CN114393035A - 一种太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料及制备工艺 - Google Patents

一种太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料及制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料及制备工艺，该复合材料为三层层状结构，总宽度为25mm‑100mm，总厚度为25μm‑60μm，其中第一层和第三层均为银层，厚度均为7μm，氧含量低于50ppm，第二层为可阀(4J29)合金层，厚度为11μm‑46μm；该制备工艺采用异温轧制复合方式，同时采用800℃‑900℃高温扩散。本发明制备的复合材料属于冶金结合的层状复合材料，即具备了可阀(4J29)合金极好的耐热性能、高温机械性能和稳定的膨胀系数，同时又充分发挥了银的导电性能和抗大气腐蚀能力，可大幅度提高太阳能电池阵互连片的可靠性，从而大幅度提高太阳能电池阵的寿命。

Description

一种太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料及制备工艺
技术领域
本发明涉及可伐基层状复合材料及制备工艺，尤其是一种长寿命航天飞行器太阳能电池阵互连片用银/4J29/银金属基层状复合材料及制备工艺。
背景技术
太阳能电池阵互连片目前采用的是纯银箔，纯银箔因为其具有良好的导电性和抗大气污染的能力得到应用。但是航天飞行器在LEO上服役时，轨道飞行过程中温度会剧烈变化带来热冲击，纯银材料较软，强度低，很容易出现断裂失效。铁钴镍可伐4J29合金具有极好的耐热性能、高温机械性能和稳定的膨胀系数，因此国内太阳能电池阵互连片采用的是镀银的铁钴镍可伐4J29合金箔，但由于镀银的铁钴镍可伐4J29合金箔采用的是电镀化学沉积的方式，附着力强度不高，且电镀层厚度较薄(通常电镀的厚度在1μm～2μm之间)。太阳能电池帆板往复在太阳的阳面和阴面作业，其温差会大于100℃，互连片会产生热应力，同时大气中环境气氛较为复杂，电镀材料表面银层很容易出现腐蚀脱落失效，导致互连片与太阳能电池之间连接脱落失效，从而导致太阳能电池帆板出现失效。
国内单位如天津大学、中国电子科技集团已经开始研制互连片所用的钼及钼合金材料。但采用钼及钼合金替代银作为互连片材料存在的问题在于：钼的可焊性相对较差，且高温时会强烈氧化，且此氧化膜毫无防护作用。而银具有良好的焊接性和导电性，因此产生钼银层状复合材料。但钼的冷加工塑形极差，很难通过常规的轧制复合方法形成复合材料，而采用电镀方式又导致了镀银伐合金箔一样的问题。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供一种长寿命航天飞行器太阳能电池阵互连片用银/4J29/银金属基层状复合材料及制备工艺，该复合材料通过加热轧制复合生产且通过高温扩散，在高温扩散中由于氧含量控制在50ppm以内，界面上不会出现起泡，银与4J29实现完全冶金结合，因此在高低温环境下不会出现脱落，将大幅度提高太阳能电池帆板的可靠性和寿命。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料，该复合材料为三层层状结构，总宽度为25mm-100mm，总厚度为25μm-60μm，其中第一层和第三层均为银层，厚度均为7μm，氧含量低于50ppm，第二层为 4J29合金层，厚度为11μm-46μm。
太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，将纯度大于99.99％的纯银板通过多次真空熔炼方式，熔炼出含氧量低于50ppm的银板，该银板再通过压延加工、退火、表面处理及分剪，加工成厚度为0.6mm，宽度为30mm-120mm的银带备用；
步骤二，将步骤一中备用的银带分成两半，分别进行酸洗打磨，同时对厚度为1.3mm-4.8mm，宽度为30mm-120mm的4J29合金带进行酸洗打磨后，采用异温轧制复合工艺进行连续异温轧制，其中4J29 合金带在第二层，银带在第一、三层，银带的温度控制在100℃-200℃之间，4J29合金带的温度控制在700℃-900℃之间，异温轧制的变形量不小于50％，经复合后形成厚度为1.0mm-2.4mm，宽度为30mm-120mm 的银/4J29/银复合坯料；
步骤三，将步骤二中得到的银/4J29/银复合坯料进行连续扩散热处理，扩散热处理的温度控制在800℃-900℃之间，扩散热处理时间不小于3分钟；
步骤四，将步骤三中经扩散热处理后的银/4J29/银复合坯料剪边成宽度为27mm-110mm的坯料，酸洗打磨后通过反复冷轧、表面处理及连续热处理得到总厚度为25μm-60μm的成品卷料，其中第一、三层的银层厚度为7μm，第二层的4J29合金层厚度为11μm-46μm；
步骤五，将步骤四中得到的总厚度为25μm-60μm，总宽度为 27mm-110mm的银/4J29/银复合成品卷料剪切成总宽度为25mm-100mm，即得到本发明所述的复合材料。
