CN107646168B - 用于测试光伏电池组件的晶片附接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试光伏电池组件的晶片附接的方法，具体涉及一种用于在制造聚光光伏模块期间对光伏电池晶片附接质量的电在线监测的方法。该方法包括以下步骤：提供包括附接到热沉的至少一个光伏电池的光伏电池组件(100)，光伏电池具体为聚光光伏电池；将电流注入到光伏电池组件中(101)；测量电流注入期间跨光伏电池的电压(102)；以及确定在电流注入的持续时间期间的相对电压降(103)，借此，可以识别并筛选未被充分接合的光伏电池组件。

Description

用于测试光伏电池组件的晶片附接的方法

技术领域

本发明涉及用于测试光伏电池组件的晶片附接(die-attach)的方法，具体涉及用于在制造聚光光伏(CPV)模块期间对CPV电池晶片附接质量的电在线监测的方法。

背景技术

为了提高光伏电池的效率和长期稳定性或寿命通常知道需要低操作温度。由此，需要提取由于未被转换成电能的照射而在电池中生成的额外热量。该提取可以由被动或主动冷却装置来进行，其中，主动冷却例如可以由与冷却流体的动态接触来实现，并且被动冷却可以通过将电池附接到热沉来实现。

晶片附接或晶片接合是将半导体晶片或芯片附接到基板、封装、或另一个晶片或芯片的处理。对于光伏电池组件，这具体对应于将太阳能电池附接到热沉的处理，该热沉可以用于如以上所提及的被动冷却。通常知道该附接可以由钎焊、焊接、粘接剂接合、烧结等来进行，并且由这些方法中的任一个方法获得的附接层的质量对于将来自光伏电池的废热高效传递到热沉是重要的。

晶片附接的质量因此是用于描述光伏电池组件的特征的关键参数，具体是鉴于在包括框架和一个或更多个光伏电池组件的光伏模块的装配之前高效丢弃有缺陷的光伏电池组件，表示晶片附接未能将来自电池的热量高效运输到热沉的组件。这对于还包括用于将光会聚在电池上的相应透镜的聚光光伏模块更加重要，因为这些组件昂贵，并且其中有缺陷的光伏电池组件的更换复杂且昂贵。

通常已知使用热瞬态测试来验证LED到其安装基板的晶片附接。这种方法利用被测试的LED材料的温度系数的线性性质和以下事实：LED的热质量比安装基板的热质量小多个数量级。首先使用小的低加热的测量电流来测量LED的正向电压，该电流被选择为低，以在LED装置中基本上不引入任何可忽略的加热。LED然后经受短的非损害性的加热电流。在去除加热电流后迅速再次施加该测量电流，并且再次测量正向电压并比较该正向电压和在加热脉冲之前测量到的值。然后使用正向电压在施加加热电流之前和之后的差以及LED材料的温度系数来确定LED在安装基板温度以上的温度上升。由外部温度传感器进行的测量点(这些测量点的温度被稳定)上的耗费时间的温度校准允许将这种测量校准到热阻的绝对值。

Plesz,B.等人2011年(2011年9月27日至29日在法国巴黎举行的Characterization of solar cells by thermal transient testing：Proceedings ofthe 17th International Workshop on Thermal investigations of ICs and Systems,THERMINIC 2011)中公开了一种用于在工作条件下描述已经完全装配的太阳能模块的特性的热瞬态测试的方法。该文献具体公开了一种用于测试并描述聚光光伏模块中的晶片附接的质量的方法，该方法用于完全装配的模块的质量管理或在工作条件期间测试模块。

然而，进一步对于仅在完全装配的光伏模块上执行并在工作条件下描述该光伏模块，特别是在聚光光伏模块的情况下，2011年Plesz,B.等人的方法要求测量热阻Rth的绝对值，因此需要温度灵敏校准，温度灵敏校准需要在暗条件下执行，换言之，在太阳能模块未被照射时。具体地，要测量二极管的正向电压的温度依存性，必须对于各被测装置校准温度灵敏参数值。该方法还使用借助二极管驱动的恒定传感器电流，而正向电压值在所选择的温度灵敏点处测量。

由此，在Plesz,B.等人2011年中公开的方法，类似于晶片附接测试的其他已知方法，是过于耗时的并且过于复杂以至于不能集成在生产线中，具体为在装配光伏模块之前。换言之，该测试方法无法集成或自动化为光伏电池组件的制造处理的一部分，并且仅可以在稍后的阶段在采样基底上实施，比如对于已经完全装配的光伏电池组件的操作期间的装置特性描述。

