CN109877454B - 薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，包括以下步骤：(1)通过夹具将待焊接的不锈钢与铜箔贴合紧；(2)采用单模光纤激光器作为激光光源，采用高速振镜对激光束传导，并采用长聚焦透镜对激光束聚焦，通过高速振镜引导聚焦激光束在产品表面运行“十字架”轨迹，使得不锈钢与铜箔熔化后焊接在一起。本发明可以实现薄膜太阳能电池电极材料不锈钢与铜箔的可靠焊接，采用单模光纤激光器作为激光光源，焊接质量好且效率高，还能减少材料热变形，采用长聚焦透镜对激光束聚焦，焊接幅面大，进一步提高焊接效率，满足降低薄膜太阳能电池生产成本的需求。

Description

薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光束加工领域，尤其涉及一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法。

背景技术

铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se_2,CIGS)薄膜太阳电池自20世纪70年代出现以来，得到非常迅速的发展，并已经完全实现产业化生产，在光伏领域应用广泛。CIGS薄膜太阳能电池可以选择玻璃、金属箔(带)、聚酰亚胺(PI)等材料作为衬底。其中不锈钢衬底耐高温，具有较为匹配的热膨胀系数且适用于卷对卷生产工艺，在柔性CIGS薄膜太阳电池的产业化和光伏应用中前景广阔。

目前对薄膜太阳能电池电极的焊接主要采用超声波焊接方式。如专利《一种太阳能电池电极的超声波焊接设备》，中国，公开号：101110458A。超声波焊接过程中产生的高频电磁对人体有一定危害，主要体现在易引起皮肤灼伤；若长时间工作在有高频电磁场的环境中，可使某些器官的温度升高，出现植物性神经功能失调的症状，如头晕、乏力、记忆力减退、多梦和脱发等，见参考文献《塑料超声波焊接中的安全与防护》，作者田修波，杨士勤；杂志：《安全、健康和环境》，期号、刊号、页码：1997、1、5-7。超声波焊接与产品有机械接触且有一定压力，容易使产品产生变形，见参考文献《焊头几何尺寸对铜/铝超声波焊接接头塑性变形的影响》，作者李东，赵杨洋，张延松；杂志：热加工工艺，期号、刊号、页码：2013、42(9)、149-151。

在薄膜太阳能电池生产中，电极不锈钢和铜箔的焊接质量尤为重要，焊接的质量将直接影响电池的光电转化效率，电池的寿命。同时焊接的效率将影响整个生产流水线的效率，对于降低电池整体生产成本具有重要意义。现有的薄膜太阳能电池电极的超声波焊接方式，容易对人体产生危害，且焊接质量和焊接效率无法满足生产要求，因此，有必要提供一种新的薄膜太阳能电池电极焊接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，旨在用于解决现有的薄膜太阳能电池电极的超声波焊接方式容易对人体产生危害，且焊接质量和焊接效率无法满足生产要求的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，包括以下步骤：

(1)通过夹具将待焊接的不锈钢与铜箔贴合紧；

(2)采用单模光纤激光器作为激光光源，采用高速振镜对激光束传导，并采用长聚焦透镜对激光束聚焦，通过高速振镜引导聚焦激光束在产品表面运行“十字架”轨迹，使得不锈钢与铜箔熔化后焊接在一起。

进一步地，所述夹具包括位于铜箔一侧的磁性吸附板，通过磁性吸附板与不锈钢吸引将两层材料吸紧。

进一步地，所述夹具还包括升降机构以及安装座，所述升降机构安装在所述安装座上，所述磁性吸附板固定在所述升降机构上。

进一步地，所述安装座上还设置有用于对磁性吸附板的运动进行缓冲的缓冲机构。

进一步地，所述“十字架”轨迹包括两条垂直交叉的轨迹线，所述轨迹线为整体具有一定宽度的曲线。

进一步地，所述轨迹线的长度为1-4mm，宽度为0.04-0.08mm。

进一步地，所述单模光纤激光器的功率为50W-100W。

进一步地，所述聚焦激光束的运行速度为100-200mm/s。

进一步地，所述长聚焦透镜的焦距大于或等于330mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，可以实现薄膜太阳能电池电极材料不锈钢与铜箔的可靠焊接，采用单模光纤激光器作为激光光源，焊接质量好且效率高，还能减少材料热变形，采用长聚焦透镜对激光束聚焦，焊接幅面大，进一步提高焊接效率，满足降低薄膜太阳能电池生产成本的需求。该方法可以全面取代超声波焊接，在生产过程中不产生噪音等污染，是一种绿色环保的生产方式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接夹具的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种“十字架”轨迹的示意图。

附图标记说明：1-升降机构、2-磁性吸附板、3-安装座、4-缓冲机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，包括以下步骤：

(1)通过夹具将待焊接的不锈钢与铜箔贴合紧；

(2)采用单模光纤激光器作为激光光源，采用高速振镜对激光束传导，并采用长聚焦透镜对激光束聚焦，通过高速振镜引导聚焦激光束在产品表面运行“十字架”轨迹，使得不锈钢与铜箔熔化后焊接在一起。

本发明实施例提供的这种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，可以实现薄膜太阳能电池电极材料不锈钢与铜箔的可靠焊接，采用单模光纤激光器作为激光光源，焊接质量好且效率高，还能减少材料热变形，采用长聚焦透镜对激光束聚焦，焊接幅面大，进一步提高焊接效率，满足降低薄膜太阳能电池生产成本的需求。该方法可以全面取代超声波焊接，在生产过程中不产生噪音等污染，是一种绿色环保的生产方式。