进一步地，步骤一中的熔炼真空度不小于10-2Pa，熔炼次数不少于两次。
进一步地，步骤二中的异温轧制复合工艺采用四辊轧制，同时采用三个以上的连续放卷，每卷带材采用单独的电阻加热设备及单独的控温装置进行控温。
进一步地，步骤三中的热处理采用氮气和氨分解气体进行保护，防止银吸氧。
进一步地，步骤二和步骤四中的酸洗采用10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用毛毡研磨。
进一步地，步骤四中的表面处理包含脱脂去油及研磨处理，脱脂方式为有机溶剂清洗，研磨介质为毛毡研磨。
进一步地，步骤四中的冷轧采用四辊以上的多辊轧机。
更进一步地，步骤四中的冷轧采用24辊轧机。
有益效果：
1.本发明制备的银/4J29/银金属基层状复合材料，由于该复合材料采取热轧复合且进行了高温扩散，且该复合材料属于完全冶金结合的层状复合材料，因此该复合材料即具备了4J29合金极好的耐热性能、高温机械性能和稳定的膨胀系数，同时又充分发挥了银的导电性能和抗大气腐蚀能力；本发明中由于银采用反复真空熔炼，且银的氧含量控制在50ppm以下，在800℃-900℃之间高温处理，可确保银在高温过程中银与4J29合金界面不会鼓泡，也保证了复合材料在轨道飞行过程中太阳能电池阵在高低温热冲击下的可靠性。
2.本发明制备的的银/4J29/银金属基层状复合材料采用的是异温轧制复合工艺，由于银和4J29合金再结晶温度差异大，且变形抗力差异大，将银和4J29合金采用不同的温度控制，同时变形量控制在50％以上，可将银和4J29合金界面形成原子间结合，后续通过高温扩散，界面会形成银与4J29合金之间的扩散层，从而保证复合材料的可靠性；采用异温轧制复合工艺可以精准控制银和4J29合金之间的速度比，从而保证银/4J29/银之间的厚度比稳定。
3.本发明所用的均为传统的冶金设备，可实现连续批量化生产，具有成本低、生产方便等特点。
附图说明
图1为本发明的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的结构示意图；
图中：1-银层、2-4J29合金层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明提出一种太阳能电池阵互连片用金属基层状复合材料，如图1所示，该复合材料为三层层状结构，总宽度为25mm，总厚度为 26μm，其中第一层和第三层均为银层1，厚度均为7μm，氧含量低于50ppm，第二层为4J29合金层2，厚度为12μm。
本发明还提出一种太阳能电池阵互连片用金属基层状复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，将纯度大于99.99％的纯银板通过两次真空熔炼方式，熔炼出含氧量低于50ppm的银板，真空熔炼过程中的熔炼设备的真空度不小于10-2Pa。上述银板通过表面处理、压延加工、退火及分剪，加工成厚度为0.6mm，宽度为30mm的银带备用。上述的压延加工采用的是普通的两辊轧机或四辊轧机进行轧制，退火主要是软化退火，退火温度为300℃，表面处理主要是消除银表面的冶炼和过程中加工的缺陷缺陷，通常采用刨削或铣削的方式进行加工，分剪采用的是纵剪设备进行剪切除掉毛边；
步骤二，将步骤一中备用的银带分成两半，分别进行酸洗打磨，同时对厚度为1.3mm，宽度为30mm的4J29合金带进行酸洗打磨，酸洗打磨采用连续卷对卷的方式进行，其中酸洗采用的10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用的是毛毡研磨，水冲洗采用热风烘干。上述材料采用异温轧制复合设备进行连续轧制复合，异温轧制复合设备是卷对卷的连续复合设备，具有三个以上的连续放卷，4J29合金带在中间一个卷，银带分别在上放卷和下放卷，每卷带材采用单独的电阻加热及单独的控温装置进行控温，轧制复合采用四辊轧制复合。复合时，银带的温度控制在100℃-120℃之间，4J29合金带的温度控制在700℃ -750℃之间，轧制复合的变形量不小于50％，经复合后形成厚度为 1.0mm，宽度为30mm的银/4J29/银复合坯料；
步骤三，将步骤二中得到的银/4J29/银复合坯料进行连续扩散热处理，扩散热处理温度在800℃-850℃之间，扩散热处理时间为3.5 分钟，为了防止银吸氧，连续热处理需要采用氮气和氨分解气体进行保护；
步骤四，将步骤三中扩散热处理后的银/4J29/银复合坯料剪边成宽度为27mm的坯料，酸洗打磨，酸洗打磨采用连续卷对卷的方式进行，其中酸洗采用的10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用的是毛毡研磨，水冲洗采用热风烘干。后通过二十辊轧机冷轧、表面处理及连续热处理得到总厚度为26μm的成品卷料，其中两面的银层厚度为7μm，中间的4J29合金层厚度为12μm。表面处理主要是消除带材冷轧过程中的润滑油，采用有机溶剂进行清洗，同时采用毛毡研磨加工过程中的缺陷。