因此，在Plesz,B.等人2011年中公开的方法不可用于防止装配包括一个或更多个有缺陷光伏电池组件的完全光伏模块。

换言之，光伏行业中强烈需要用于高效监测光伏电池组件中的晶片附接质量的合适方法。具体地，需要允许立即，优选地在被传送到用于装配光伏模块的装配线之前，丢弃不可用的光伏电池组件的在线监测方法。

发明的目的

因此，本发明的目的是提供将前面提及的问题考虑在内的、测试光伏电池组件的晶片附接的方法。具体地，本发明的目的是提供快速且可靠的测试方法，因此提供可以用于为了具体在装配光伏模块之前丢弃有缺陷的组件而在光伏电池组件的制造处理期间在线测试和/或监测晶片附接的方法。

发明内容

本发明的目的凭借根据本发明的一方面的用于测试光伏电池组件的晶片附接的方法来实现。本发明的其他方面描述了有利特征，并且还将在下文中详细说明。

本发明利用可以跨基本上为一系列p-n结的光伏电池测量的正向电压的已知温度敏感性来测试已装配光伏电池与热沉的晶片附接质量。从而，可以容易地检测导致光伏电池在热沉上的错误放置或附接的不充分粘附、间隙或空隙。

具体地，在电流的施加期间可以监测光伏电池组件的电压，并且因此可以监测电阻。电流可以优选地为高的正向电流。还可以优选地为电流脉冲或一系列脉冲。光伏电池充当电阻元件，并且在电流的注入期间快速升温。然后通过测量电流注入期间跨光伏电池的电压来记录加热的程度。

所测量的电压可以用于确定光伏电池组件的电阻。在优选实施方式中，电压测量和/或电阻的确定可以使用2线感测法来进行。对于较准确的测量，优选4线感测法。典型测试设备可以包括能够供给足够电流的可编程低噪声DC电源和具有足够精度和速度的快速电压表。

与对LED与安装基板之间的晶片附接的瞬态热测试的现有方法相比，本发明的方法使用加热电流的施加期间光伏电池的正向电压的变化。由此，监测正向电压的演变，而不是监测施加加热电流脉冲之前和之后的电压。

由此，凭借本发明的方法，电流注入期间电压降的程度提供对光伏电池组件的晶片附接的直接测量，换言之，光伏电池与组件的基底即热沉之间的热接口的质量的直接测量，借此，可以识别并筛选未被充分接合的光伏电池组件。

进一步地，类似于在瞬态热测试的已知方法中，在本发明的方法中，被测装置(DUT)必须能够不被损坏地承受加热电流。在已装配光伏电池的情况下，光伏电池必须能够承受高的电流值，因为这些高的电流值提高测量精度。

进一步地，对于所注入的电流脉冲，较长的脉冲持续时间进一步提高测量精度。然而，期望将测试保持为尽可能短而同时对于识别有缺陷光伏电池组件足够可靠。由此，可以使用并且已经发现是有利的是在从大约50ms到大约150ms的范围内的脉冲持续时间，优选地为从大约80ms到大约100ms，具体为大约90ms。

由此，因为本发明的电测试可以在非常短的时间帧中进行，所以它不仅可以被实施为采样或特性描述测试，还且特别是可以被实施为在线测试。换言之，本发明的方法提供一种可用于被制造的所有装置的测试，该测试可以在光伏电池组件的生产线中的装配之后立刻进行。

本发明方法的主要优点在于不需要任何外部温度传感器。实际上，光伏电池本身充当温度传感器。然而，与已知热瞬态测试方法相比，热阻Rth的绝对值的测量对于本发明的方法不相关。由此，不需要光伏电池的温度校准。与在工作条件下对完全装配光伏模块中的光伏电池的晶片附接的热瞬态测试的时间昂贵的已知方法相比，本发明具有优点在于可以用于在线监测，因为完全避免了温度校准的耗时的步骤。实际上，甚至非常短的热量斜坡也得到可靠的检测。

进一步地，因为本发明的方法仅需要评定跨光伏电池测量的电压的相对变化，所以被独立测试的装置之间不可避免的差异仅对测量具有可忽略的影响。另外，因为测试仅为电的，所以在合适测试设备的情况下，测量精度和可重复性就可以非常好。

