CN109817746A - 汇流条、太阳能电池组件及太阳能电池组件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
发明涉及太阳能发电领域，本发明实施例公开了一种太阳能电池汇流条、一种太阳能电池组件和一种制作太阳能电池组件的方法。本发明的一种技术方案为：采用纯铝汇流条，使用超声波焊接方法焊接汇流条和太阳能电池的电极层，使两者接触的表面牢牢结合，形成良好的欧姆接触，使汇流条能够很好的传输太阳能电池产生的电能，相比于现有技术需要使用昂贵的导电胶或导电银浆涂覆后，再使用结构复杂的进口的热熔锡焊接设备焊接，材料和设备成本更低，操作精度要求更低，降低了薄膜太阳能电池的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池组件领域，尤其涉及太阳能电池组件及其汇流条的焊接方法。
背景技术
目前，在光伏太阳能行业，汇流条是指太阳能电池在组件封装过程中串联或者并联汇流输出电路正极和负极的金属导电条。在采用钼膜层作为薄膜太阳能电池组件电极的技术路线中，一般采用导电胶将粘结汇流条的方式，或者利用高温热熔焊的方式。此种方法焊接的汇流条在高温或潮湿的环境中，容易开裂。同时，此类点胶设备要求控制精度高，工艺复杂，生产效率低。并且，为了降低接触电阻，导电胶需要添加价格昂贵的贵金属，例如金属银，导致此类组件的制造成本高。因此，一种汇流条可靠性高的、成本低廉的薄膜太阳能电池组件是本领域一个迫切需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个实施例是提供一种太阳能电池汇流条，该汇流条为纯铝汇流条，该汇流条的特征在于：
汇流条为含铝量大于99.00％的汇流条；
汇流条的抗压强度在90MPa/mm2至140MPa/mm2之间；
汇流条的延伸率大于10％；
本发明的另一个实施例是提供一种利用上述类型的汇流条的一种太阳能电池组件，其包括：
基板；
在基板的上方铺设有第一电极层；
在第一电极层上设置有上述类型的汇流条，该汇流条与所述第一电极层直接接触，汇流条与电极层之间不含有任何粘结物或焊接料。
其中，
该太阳能电池组件的汇流条的宽度为1mm-5mm；
该太阳能电池组件的汇流条的厚度为0.05mm-0.2mm；
该太阳能电池组件的第一电极包括金属钼，为金属钼形成的钼电极层。
本发明的另一个实施例是提供一种制作太阳能电池组件的方法，该方法包括：
提供基板；
在基板上铺设第一电极层；
将上述类型的汇流条铺设在第一电极层上，使汇流条与所述第一电极层直接接触；
利用超声焊接方法将所述汇流条焊接到第一电极层上。
其中，超声焊接方法的超声频率为20KHz-60KHz，优选超声频率为35KHz；
在通过超声焊接方法将汇流条焊接到第一电极层上的过程中，对汇流条施加10N-50N的焊接压力，焊接压力为28N；
将汇流条焊接到第一电极层上的焊接速度控制在10mm/s-50mm/s，焊接速度为25mm/s。
本发明实施例公开了一种太阳能电池汇流条、一种太阳能电池组件和一种制作太阳能电池组件的方法。采用纯铝汇流条，使用超声波焊接方法焊接汇流条和太阳能电池的电极层，使两者接触的表面牢牢结合，形成良好的欧姆接触，使汇流条能够很好的传输太阳能电池产生的电能，相比于现有技术需要使用昂贵的导电胶或导电银浆涂覆后，再使用结构复杂的进口的热熔锡焊接设备焊接，材料和设备成本更低，操作精度要求更低，降低了薄膜太阳能电池的生产成本。
附图说明
图1为本发明的太阳能电池组件的结构示意图；
图2为本发明的太阳能电池组件未封装状态的俯视图；
图3为本发明的太阳能电池组件中汇流条的位置示意图；
图4为本发明的制作太阳能电池组件的流程图。
具体实施方式
薄膜太阳能电池组件通常为在一种基板表面层叠有金属背面电极层、p形光吸收层、高电阻缓冲层、n形窗口层(透明导电膜)等各层的薄膜太阳能电池组件，在其金属背电极层电流导出部分上焊接汇流条，然后再通过利用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂(Ethylene-Vinyl Acetate，EVA)、聚乙烯醇缩丁醛树脂(PolyVinyl Butyral，PVB)等具有密封效果的填充材料与前封装玻璃进行封装。
