CN113459609B - 一种太阳能电池阵互连材料及其制备方法 - Google Patents

一种太阳能电池阵互连材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种太阳能电池阵互连材料，包括依次设置的第一金银合金材料层、银层与第二金银合金材料层；所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层中银元素的质量浓度各自独立地为0.001％～0.005％。与现有技术相比，本发明提供的太阳能电池阵互连材料外侧为金银合金材料层与银层具有较高的结合性能，使互连材料各层结合紧密，不易被剥离，同时外侧金银合金材料具有较高的耐原子氧侵蚀性能，同时中间高塑性银层形成受力缓冲带，从而使太阳能电池阵互连材料既具有较高的耐原子氧侵蚀性能又具有良好的力学性能。

Description

一种太阳能电池阵互连材料及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池阵互连材料及其制备方法。
背景技术
航天器电源系统是由以太阳电池阵作为发电装置，蓄电池组作为储能装置，与配电系统所需的相应功能的电源控制装置构成的。太阳电池阵在轨道的光照期间发电，为航天器的用电负载提供电能，同时为蓄电池组充电。
太阳电池阵是由大量太阳电池片组成，这些电池片有序贴在太阳电池板上，利用太阳电池的光电效应，将入射太阳光辐射转换电能。虽然每片电池贡献很小的电流与电压，但是大量电池片以适当的串联和并联可提供航天器负载所需要的电流和电压。由于银时所有金属导电性能最高的金属，为了保证导电性能，银是制造互连片的最理想材料，但是随着空间环境的变化，互连片材料的性能也会受到一定的影响。
原子氧是存在于低地球轨道(200km～600km)环境中的主要化学物质，虽然在空间高真空环境下原子氧的数密度并不高，但由于飞行器的运行速度大，因此粒子有较大的通量和较高的撞击动能。当飞行器以轨道速度在LEO环境中运行时，原子氧撞击飞行器表面的通量和平均动能分别为1014～1015atoms/(cm2·s)和5eV，再加上原子氧本身具有很强的氧化性，因此这一过程中将会发生复杂的物理、化学变化，引起材料的剥蚀和性能的退化。国外空间飞行试验指出，暴露在空间原子氧环境下的银材料会遭受严重的氧化，生成不导电的氧化物，从而影响太阳电池阵的正常工作和使用寿命，而且所生成的氧化物结构松散，容易脱落，最终导致银互连片可能会被完全氧化，失去其导电性能。
为了解决这一难题，可在银互连片表面镀金，但Au受AO的侵蚀速率是Ag的1％，镀金层虽然整体能起到很好的AO防护作用，但镀层如果有缺陷，将会发生严重的点蚀，金层的点蚀机制使其下层的银严重氧化，因此银箔表面通过镀金等保护性涂层，也只能将寿命提高到3～5年。研究者提出了在银材料进行表面处理改性方法，包括在银材料表面喷涂DC1200、SWSV10硅涂层，在银材料电镀一层防护金属，将涂层和电镀相结合等方法。但这些方法都存在一定的缺陷，如空间飞行中产生的热循环应力、热疲劳会造成涂层开裂和脱落，并且电镀金属层一般都有缺陷，原子氧侵蚀仍将发生。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种较好耐原子氧侵蚀性能的太阳能电池阵互连材料及其制备方法。
本发明提供了一种太阳能电池阵互连材料，其特征在于，包括依次设置的第一金银合金材料层、银层与第二金银合金材料层；所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层中银元素的质量浓度各自独立地为0.001％～0.005％。
优选的，所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的总厚度与银层的厚度比为1：(1～2.5)。
优选的，所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的厚度比为1：(1～1.1)。
优选的，所述太阳能电池阵互连材料的厚度为0.02～0.4mm。