在已装配的光伏电池还包括旁路二极管时，该二极管的晶片附接可以与光伏电池类似的方式来测试。

进一步地，本发明的测试方法可以用于描述任何类型的晶片附接的特性，比如通过钎焊、焊接、粘接剂接合、烧结等执行的晶片附接。

换言之，本发明的方法比晶片附接测试的已知方法较快且不复杂，因此可以集成在光伏电池组件的生产线中。具体地，本发明的方法可以用于在光伏电池组件的装配之后立刻挑选出具有有缺陷晶片附接的光伏电池组件，因此防止它们随后用于光伏模块中。因此，提高了在生产线末端处提供以随后用于光伏模块中的已装配光伏电池的质量和可靠性，借此，也提高了完全装配的光伏模块的质量和可靠性。

本发明的方法不仅可用于识别具有有缺陷晶片附接的光伏电池组件。该方法还可以用于总体改进制造处理，以实现已装配光伏电池的较低热阻。改进装配处理还可以得到降低处理变化。具体地，本发明的方法可以补充与光伏电池的其他功能方面有关的其他在线电测试，借此，在总体上提高已装配光伏电池的质量。

附图说明

下文中将基于结合以下附图描述的有利实施方式来更详细地描述本发明：

图1在框图中示意性例示了本发明方法的第一示例性实施方式；

图2在另外的框图中示意性例示了本发明方法的第二示例性实施方式；

图3示意性例示了用于进行本发明方法的示例性设置；以及

图4示意性例示了对于利用本发明方法测试的光伏电池组件观察的示例性相对电压降。

具体实施方式

图1在框图中示意性例示了根据本发明的方法的第一示例性实施方式。在第一步骤100中，提供已装配光伏电池或光伏电池组件，以测试其晶片附接质量。

在第一实施方式中，光伏电池组件包括附接到热沉的光伏电池。在优选变型例中，光伏电池可以为聚光光伏(CPV)电池。进一步地，电池到热沉的附接可以用晶片附接的通常方法来进行，诸如钎焊、焊接、粘接剂接合、烧结等。为了简单起见，第一实施方式的光伏电池组件包括一个光伏电池。然而，应理解的是通过对单独电池或对多个电池进行测量，例如在包括彼此串联和/或并联的多个电池的光伏电池组件中的多个电池，包括超过一个光伏电池的光伏电池组件的晶片附接质量也可以在各种电池上使用本发明的方法来测试。

在另外的变型例中，已装配的光伏电池还可以包括旁路二极管，该旁路二极管电连接到一个或更多个光伏电池而且也附接到热沉。由此，本发明的方法还可以用于以与下文中对于光伏电池本身描述的类似方式测量已装配光伏电池的旁路二极管的晶片附接质量。

在第一实施方式中，在随后的步骤101中，将电流注入到要测试的光伏电池组件中。电流比如可以使用可编程低噪声DC电源等来注入。为了保持测试尽可能短，特别是在测试被实施为在线测试的时候，优选的是注入短电流脉冲。由此，在第一实施方式中，所注入电流脉冲的持续时间从50ms到150ms变化，优选地为从80ms到100ms变化，并且具体可以为大约90ms。通常，观察到较长的持续时间提高测量精度，但增加总测试时间。由此，虽然发现以上所给出的值是有利的且因此是优选的，但在第一实施方式的变型例中，比如当在生产线外部实施测试的时候，还可以注入具有较长持续时间的电流脉冲。

为了进一步提高测量的精度，电流还可以优选地为高的电流。由此，在第一实施方式中，将在从大约0.5A到大约8A范围内的高的电流脉冲注入到光伏电池组件中。

根据本发明的方法，在电流注入期间，在大致并行的步骤102中，测量跨光伏电池的正向电压。具体地，在电流注入的整个持续时间期间测量正向电压。由此，在第一实施方式中，在高的正向电流脉冲的持续时间期间测量电压。为此，可以使用具有足够精度和速度的快速电压表，使得为了在脉冲持续时间期间产生正向电压的基本上连续的测量结果而可以连续或至少非常快速地进行测量。图3例示了可用于进行第一实施方式中的方法的示例性仪器设置，并且图4例示了在高的电流脉冲的整个持续时间期间跨所测试光伏电池的电压的变化的图，并且下文中将讨论该变化。