步骤五，将步骤四中总厚度为26μm，宽度为27mm的银/4J29/ 银复合成品卷料通过连续纵剪机剪切成25mm宽，即得到本发明所述的复合材料。
实施例2
本发明提出一种太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料，如图1所示，该复合材料为三层层状结构，总宽度为25mm，总厚度为 44μm，其中第一层和第三层均为银层1，厚度均为7μm，氧含量低于50ppm，第二层为4J29合金层2，厚度为30μm。
本发明还提出一种太阳能电池阵互连片用金属基层状复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，将纯度大于99.99％的纯银板通过三次真空熔炼方式，熔炼出含氧量低于50ppm的银板，真空熔炼过程中的熔炼设备的真空度不小于10-2Pa。上述银板通过表面处理、压延加工、退火及分剪，加工成厚度为0.6mm，宽度为30mm的银带备用。上述的压延加工采用的是普通的两辊轧机或四辊轧机进行轧制，退火主要是软化退火，退火温度为350℃，表面处理主要是消除银表面的冶炼和过程中加工的缺陷缺陷，通常采用刨削或铣削的方式进行加工，分剪采用的是纵剪设备进行剪切除掉毛边；
步骤二，将步骤一中备用的银带分成两半，分别进行酸洗打磨，同时对厚度为3.0mm，宽度为30mm的4J29合金带进行酸洗打磨，酸洗打磨采用连续卷对卷的方式进行，其中酸洗采用的10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用的是毛毡研磨，水冲洗采用热风烘干。上述材料采用异温轧制复合设备进行连续轧制复合，异温轧制复合设备是卷对卷的连续复合设备，具有三个以上的连续放卷，4J29合金带在中间一个卷，银带分别在上放卷和下放卷，每卷带材采用单独的电阻加热及单独的控温装置进行控温，轧制复合采用四辊轧制复合。复合时，银带的温度控制在150℃-170℃之间，4J29合金带的温度控制在800℃ -850℃之间，轧制复合的变形量不小于50％，经复合后形成厚度为 2.0mm，宽度为27mm的银/4J29/银复合坯料；
步骤三，将步骤二中得到的银/4J29/银复合坯料进行连续扩散热处理，扩散热处理温度在850℃-880℃之间，扩散热处理时间为5分钟，为了防止银吸氧，连续热处理需要采用氮气和氨分解气体进行保护；
步骤四，将步骤三中扩散热处理后的银/4J29/银复合坯料剪边成宽度为27mm的坯料，酸洗打磨，酸洗打磨采用连续卷对卷的方式进行，其中酸洗采用的10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用的是毛毡研磨，水冲洗采用热风烘干。后通过二十辊轧机冷轧、表面处理及连续热处理得到总厚度为44μm的成品卷料，其中两面的银层厚度为7μ m，中间的4J29合金层厚度为30μm。表面处理主要是消除带材冷轧过程中的润滑油，采用有机溶剂进行清洗，同时采用毛毡研磨加工过程中的缺陷；
步骤五，将步骤四中总厚度为44μm，宽度为27mmm的银/4J29/ 银复合成品卷料通过连续纵剪机剪切成25mm宽，即得到本发明所述的复合材料。
实施例3
本发明提出一种太阳能电池阵互连片用金属基层状复合材料，如图1所示，该复合材料为三层层状结构，总宽度为100mm，总厚度为 26μm，其中第一层和第三层均为银层1，厚度均为7μm，氧含量低于50ppm，第二层为4J29合金层2，厚度为12μm。
本发明还提出一种太阳能电池阵互连片用金属基层状复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一，将纯度大于99.99％的纯银板通过三次真空熔炼方式，熔炼出含氧量低于50ppm的银板，真空熔炼过程中的熔炼设备的真空度不小于10-2Pa。上述银板通过表面处理、压延加工、退火及分剪，加工成厚度为0.6mm，宽度为120mm的银带备用。上述的压延加工采用的是普通的两辊轧机或四辊轧机进行轧制，退火主要是软化退火，退火温度为450℃，表面处理主要是消除银表面的冶炼和过程中加工的缺陷缺陷，通常采用刨削或铣削的方式进行加工，分剪采用的是纵剪设备进行剪切除掉毛边；
步骤二，将步骤一中备用的银带分成两半，分别进行酸洗打磨，同时对厚度为0.6mm，宽度为120mm的4J29合金带进行酸洗打磨，酸洗打磨采用连续卷对卷的方式进行，其中酸洗采用的10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用的是毛毡研磨，水冲洗采用热风烘干。上述材料采用异温轧制复合设备进行连续轧制复合，异温轧制复合设备是卷对卷的连续复合设备，具有三个以上的连续放卷，4J29合金带在中间一个卷，银带分别在上放卷和下放卷，每卷带材采用单独的电阻加热及单独的控温装置进行控温，轧制复合采用四辊轧制复合。复合时，银带的温度控制在180℃-200℃之间，4J29合金带的温度控制在880℃ -900℃之间，轧制复合的变形量不小于50％，经复合后形成厚度为 2.4mm，宽度为110mm的银/4J29/银复合坯料；