本发明还提供了一种太阳能电池阵互连材料的制备方法，包括：
S1)将第一金银合金板、银板与第二金银合金板层叠后进行热压扩散连接，得到复合材料；所述第一金银合金板与第二金银合金板中银元素的质量浓度各自独立地为0.001％～0.005％；
S2)将所述复合材料进行轧制，得到太阳能电池阵互连材料。
优选的，所述第一金银合金板与第二金银合金板的厚度各自独立地为1～2mm；所述银板的厚度为1～5mm。
优选的，所述第一金银合金板与第二金银合金板通过冷轧制备得到；所述银板通过等径角轧制得到。
优选的，所述等径角轧制的轧制温度为300℃～500℃；保温时间为0.5～2h；轧制速度为0.5～2mm/s；终轧压下量为5％～10％；通道间隙1.0～2.0mm。
优选的，所述热压扩散连接的温度为400℃～600℃；压力为4～10MPa；时间为10～100min。
优选的，所述步骤S2)中轧制后还进行真空热处理，得到太阳能电池阵互连材料；所述真空热处理的温度为150℃～250℃；真空度为1.0×10-3～1.0×10-2Pa；真空热处理的时间为30～90min。
本发明提供了一种太阳能电池阵互连材料，包括依次设置的第一金银合金材料层、银层与第二金银合金材料层；所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层中银元素的质量浓度各自独立地为0.001％～0.005％。与现有技术相比，本发明提供的太阳能电池阵互连材料外侧为金银合金材料层与银层具有较高的结合性能，使互连材料各层结合紧密，不易被剥离，同时外侧金银合金材料具有较高的耐原子氧侵蚀性能，同时中间高塑性银层形成受力缓冲带，从而使太阳能电池阵互连材料既具有较高的耐原子氧侵蚀性能又具有良好的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的太阳能电池阵互连材料的扫描电镜照片；
图2为本发明实施例2中得到的太阳能电池阵互连材料的扫描电镜照片；
图3为本发明实施例3中得到的太阳能电池阵互连材料的扫描电镜照片；
图4为传统蒸镀样品经原子氧环境模拟试验后的照片；
图5为传统蒸镀样品原子氧环境模拟试验前的元素能谱分析图；
图6为传统蒸镀样品原子氧环境模拟试验后的元素能谱分析图；
图7为本发明实施例1中得到的太阳能电池阵互连材料原子氧环境模拟试验后的元素能谱分析图；
图8为传统蒸镀样品原子氧环境模拟试验前的扫描电镜图；
图9为传统蒸镀样品原子氧环境模拟试验后的扫描电镜图；
图10为本发明实施例1中得到的太阳能电池阵互连材料原子氧环境模拟试验后的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种太阳能电池阵互连材料，包括依次设置的第一金银合金材料层、银层与第二金银合金材料层；所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层中银元素的质量浓度各自独立地为0.001％～0.005％。
本发明提供的太阳能电池阵互连材料为三层层叠结构，其中第一金银合金材料层与第二金银合金材料层为两个外层；在本发明提供的实施例中，所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层中银元素的质量浓度各自独立地具体为0.001％或0.005％；所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的厚度比优选为1：(1～1.1)，更优选为1：(1～1.05)。
中间层为银层，优选为高纯银层；所述银层的厚度与第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的总厚度比为(1～2.5)：1，更优选为(1～2.2)：1；在本发明提供的实施例中，所述银层的厚度与第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的总厚度比具体为1.08：1、1.07：1或2.2：1。
第一金银合金材料层、银层与第二金银合金材料层复合形成太阳能电池阵互连材料，所述太阳能电池阵互连材料的厚度优选为0.02～0.4mm；在本发明提供的实施例中，所述太阳能电池阵互连材料的厚度具体为0.02mm、0.028mm或0.4mm。