本实施例采用单模光纤激光器作为激光光源，激光波长为1070nm，光束质量M2为1.05，其中M2是实际光束的束腰半径乘以实际光束的远场发散角/基膜高斯光速的束腰半径乘以基膜发散角，理论的M2值为1，M2值越接近1，表明光束质量越好。单模光纤激光器因为具有极佳的光束质量，激光聚焦在材料表面的光斑面积非常小，更容易得到高的功率密度(功率密度＝激光功率/激光作用在材料表面的面积)，高功率密度的激光作用在材料上，可以快速的将材料熔化并且进行焊接，提高焊接效率。由于薄膜太阳能电池电极不锈钢和铜箔的厚度都较小，焊接过程中容易产生热变形，采用单模光纤激光器，由于焊接需要输入的激光功率相对较少，即输入的总热量相对较少，可以有效减少不锈钢和铜箔的热变形。

作为本实施例的优选，所述夹具包括位于铜箔一侧的磁性吸附板2，不锈钢与铜箔运行到夹具上方时二者贴合，且不锈钢在上，铜箔在下，由于不锈钢材料具有导磁性，位于铜箔一侧的磁性吸附板2与不锈钢相互吸引从而将两层材料整体吸紧，保证两层材料之间没有间隙。由于磁性吸附板2与铜箔是整体面接触，非点接触，且不锈钢表面无机械接触，可以避免产品变形或者产生划痕。夹具的结构如图1所示，所述夹具包括还升降机构1、安装座3以及缓冲机构4。其中升降机构1固定在安装座3上，磁性吸附板2固定在升降机构1上，当产品到达位置后，升降机构1带动磁性吸附板2向上运动，与产品接触，产品为料带形式，前后两端拉紧，通过牵引机构将料带往前拉动，将需要焊接的区域拉动到夹具正上方，通过磁性吸附板2将不锈钢与铜箔贴合紧，升降机构向上运动过程中，由缓冲机构4对磁性吸附板2的运动进行缓冲，避免运动速度过快，防止夹具将产品撞击损坏。当焊接完成后，升降机构1带动磁性吸附板2向下运动，脱离产品，产品可以移走，完成焊接。

激光焊接时，在产品表面的每个焊接区域焊接一个“十字架”轨迹，所述“十字架”轨迹包括两条垂直交叉的轨迹线，轨迹线的长度可以设置。由于导电和焊接强度的需要，若轨迹线为单条直线，会导致焊接的熔合宽度不够，因此需要将轨迹线的宽度加宽。优选地，所述轨迹线为整体具有一定宽度的曲线，如图2所示，本实施例的轨迹线为矩形填充曲线，在其他实施例中，还可以是其他形状的曲线。本实施例通过高速振镜引导聚焦激光束运行矩形填充曲线的方式实现，并且通过设置矩形填充曲线的整体宽度D以及长度L来调节“十字架”的轨迹线的宽度，从而达到焊接强度和导电性要求。

经过工艺参数优化，优选地，所述单模光纤激光器的功率为50W-100W。所述聚焦激光束的运行速度为100-200mm/s。轨迹线的长度优选为1-4mm，宽度优选为0.04-0.08mm。上述参数下，焊接质量最佳。

作为优选的，所述长聚焦透镜的焦距大于或等于330mm，本实施例中为330mm，有效焊接幅面为200*200mm，单个产品上需要焊接5个“十字架”，分布的范围为180*60mm，为提高生产效率，一次焊接两个产品，实际需要的焊接幅面为180*120mm，在透镜的有效幅面内。一次焊接的时间为1.5s。

为进一步提高生产效率，激光焊接工作站焊接8个产品，第一次焊接第1个产品，然后通过电机带动产品运动到指定位置，焊接第2个产品。电机运动3次，激光焊接4次，完成8个产品的焊接生产。电机移动一次耗时1s，激光焊接一次耗时1.5s，焊接8个产品，电机移动3次耗时3s，激光焊接4次耗时6s，焊接8个产品的时间是电机运动时间+激光焊接时间即3s+6s＝9s，满足实际生产的要求。

焊接完成后，经过测试，不锈钢与铜箔的拉力大于15N，焊接处电阻小于0.2欧姆，满足薄膜太阳能电池电极焊接接头的质量要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过夹具将待焊接的不锈钢与铜箔贴合紧；

采用单模光纤激光器作为激光光源，采用高速振镜对激光束传导，并采用长聚焦透镜对激光束聚焦，通过高速振镜引导聚焦激光束在产品表面运行“十字架”轨迹，使得不锈钢与铜箔熔化后焊接在一起；所述夹具包括位于铜箔一侧的磁性吸附板，通过磁性吸附板与不锈钢吸引将两层材料吸紧；所述夹具还包括升降机构以及安装座，所述升降机构安装在所述安装座上，所述磁性吸附板固定在所述升降机构上。

2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于：所述安装座上还设置有用于对磁性吸附板的运动进行缓冲的缓冲机构。

3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于：所述“十字架”轨迹包括两条垂直交叉的轨迹线，所述轨迹线为整体具有一定宽度的曲线。

4.如权利要求3所述的薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于：所述轨迹线的长度为1-4mm，宽度为0.04-0.08mm。

5.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于：所述单模光纤激光器的功率为50W-100W。

6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于：所述聚焦激光束的运行速度为100-200mm/s。

7.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池电极的激光焊接方法，其特征在于：所述长聚焦透镜的焦距大于或等于330mm。

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