由此，在第一实施方式中，可以使用电源205(优选地为远程控制的DC电源)和电压表204(优选地为快速电压表)凭借设置(诸如图3所例示的设置)确定光伏电池组件200的太阳能电池201与热沉202之间的晶片附接203的质量。根据本发明的方法，如参照图1和第一实施方式中的步骤101描述的，可以使用电源205来如上所述的将电流(优选地为高的电流，更优选地为高的电流脉冲)注入到光伏电池组件200中。然后可以如参照图1和第一实施方式中的步骤102描述的使用电压表204来测量跨光伏电池201的电压。在变型例中，也如图3例示，还可以使用控制器和/或数据记录器206。

在第一实施方式中，使用4线感测法来获得跨光伏电池的准确正向测量结果。由此，在第一实施方式的变型例中，还可以使用4线电阻测量，借此，还可以确定光伏电池的电阻。另选地，如果较低的准确性是可接受的，则还可以使用2线感测法或电阻测量。

在随后的步骤103中，确定在电流脉冲的持续时间期间的相对电压降。比如可以使用图3所例示的数据记录器206来存储与电压有关的数据并输出图4所例示的类型的图，图4示出了在电流注入的持续时间期间的相对电压降，具体是在优选地高的电流脉冲的持续时间期间的相对电压降。由此，可以使用本发明的方法快速且高效地描述所测试光伏电池组件的晶片附接的特性，因为相对电压降直接反映光伏电池与基底热沉之间的界面层的热传递特性。

在第一实施方式中，不需要外部温度传感器。此外，根据本发明的方法，不需要热阻Rth的绝对值的测量结果。由此，不需要具体的温度校准，与领域中已知的用于描述工作条件期间完全装配的光伏模块中的光伏电池组件的晶片附接的特性的热瞬态测试方法相比，显著简化了晶片附接质量测试。

图2示意性例示了本发明方法的第二示例性实施方式。为了简单，第二实施方式继续以上所描述的第一实施方式。然而，第二实施方式还可以凭借第一实施方式的任何变型例来实施。

在确定在高脉冲电流的持续时间期间跨光伏电池的相对电压变化的步骤103之后，第二实施方式包括将相对电压降与预定值进行比较的另外步骤104，该预定值具体为公差阈值，超过该公差阈值将晶片附接定义为有缺陷。这例如可以使用由图3所例示的示例性设置中的控制器/数据记录器206输出的数据来实现。

在特定实施方式中，电流可以被选择为高于预定阈值，在该预定阈值以上如果没有足够热量交换发生则将损坏光伏电池。该阈值依赖于电池特性，并且可以被容易地建模。与现有技术相比，本发明的方法不需要扫描两个测量点之间的完整加热序列。由此，为了进一步减少评价晶片附接质量所需的时间，可以选择在该劣化阈值上方的电流。在逐渐控制的测量序列期间电流和电压阈值的高效组合允许提高采样光伏电池组件的吞吐量。

由此，如果所确定的相对电压降在所接受公差值上方，那么在随后的步骤105中，由于具有有缺陷的晶片附接，丢弃所测试的光伏电池组件。否则，在随后的步骤106中，将其保留作为具有经过验证的晶片附接的光伏电池组件。

在更加严酷的测试环境中，为了定义用于丢弃这种电池的一个或更多个准则，可以使用由于因为低的晶片附接质量而不能提取的额外热量而导致的光伏电池的劣化。

在第二实施方式中，本发明的测试方法被执行为并入在用于装配光伏电池的生产线中的电在线测试。在其变型例中，该测试方法可以作为单独的测试并入，在生产线外部，比如仅作为特性描述测试。在变型例中，相反该测试方法可以在光伏组件装配线的起点处使用，以确保已装配的模块仅包括具有经过验证晶片附接的光伏电池组件。在所有这些变型例中，可以使用图3所例示的示例性设置或其变型例。

如以上所提及的，图4是例示了可通过在所注入电流的持续时间期间使用设置(诸如图3所例示的示例性设置)监测跨比如第一实施方式或第二实施方式中被测试的光伏电池组件的光伏电池的正向电压测量的示例性相对电压降的图。在该示例中，电流脉冲在电流脉冲开始时间t＝6ms时注入在已装配光伏电池中，具体包括相当小的标准三联点聚光太阳能电池。电压V在所注入电流脉冲的持续时间期间跨光伏电池连续测量。初始电压峰值在电流脉冲开始时在Vmax＝3322mV处测量。在图4所例示的示例中，在大约86ms之后，电压已经连续降至值Vmin＝3257mV，这得到在大约90ms的脉冲持续时间期间大约Vdrop＝1.96％的相对电压降。