如图1所示，本发明的太阳能电池组件，至少包括：基板110；在基板110的上方形成的第一电极层120，在所述第一电极层120的上方形成的第二层(130,140,150)，所述太阳能电池组件进一步包括在第一电极层上未形成第二层的汇流条连接区域，在汇流条连接区域上设置有汇流条，本发明中汇流条为铝制汇流条，且汇流条与第一电极层直接接触，其中，汇流条中含铝量大于99.00％。
本发明中的铝制汇流条的参数为：
铝含量大于99.50％
延伸率至少为10％，
抗压强度在90MPa/mm2至140MPa/mm2之间，
屈服强度在40MPa至90MPa之间，
当所述铝条的温度为20℃时，所述铝条的电阻率最多大为100mΩ·mm2/m。
采用纯铝材质作为汇流条，具备良好的导电性，并且铝的价格比现有的镀锡银铜带的价格低，使用纯铝作为薄膜太阳能电池的汇流条可以降低薄膜太阳能电池的生产成本。同时，铝制汇流条具备抗压强度在90MPa/mm2至140MPa/mm2之间，屈服强度在40MPa至90MPa之间的特性，能够利于汇流条与电极之间的焊接，降低汇流条损坏的可能性，同时避免漏焊、焊后开裂的情况。
基板110作为电池组件的基层，可以支撑其他层，基板可以是玻璃，例如浮法玻璃，也可以是其他材质，例如陶瓷、金属等。第一电极层120是金属电极，可以通过物理沉积方法将金属钼沉积于基板110上，其作为电池组件的电极引出电流。通常，在基板110上沉积第一电极层120之前设置阻挡层，阻挡层居于基板与第一电极层之间，阻挡层的作用是阻挡基板中的有害元素在电池组件的后期加工中进入其他层，影响或降低电池组件的光转换限流。有时，在未设置第二层时，在第一层上设置碱性金属层，以有利于提高电池组件的光转换效率。因此，第一层也可以包括阻挡层、碱性金属层等。
在第一层上设置有光吸收层130、缓冲层140和透明电极层150，本发明以CIS(CuInSe2系即包含CIS、CIGS、CIGSS等的总称)系薄膜太阳能电池组件说明(其中CIGS为铜铟镓硒材料)，光吸收层130包括CIGS材料，当然也可以是由其他材质制成的光吸收层，例如砷化镓、碲化镉等。缓冲层140为硫化镉层，透明电极层150为氧化铝或掺杂其他金属元素的氧化铝或其他金属氧化物。因此，第二层包括光吸收层130、缓冲层140和透明电极层150。
电池组件的最上层为封装层160，封装层160通常为钢化玻璃，封装层与基板通过粘结剂粘结在一起，并且在两层之间的边缘设置有密封装置。
图2为太阳能电池组件未封装状态的俯视图。通常，在形成第一电极层之后将第一电极层切割成多个独立的平行单元。如图2所示，该电池组件的长度方向为切割方向，在该电池组件的长度方向两端处，第一电极层120的端部到基板110的端部具有未铺设第一电极层120的第一区域，属于第二层的光吸收层130、缓冲层140和透明电极层150的端部到基板110的端部具有未铺设光吸收层130、缓冲层140和透明电极层150的第二区域，其中，第二区域的宽度大于第一区域的宽度，因此在第一电极层的两端形成了汇流条连接区域111。如图1所示，垂直于长度方向观看，电池组件两端形成了具备台阶状层叠结构。
汇流条连接区域111具有一定的宽度，以便第一电极层与汇流条在汇流条连接区域111处连接。汇流条连接区域111的宽度与导出电流的大小以及加工工艺相关，汇流条连接区域的宽度越大，越有利于电流的导出，相对加工工艺简单，但是汇流条连接区域处不发生光电转换，太阳能电池组件的整体效率会降低。因此，对于功率相对小的太阳能电池组件，汇流条连接区域的宽度可以为1mm，甚至更小，只要能满足导出电流的要求即可，这样避免了降低太阳能电池组件的整体效率。对于功率相对较大的电池组件，其导出的电流会相对较大，因此，需要宽度较大的汇流条连接区域，此时汇流条连接区域宽度可以为2mm。同时，考虑到汇流条连接区域的加工工艺，以及汇流条焊接的难易程度，汇流条连接区域的宽度可以为3mm，4mm，5mm，6mm等，如果不考虑电池组件效率的情况下，汇流条连接区域的宽度可以更宽。
