将夹持的互联导线布线至上硅片传送装置和下硅片传送装置之间。
4.根据权利要求1所述的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，其特征是：所述的焊接加热装置包括提供基础温度的基础温度加热器和提供峰值温度的峰值温度加热器。
5.根据权利要求1所述的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，其特征是：还包括汇流条引出装置，汇流条引出装置将汇流条引出至焊接工作区。
6.根据权利要求3所述的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置，其特征是：所述的布线装置还包括为互联导线涂覆助焊层的预处理装置和对涂覆助焊层的互联导线进行预加热的预加热装置，预处理装置和预加热装置设置在线轮和前端夹线装置之间。
7.根据权利要求1所述的多互联导线的光伏电池的滚动焊接装置,其特征是：在步骤j中，在焊接加热装置对焊接工作区进行焊接加热时，上硅片传送装置和下硅片传送装置向后移动当前光伏电池并复位。
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