在图4所例示的示例中，相对电压降允许识别有效的晶片附接。因此，被测试的光伏电池组件的特性被描述为有效，因此在紧接测试的结果之后被保留。对于相当小的标准三联点聚光光伏太阳能电池，相对电压降阈值由此可以为大约2％。然而，在另外实施方式中，相对电压降阈值可以依赖于电池的类型和尺寸、晶片附接方法、装配处理或其他测试参数而变化。

由此，如果在光伏电池组件的生产线的末端处比如遵循图2所例示的第二实施方式执行本发明的测试方法，则可以立即选择具有良好晶片附接的光伏电池组件(步骤106)。然后可以选择良好的光伏电池组件，以进一步使用，具体用于完全装配的光伏模块。相比之下，可以立即识别并丢弃具有有缺陷晶片附接的光伏电池组件(步骤105)，使得它们不用于装配光伏模块的处理中。由此，本发明的电在线晶片附接测试方法提高在生产线末端处提供的光伏电池组件的质量。

在以上所描述的实施方式及其变型例中，本发明的方法可以与制造处理分开实施。比如，为了丢弃无效的光伏电池组件，可以在模块的装配处理之前使用本方法来测试提供到光伏模块制造方/装配方的光伏电池的晶片附接质量。

在优选变型例中，本发明的方法可以被实施为光伏电池制造处理的一部分，因此实施为在线测试。比如，光伏电池一与对应的热沉装配，就可以使用方法来从具有有缺陷晶片附接的光伏电池组件立即选择可用光伏电池组件。由此，测试在各种装配处理中越早实施，就可以越早地丢弃有缺陷的光伏电池组件。这对于将已装配的光伏电池提供到第三方诸如模块制造方的光伏电池制造者是有利的。它对于将已装配的光伏电池重新导向到模块装配线的制造者和装配者也是有利的。在任何一种情况下，将仅选择具有良好晶片附接质量的已装配电池以将来使用。

从上文可以得出，本发明的方法不仅可用于识别具有有缺陷晶片附接的光伏电池组件，还用于在总体上改进它们的制造处理，例如通过实现已装配光伏电池的较低热阻或通过改进处理以降低处理变化。由此，总体上，本发明允许用于处理优化的短的反馈回路。具体地，本发明的方法可以补充与光伏电池的另外功能方面有关的其他在线电测试，借此，在总体上提高已装配光伏电池的质量。

从上文可以得出，本发明方法的任何实施方式及其变型例可以集成在光伏电池生产线中和/或光伏模块装配线中。具体地，本发明的方法可以用于在生产线的末端处和/或在模块装配线的早期阶段中电在线测试已装配光伏电池的晶片附接质量。

由此，可以筛选具有有缺陷晶片附接的光伏电池组件并避免将其用于稍后的阶段。因此，与现有技术相比提高了在生产线末端处提供的已装配光伏电池的质量和可靠性，借此，也提高了最终产品诸如完全装配的光伏模块的质量和可靠性。

Claims (14)

1.一种用于测试光伏电池组件的晶片附接的方法，该方法包括以下步骤：

提供包括附接到热沉的至少一个光伏电池的光伏电池组件(100)，其中，所述光伏电池组件还包括旁路二极管，该旁路二极管附接到所述热沉并且电连接到所述至少一个光伏电池；

将电流注入到所述光伏电池组件中(101)；

测量电流注入期间跨所述至少一个光伏电池的电压(102)；以及

确定在所述电流注入的持续时间期间的相对电压降(103)，

其中，所述方法还包括以下步骤：测量在电流注入期间跨所述旁路二极管的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：确定在所述电流注入的所述持续时间期间的所述相对电压降是否高于预定阈值(104)。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：确定在所述电流注入的所述持续时间期间的所述相对电压降是否比2％高。

4.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：如果所确定的相对电压降高于所述预定阈值，则丢弃所测试的光伏电池组件(105)。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：如果所确定的相对电压降低于或等于所述预定阈值，则保留所测试的光伏电池组件(106)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：确定在电流注入期间所述至少一个光伏电池或旁路二极管的电阻。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，测量所述电压的步骤通过4线或2线感测法来进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，测量所述电压的步骤通过4线感测法来进行。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所注入的电流是高电流。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所注入的电流在从0.5A到8A的范围内。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，注入电流的步骤(101)包括注入单个电流脉冲。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电流脉冲的所述持续时间在从50ms到150ms的范围内。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电流脉冲的所述持续时间在从80ms到100ms的范围内。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电流脉冲的所述持续时间为90ms。

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