本发明提供的太阳能电池阵互连材料外侧为金银合金材料层与银层具有较高的结合性能，使互连材料各层结合紧密，不易被剥离，同时外侧金银合金材料具有较高的耐原子氧侵蚀性能，同时中间高塑性银层形成受力缓冲带，从而使太阳能电池阵互连材料既具有较高的耐原子氧侵蚀性能又具有良好的力学性能。
本发明还提供了一种上述太阳能电池阵互连材料的制备方法，包括：S1)将第一金银合金板、银板与第二金银合金板层叠后进行热压扩散连接，得到复合材料；所述第一金银合金板与第二金银合金板中银元素的质量浓度各自独立地为0.001％～0.005％；S2)将所述复合材料进行轧制，得到太阳能电池阵互连材料。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
在本发明中，所述第一金银合金板与第二金银合金板的厚度各自独立地为1～2mm；所述第一金银合金板与第二金银合金板优选通过冷轧制备得到，具体为将金银合金铸锭冷轧得到金银合金板；所述金银合金铸锭优选通过真空熔炼得到；所述金银合金铸锭中银元素的质量浓度优选为0.001％～0.005％；所述冷轧时每次压下量优选为10％～30％；在本发明提供的实施例中，所述冷轧时每次压下量具体为10％、20％或30％。
所述银板的厚度优选为1～5mm；在本发明中，所述第一金银合金板与第二金银合金板的总厚度与银板的厚度比优选为1：(1～2.5)，更优选为1：(1～2.2)；所述银板优选通过等径角轧制得到；所述等径角轧制的轧制温度优选为300℃～500℃，更优选为350℃～450℃，再优选为400℃；保温时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h，再优选为1h；轧制速度优选为0.5～2mm/s，更优选为1～1.5mm/s；终轧压下量优选为5％～10％；通道间隙优选为1.0～2.0mm；模具两通道夹角优选为100°～150°，更优选为110°～130°，再优选为120°；通道内侧圆弧半径优选为1～3mm，更优选为2mm；即圆弧角优选为60°～70°，更优选为65°。
按照本发明，所述第一金银合金板、银板与第二金银合金板优选先进行预处理；所述预处理优选为打磨清洗后吹干；所述打磨优选用砂纸打磨；所述砂纸的规格优选为800目和1200目；打磨至表面光洁；所述清洗优选采用酒精进行。
将预处理后的第一金银合金板、银板与第二金银合金板层叠后进行热压扩散连接，得到复合材料；所述热压扩散连接的温度优选为400℃～600℃，更优选为450℃～600℃，再优选为500℃～600℃，最优选为500℃～580℃；在本发明提供的实施例中，所述热压扩散连接的温度具体为500℃、550℃或580℃；所述热压扩散连接的压力优选为4～10MPa，更优选为6～10MPa，再优选为8～10MPa，最优选为9～10MPa；所述热压扩散连接的时间优选为10～100min，更优选为30～100min，再优选为50～100min，最优选为70～100min。
将复合材料进行轧制；所述轧制优选为冷轧；每道次的压下量优选为0.5mm；通过轧制得到目标厚度的太阳能电池阵互连材料。
按照本发明，轧制后，优选还进行真空热处理，得到太阳能电池阵互连材料；所述真空热处理的温度优选为150℃～250℃，更优选为180℃～240℃；真空度优选为1.0×10-3～1.0×10-2Pa，更优选为1.0×10-3～6.0×10-3Pa，再优选为2.0×10-3～4.0×10-3Pa，最优选为3.0×10-3Pa；真空热处理的时间优选为30～90min，更优选为40～70min，再优选为45～60min。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种太阳能电池阵互连材料及其制备方法进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
a)将金、银真空熔炼制得金银合金铸锭(8×100×200mm)，组成质量百分比为：Au99.995％，Ag 0.005％；熔炼温度为1100℃。