步骤三，将步骤二中得到的银/4J29/银复合坯料进行连续扩散热处理，扩散热处理温度在880℃-900℃之间，扩散热处理时间为8分钟，为了防止银吸氧，连续热处理需要采用氮气和氨分解气体进行保护；
步骤四，将步骤三中扩散热处理后的银/4J29/银复合坯料剪边成宽度为110mm的坯料，酸洗打磨，酸洗打磨采用连续卷对卷的方式进行，其中酸洗采用的10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用的是毛毡研磨，水冲洗采用热风烘干。后通过二十辊轧机冷轧、表面处理及连续热处理得到总厚度为26μm的成品卷料，其中两面的银层厚度各为7 μm，中间的4J29合金层厚度为12μm。表面处理主要是消除带材冷轧过程中的润滑油，采用有机溶剂进行清洗，同时采用毛毡研磨加工过程中的缺陷。
步骤五，将步骤四中总厚度为26μm，宽度为110mmm的银/4J29/ 银复合成品卷料通过连续纵剪机剪切成100mm宽，即得到本发明所述的复合材料。
综上所述，采用本发明的制备工艺制备的银/4J29/银金属基层状复合材料，它属于冶金结合的层状复合材料，即具备了4J29合金极好的耐热性能、高温机械性能和稳定的膨胀系数，同时又充分发挥了银的导电性能和抗大气腐蚀能力，可大幅度提高太阳能电池阵互连片的可靠性，从而大幅度提高太阳能电池阵互连片的寿命。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料，其特征在于，所述复合材料为三层层状结构，总宽度为25mm-100mm，总厚度为25μm-60μm，其中第一层和第三层均为银层(1)，厚度均为7μm，氧含量低于50ppm，第二层为4J29合金层(2)，厚度为11μm-46μm。
2.太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将纯度大于99.99％的纯银板通过多次真空熔炼方式，熔炼出含氧量低于50ppm的银板，该银板再通过压延加工、退火、表面处理及分剪，加工成厚度为0.6mm，宽度为30mm-120mm的银带备用；
步骤二，将步骤一中备用的银带分成两半，分别进行酸洗打磨，同时对厚度为1.3mm-4.8mm，宽度为30mm-120mm的4J29合金带进行酸洗打磨后，采用异温轧制复合工艺进行连续异温轧制，其中4J29合金带在第二层，银带在第一、三层，银带的温度控制在100℃-200℃之间，4J29合金带的温度控制在700℃-900℃之间，异温轧制的变形量不小于50％，经复合后形成厚度为1.0mm-2.4mm，宽度为30mm-120mm的银/4J29/银复合坯料；
步骤三，将步骤二中得到的银/4J29/银复合坯料进行连续扩散热处理，扩散热处理的温度控制在800℃-900℃之间，扩散热处理时间不小于3分钟；
步骤四，将步骤三中经扩散热处理后的银/4J29/银复合坯料剪边成宽度为27mm-110mm的坯料，酸洗打磨后通过反复冷轧、表面处理及连续热处理得到总厚度为25μm-60μm的成品卷料，其中第一、三层的银层厚度为7μm，第二层的4J29合金层厚度为11μm-46μm；
步骤五，将步骤四中得到的总厚度为25μm-60μm，总宽度为27mm-110mm的银/4J29/银复合成品卷料剪切成总宽度为25mm-100mm，即得到本发明所述的复合材料。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤一中的熔炼真空度不小于10-2Pa，熔炼次数不少于两次。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤二中的异温轧制复合工艺采用四辊轧制，同时采用三个以上的连续放卷，每卷带材采用单独的电阻加热设备及单独的控温装置进行控温。
5.根据权利要求2所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤三中的热处理采用氮气和氨分解气体进行保护。
6.根据权利要求2所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤二和步骤四中的酸洗采用10％～20％的稀硫酸清洗，打磨采用毛毡研磨。
7.根据权利要求2所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤四中的表面处理包含脱脂去油及研磨处理，脱脂方式为有机溶剂清洗，研磨介质为毛毡研磨。
8.根据权利要求2所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤四中的冷轧采用四辊以上的多辊轧机。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池阵互连片用可伐基层状复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤四中的冷轧采用20辊轧机。
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