汇流条连接区域111上连接有汇流条112，在本发明中，汇流条为纯铝条。汇流条采用纯铝材质。纯铝价格比镀银、镀锡等其他材质的价格低，且纯铝条与金属钼形成的第一电极层有更好的结合力。在本发明中，纯铝条中铝的含量至少为99.00％，可以为99.50％或更高。其中含铝量越高，越有利于电流的导出，电阻越低，且有利于汇流条与钼层的连接。汇流条的宽度应小于汇流条连接区域的宽度，这样有利于汇流条的连接，且避免由于加工汇流条连接区域的偏差导致汇流条无法完全焊接在钼层上。如果汇流条宽度太小，在焊接过程中容易损坏，并且相对窄的汇流条无法导出相对大的电流。如果汇流条宽度太大，会浪费材料，浪费加工时间，降低加工效率。因此，汇流条的宽度可以为1mm,2mm,3mm,4mm,5mm等。根据导出电流的大小及汇流条焊接工艺要求，汇流条的厚度应为0.1mm，在功率较小的太阳能电池组件中且焊接精度较高的工艺中，汇流条的厚度可以为0.05mm，在相对功率较大的太阳能电池组件中且焊接精度较底的工艺中，汇流条的厚度可以为0.15mm或0.2mm。如果汇流条厚度太厚，其连接到钼层上的难度增加，会产生翘曲等其他缺陷。
进一步地，汇流条的延伸率至少为10％，较高的延伸率可以避免铝条在焊接过程中的损坏。汇流条的抗压强度在90MPa/mm2至140MPa/mm2之间，防止在塑性和超声波焊接时将其压裂，造成汇流条的破坏。较低或较高的抗压强度无法很好的实现汇流条与钼层之间的焊接，并且较高的抗压强度会提高汇流条制备的困难程度，增加制造成本。其中，汇流条的屈服强度在40MPa至90MPa之间，在超声波焊接对汇流条施加压力时，不会使汇流条破坏，较低或较高的屈服强度无法很好的实现铝条与钼层之间的焊接，并且较高的屈服强度会提高铝条制备的困难程度，增加制造成本。在常温下，默认常温温度为20℃时，汇流条的电阻率最多为100mΩ·mm2/m，使汇流条具有良好的导电性，避免薄膜太阳能电池产生的电量在传输的过程中损失过多。
另一方面，本发明实施例提供了上述太阳能电池组件的制作方法，如图4所示，该方法包括：
200，提供基板；
210，在基板上铺设第一电极层；
具体地，可以利用物理沉积或化学沉积工艺，在基板上铺设金属钼层。在金属钼层上，铺设包括铜、铟、镓的半导体层，在半导体层上铺设第二电极层。即，在基板上形成包括第一电极层的第一层，在第一电极层上形成包括半导体层、第二电极层的第二层。此方法还包括在基板上设置阻挡层，在金属钼层上设置碱金属层等，在基板、第一电极层、半导体层、第二电极层任意一层的底部或顶部也可以设置其他层。
通过喷砂工艺除去基板边缘的金属钼层、半导体层、第二电极层等，以将基板和第一电极层暴露。具体地，从第一层的端部到所述基板的端部之间形成未铺设第一层的第一区域，在所述第二层的端部到所述基板的端部之间形成未铺设第二层的第二区域，第二区域的宽度大于第一区域的宽度，从而形成第一电极的汇流条连接区域。
220，将汇流条铺设在第一电极层上，使汇流条与第一电极层直接接触；
具体地，将汇流条沿着第一电极层的汇流条连接区域的长度方向(电池组件的长度方向)铺设。其中，汇流条与第一电极层的汇流条连接区域之间直接接触，无需涂有任何粘结剂、焊接材料等，更能够节省材料，降低成本。如图3所示，当汇流条的宽度小于汇流条连接区域的宽度时，汇流条的宽度方向的一个边缘可以与汇流条连接区域的内侧边缘114对齐，汇流条的宽度方向的一个边缘也可以与汇流条连接区域的外侧边缘113对齐，也可以将汇流条宽度方向的中心线与汇流条连接区域的宽度方向的中心线对齐。优选地，汇流条的宽度方向的中心线与汇流条连接区域的宽度方向的中心线对齐，以避免由于汇流条连接区域的尺寸变动而造成的铝条挤压或是悬空于汇流条连接区域之上。
230，利用超声焊接方法将汇流条焊接到第一电极层上；