b)金银合金铸锭轧制：冷轧成板材至厚度为1mm；每道次压下量为20％轧制的具体工艺为8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.0。
c)纯银等径角轧制(最终轧制至2.14mm厚)：等径角轧制温度400℃，保温时间1小时，加工速度1mm/s；终轧压下量为10％；通道间隙1.0mm；模具两通道夹角120°，通道内侧圆弧半径为2mm(圆弧角为65°)。
d)切割：将金银合金板和纯银板切割至70×70mm。
e)预处理：将切割好的金银合金板和纯银板砂纸打磨表面，酒精清洗干净，冷风吹干。
f)热压扩散连接：将预处理后的金银合金板、银板与金银合金板层叠后进行热压扩散连接，温度500℃，压力10MPa，扩散时间70min。
g)轧制：将经热扩散连接复合的材料冷轧至厚度为28μm(复合材料总厚度4.14mm，轧制工艺：4.14-3.14-2.14-1.14-0.74-0.64-0.54-0.44-0.34-0.24-0.14-0.08-0.06-0.043-0.028)，每道次压下量为小于50％，得到太阳能电池阵互连材料。
利用扫描电子显微镜对实施例1中得到的太阳能电池阵互连材料的断面进行分析，得到其扫描电镜照片，如图1所示。由图1可知，金银合金层与纯银层间无明显界面，说明两层结合紧密，且复合过程中未发生复合层剥离；同时从图1中可以看出复合连接层分布着大量的银基富金相，金银合金对纯银的结合性能良好，复合中间有一层未化的高塑性银层，形成受力缓冲带，保证了纯银基体的性能稳定性。
对实施例1中得到的太阳能电池阵互连材料进行真空热处理(温度200℃，真空度3.0×10-3Pa，保温时间60min)，并根据GB/T 228及JY/T 0584测试其真空热处理前后的物理性能，得到结果见表1与表2。
实施例2
a)将金、银真空熔炼制得金银合金铸锭(8×100×200mm)，组成质量百分比为：Au99.999％，Ag 0.001％；熔炼温度为1150℃。
b)金银合金铸锭轧制：冷轧成板材至厚度为1mm；每道次压下量为20％，轧制的具体工艺为8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.0。
c)纯银等径角轧制(最终轧制至4.4mm厚)：等径角轧制温度400℃，保温时间1小时，加工速度1mm/s；终轧压下量为10％；通道间隙1.0mm；模具两通道夹角120°，通道内侧圆弧半径为2mm(圆弧角为65°)。
d)切割：将金银合金板和纯银板切割至100×100mm。
e)预处理：将切割好的金银合金板和纯银板砂纸打磨表面，酒精清洗干净，冷风吹干。
f)热压扩散连接：将预处理后的金银合金板、银板与金银合金板层叠后进行热压扩散连接，温度550℃，压力9MPa，扩散时间100min。
g)轧制：将经热扩散连接复合的材料冷轧至厚度为20μm(复合材料总厚度6.4mm，轧制工艺：6.4-5.4-4.4-3.4-2.4-1.4-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1-0.08-0.06-0.04-0.03-0.02)，每道次压下量为小于50％，得到太阳能电池阵互连材料。
利用扫描电子显微镜对实施例2中得到的太阳能电池阵互连材料的断面进行分析，得到其扫描电镜照片，如图2所示。由图2可知，金银合金层与纯银层间无明显界面，说明两层结合紧密。
对实施例2中得到的太阳能电池阵互连材料进行真空热处理(温度180℃，真空度3.0×10-3Pa，保温时间45min)，并测试其真空热处理前后的物理性能，得到结果见表1与表2。
实施例3
a)将金、银真空熔炼制得金银合金铸锭(10×100×200mm)，组成质量百分比为：Au99.999％，Ag 0.001％；熔炼温度为1150℃。
b)金银合金铸锭轧制：冷轧成板材至厚度为2mm；每道次压下量为30％，轧制的具体工艺为10-7-4.9-3.43-2.401-2。
c)纯银等径角轧制(最终轧制至4.32mm厚)：等径角轧制温度400℃，保温时间1小时，加工速度1mm/s；终轧压下量为8％；通道间隙1mm；模具两通道夹角120°，通道内侧圆弧半径为2mm(圆弧角为65°)。