超声焊接装置的焊接头对汇流条施加焊接压力和超声波，以使汇流条抵靠金属钼层并使汇流条和金属钼层产生振动，使两者在接触面处融合，实现汇流条与金属钼层的结合。在超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将机械振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升，接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接，高频振动波传递到需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零，焊接的材料不熔融、不脆弱金属特性，对焊接金属表面要求低、氧化或电镀均可焊接，焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料，焊接无火花，环保安全。根据汇流条的厚度、纯度和接触面的宽度等参数，施加的焊接压力可以为10N、20N、30N、40N、50N等。如果焊接压力过小，会产生焊接不牢固的情况，如果焊接压力过大，会破坏对汇流条或金属钼层。超声波的频率可以为20KHz、30KHz、40KHz、50KHz、60KHz等，超声波的功率可以为100W-1200W。超声波的频率和功率是由汇流条的厚度、汇流条的含铝纯度、金属钼层的厚度、接触面的宽度等参数决定，因此，针对不同的太阳能电池组件，需要应使用不同的频率和功率。
再进一步地，焊接头会沿着铺设的汇流条的长度以一定速度移动，从而将整个汇流条焊接到金属钼层上。焊接头相对于汇流条的移动速度可以为10mm/s、20mm/s、30mm/s、40mm/s、50mm/s。当然，相对移动速度是无极限的，可以是上述速度范围内保护的其他任意速度。相对移动速度如果较慢，焊接时间会增长，降低生产效率，并且在同一区域内长时间施加超声波可能会破坏汇流条或金属钼层。相对移动速度如果较快，可能会产生焊接不牢固、漏焊的现象。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的汇流条及焊接方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
一方面，本发明实施例提供了一种汇流条，
汇流条为铝条，
铝条的纯度为99.50％，
铝条的延伸率为10％，
铝条的抗压强度为110MPa/mm2，
铝条的屈服强度为83MPa，
铝条的侧弯最多为5mm/m，
铝条的宽度为2.9mm，宽度的误差±0.1mm，
铝条的厚度为0.100mm，宽度的误差±0.010mm，
当铝条的温度为20℃时，铝条的电阻率最多为100mΩ·mm2/m，
表面无污点、无碎片、无毛边、无凹痕、无霉点、无任何机械缺陷及折痕的铝条作为汇流条。
当超声波频率为35KHz，超声波焊机功率为900W，焊接电压为3.0V，焊接速度为25mm/s，气压为25N时，将铝带焊接到钼层上，得到焊接铝带A。采用拉力计对焊接到钼层上的铝带A采用反向180°拉脱测试得到焊接后剥离强度为5.03N/cm；当超声波频率为35KHz，超声波焊机功率为900W，焊接电压为3.0V，焊接速度为22mm/s，气压为28N时，将铝带焊接到钼层上，得到焊接铝带B。采用拉力计对焊接到钼层上的铝带B采用反向180°拉脱测试得到焊接后剥离强度为5.42N/cm。实验结果显示本申请的技术方案在使用中性能良好。
对采用上述两个铝带A、B及焊接效果的耐高低温冲击性能(高低温循环冲击50个循环)进行实验：
对最大功率是123.43W、开路电压是106.35V、短路电流是1.7889A、粒子填充度是0.6488％、绝缘电阻987Ω的焊接汇流条进行高低温循环冲击50个循环后，焊接汇流条的最大功率是112.56W、开路电压是100.31V、短路电流是1.7947A、粒子填充度是0.6253％、绝缘电阻825Ω，功率衰减值为8.8％，小于常规技术要求10％，该焊接汇流条符合要求。
对最大功率是123.95W、开路电压是106.2V、短路电流是1.7747A、粒子填充度是0.6576％、绝缘电阻1753Ω的焊接汇流条进行高低温循环冲击50个循环后，焊接汇流条的最大功率是118.56W、开路电压是103.86V、短路电流是1.7863A、粒子填充度是0.6391％、绝缘电阻1049Ω，功率衰减值为4.3％，小于常规技术要求10％，该焊接汇流条符合要求。
对上述获得两个汇流条A、B及焊接效果的耐高低温冲击性能(高低温循环冲击200个循环)进行实验：
对最大功率是139.78W、开路电压是107.77V、短路电流是1.768A、粒子填充度是0.729％、绝缘电阻1059Ω的焊接汇流条A进行高低温循环冲击200个循环后，焊接汇流条的最大功率是138.46W、开路电压是107.72V、短路电流是1.765A、粒子填充度是0.7281％、绝缘电阻952Ω，功率衰减值为0.944％，小于常规技术要求10％，该焊接汇流条通过测试。
对最大功率是140.3W、开路电压是108.130V、短路电流是1.761A、粒子填充度是0.731％、绝缘电阻1280Ω的焊接汇流条B进行高低温循环冲击200个循环后，焊接汇流条的最大功率是134.16W、开路电压是108.040V、短路电流是1.758A、粒子填充度是0.7064％、绝缘电阻1021Ω，功率衰减值为4.38％，小于常规技术要求10％，该焊接汇流条通过测试。
对焊接汇流条的薄膜太阳能电池进行反向电流过载试验：
验证采用本方案后当薄膜太阳能电池组件在发生反向电流的故障时，并在电路中所装的过流保护器断开电路之前，薄膜太阳能电池和汇流条将被迫发热以消耗能量，以确定在这种状态下组件对燃点和火灾的承受能力，该实验选择铜铟镓硒薄膜太阳能电池和半软态铝带，实验结果为组件不燃烧，与组件接触的粗棉布和薄纱布没有燃烧，烧焦湿漏电测试绝缘电阻≥40MΩ/m2，符合组件没有燃烧，与组件接触的细纱棉布和白薄纸也没有燃烧或焦斑的要求，该焊接汇流条的薄膜太阳能电池通过测试。
实验结果显示本申请的技术方案在使用中性能良好。
本发明实施例提出的一种汇流条与薄膜太阳能电池的焊接方法，汇流条采用高纯度的超软铝带，汇流条与薄膜太阳能电池的焊接方法为超声波焊接，超声波焊接方法将汇流条与薄膜太阳能电池压接在一起，使两者接触的表面牢牢结合，形成良好的欧姆接触，使汇流条能够很好的传输薄膜太阳能电池产生的电能，相比于现有技术需要使用昂贵的导电胶或导电银浆涂覆后，再使用结构复杂的进口的热熔锡焊接设备焊接，材料和设备成本更低，操作精度要求更低，降低了薄膜太阳能电池的生产成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种太阳能电池汇流条，其特征在于，
所述汇流条为含铝量大于99.00％的汇流条；
所述汇流条的抗压强度在90MPa/mm2至140MPa/mm2之间；
所述铝条的屈服强度在40MPa至90MPa之间。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池汇流条，其特征在于，
所述汇流条的延伸率大于10％。
3.一种太阳能电池组件，其特征在于，包括：
基板；
在所述基板的上方铺设有第一电极层；
在所述第一电极层上设置有如权利要求1所述的汇流条，所述汇流条与所述第一电极层直接接触。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池组件，其特征在于，
所述汇流条的宽度1mm-5mm。
5.根据权利要求3所述的太阳能电池组件，其特征在于，
所述汇流条的厚度为0.05mm-0.2mm。
6.根据权利要求3所述的太阳能电池组件，所述第一电极层包括金属钼。
7.一种制作太阳能电池组件的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供基板；
在所述基板上铺设第一电极层；
将权利要求1所述的汇流条铺设在所述第一电极层上，使所述汇流条与所述第一电极层直接接触；
利用超声焊接方法将所述汇流条焊接到所述第一电极层上。
8.根据权利要求7所述的制作太阳能电池组件的方法，其特征在于，
所述超声焊接方法的超声频率为20KHz-60KHz；
所述超声频率为35KHz。
9.根据权利要求7所述的制作太阳能电池组件的方法，其特征在于，
在通过超声焊接方法将所述汇流条焊接到所述第一电极层上的过程中，对所述汇流条施加10N-50N的焊接压力；
所述焊接压力为28N。
10.根据权利要求7所述的制作太阳能电池组件的方法，其特征在于，
将所述汇流条焊接到所述第一电极层上的焊接速度控制10mm/s-50mm/s；
所述焊接速度25mm/s。
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