d)切割：将金银合金板和纯银板切割至200×200mm。
e)预处理：将切割好的金银合金板和纯银板砂纸打磨表面，酒精清洗干净，冷风吹干。
f)热压扩散连接：将预处理后的金银合金板、银板与金银合金板层叠后进行热压扩散连接，温度580℃，压力10MPa，扩散时间100min。
g)轧制：将经热扩散连接复合的材料冷轧至厚度为400μm(复合材料厚度由8.32mm轧至0.4mm，实际道次变化为：8.32-7.32-6.32-5.32-4.16-3.16-2.16-1.16-0.76-0.66-0.56-0.5-0.4)，每道次压下量为小于50％，得到太阳能电池阵互连材料。
利用扫描电子显微镜对实施例3中得到的太阳能电池阵互连材料的断面进行分析，得到其扫描电镜照片，如图3所示。由图3可知，金银合金层与纯银层间无明显界面，说明两层结合紧密。
对实施例3中得到的太阳能电池阵互连材料进行真空热处理(温度240℃，真空度3.0×10-3Pa，保温时间60min)，并测试其真空热处理前后的物理性能，得到结果见表1与表2。
表1太阳能电池阵互连材料真空热处理前的检测结果
Figure BDA0003142378070000081
表2太阳能电池阵互连材料真空热处理后的检测结果
Figure BDA0003142378070000082
Figure BDA0003142378070000091
将实施例1中得到的太阳能电池互连材料及传统蒸镀得到的样品在大气条件下放置1年时间(温度-15℃～35℃，湿度20％～80％)，其中传统蒸镀样品表面金层蒸镀的厚度与实施例1相同，得到测试后传统蒸镀样品的照片如图4所示，图4中非黑色处为Au。
利用能谱仪对大气中放置后的实施例1中得到的太阳能电池互连材料及传统蒸镀样品进行检测，得到其元素能谱分析图如图5(传统蒸镀样品放置试验前)、图6(传统蒸镀样品传统蒸镀样品放置试验后)与图7(实施例1)所示。
利用扫描电子显微镜对经放置试验后的实施例1中得到的太阳能电池互连材料及传统蒸镀样品进行分析，得到其扫描电镜图，如图8(传统蒸镀样品放置试验前)、图9传统蒸镀样品传统蒸镀样品放置试验后)与图10(实施例1)所示。

Claims (1)

1.一种太阳能电池阵互连材料，其特征在于，包括依次设置的第一金银合金材料层、银层与第二金银合金材料层；所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层中银元素的质量浓度各自独立地为0.001%~0.005%；
所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的总厚度与银层的厚度比为1：（1~2.5）；
所述第一金银合金材料层与第二金银合金材料层的厚度比为1：（1~1.1）；
所述太阳能电池阵互连材料的厚度为0.02~0.4 mm；
所述太阳能电池阵互连材料的制备方法包括：
S1）将第一金银合金板、银板与第二金银合金板层叠后进行热压扩散连接，得到复合材料；所述第一金银合金板与第二金银合金板中银元素的质量浓度各自独立地为0.001%~0.005%；
S2）将所述复合材料进行轧制，得到太阳能电池阵互连材料；
所述第一金银合金板与第二金银合金板通过冷轧制备得到；所述银板通过等径角轧制得到；
所述等径角轧制的轧制温度为300℃~500℃；保温时间为0.5~2 h；轧制速度为0.5~2mm/s；终轧压下量为5%~10%；通道间隙1.0~2.0 mm；
所述热压扩散连接的温度为400℃~600℃；压力为4~10 MPa；时间为10~100 min；
所述步骤S2）中轧制后还进行真空热处理，得到太阳能电池阵互连材料；所述真空热处理的温度为150℃~250℃；真空度为1.0×10-3 ~1.0×10-2 Pa；真空热处理的时间为30~90min；
所述第一金银合金板与第二金银合金板的厚度各自独立地为1~2 mm；所述银板的厚度为1~5 mm。
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