雷 剛，王志超，范 襄，沈 一，沈靜曼，金 超

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

0 引言

1968年，AEG-Telefunken公司首創(chuàng)了太陽(yáng)電池平行間隙焊接方法，由于平行間隙焊接形成的焊點(diǎn)具有良好的耐高低溫交變的特性，因此該方法開(kāi)始取代釬焊成為空間用太陽(yáng)電池串聯(lián)焊接的主要方法[1-3]。由于影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接質(zhì)量的因素較多，而且對(duì)于焊點(diǎn)的質(zhì)量也缺乏便捷有效的檢測(cè)方法，因此關(guān)于太陽(yáng)電池平行間隙焊接的質(zhì)量控制一直是空間用太陽(yáng)電池制造領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

已經(jīng)有很多文獻(xiàn)針對(duì)焊接機(jī)理和焊接特性開(kāi)展了詳細(xì)研究[4-7]，但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的研究則相對(duì)較少。近幾年，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，空間用太陽(yáng)電池的焊接已普遍采用全自動(dòng)焊接設(shè)備[8]，因此，控制太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性變得尤為重要。

為提高空間用太陽(yáng)電池方陣的可靠性，有效控制太陽(yáng)電池平行間隙焊接的質(zhì)量，本文對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的原理和特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定了影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的主要因素，并討論了提高太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的措施。

1 太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的理論分析

1.1 太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的基本原理

太陽(yáng)電池焊接的目的是通過(guò)將太陽(yáng)電池表面的電極與銀互連片牢固連接來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池之間的電路連接。

目前，太陽(yáng)電池的焊接通常采用平行間隙焊接工藝。平行間隙焊接工藝的基本原理為：焊機(jī)上2根互相平行且具有微小間隙的焊機(jī)電極向銀互連片施加一定的壓力，使銀互連片緊密地壓在太陽(yáng)電池表面的電極上；向2根焊機(jī)電極施加一定的電壓并持續(xù)一定的時(shí)間，從而在焊機(jī)電極、銀互連片、太陽(yáng)電池電極之間形成焊接回路；焊接回路的總電流取決于整個(gè)焊接回路的電阻。焊機(jī)電極由鉬(Mo)材料制成；銀互連片由厚度為幾十微米的銀材料制成；太陽(yáng)電池由鍺(Ge)襯底上外延生長(zhǎng)的砷化鎵(GaAs)系材料構(gòu)成；太陽(yáng)電池電極的主體是采用真空蒸發(fā)技術(shù)沉積在太陽(yáng)電池表面的厚度為幾微米的銀(Ag)和厚度為幾百納米的金(Au)，且Au位于電極的最外層。由于焊接過(guò)程中，焊機(jī)電極下方的微小區(qū)域(即焊接區(qū)域)的電阻相對(duì)較大，因此該區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生較大的熱量，從而使銀互連片和太陽(yáng)電池電極快速升溫，再加上壓力的作用，在銀互連片和太陽(yáng)電池電極之間形成焊點(diǎn)。太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝示意圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝示意圖Fig. 1 Schematic diagram of parallel gap welding process for solar cells

如圖1所示，電流在太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路中的分布并不是均勻的，焊接過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)隨著焊接區(qū)域溫度的上升呈動(dòng)態(tài)變化，因此，對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接過(guò)程進(jìn)行精確描述與參數(shù)計(jì)算需要采用有限元分析[5-7]?？紤]到本文主要是對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并不需要對(duì)焊接過(guò)程中涉及到的參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，因此可以采用一個(gè)理想的簡(jiǎn)化模型對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接過(guò)程進(jìn)行分析。

假定電流在同種材料中是均勻分布的，并忽略銀互連片和太陽(yáng)電池電極的縱向電阻，同時(shí)忽略太陽(yáng)電池襯底材料對(duì)總電阻的影響，則可采用平行間隙焊接的理想電路模型對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接的過(guò)程進(jìn)行描述。平行間隙焊接的理想電路模型如圖2所示，圖中：R1為焊機(jī)電極的電阻；R2為焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻；R3為銀互連片的橫向電阻；R4為銀互連片和太陽(yáng)電池電極之間的接觸電阻；R5為太陽(yáng)電池電極的橫向電阻；U為太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路的總電壓；I為太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路的總電流。

圖2 平行間隙焊接的理想電路模型Fig. 2 Ideal circuit model of parallel gap welding

如圖2所示，在恒壓焊接模式下，I可表示為：

式中，R為太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路的總電阻。

根據(jù)電路的串并聯(lián)原理，R可表示為：

相對(duì)于焊接區(qū)域而言，焊機(jī)電極的尺寸很大，R1產(chǎn)生的熱量會(huì)分布在整個(gè)焊機(jī)電極上，對(duì)形成的焊點(diǎn)的有效熱量的影響較小，因此從理論上來(lái)講，影響焊點(diǎn)的有效熱量的因素主要為R2、R3、R4及R5產(chǎn)生的熱量之和。該結(jié)論與文獻(xiàn)[5-6]根據(jù)有限元分析得出的研究結(jié)果一致。

焊點(diǎn)的有效熱量Q的計(jì)算式可表示為：

式中，t為焊接時(shí)間，即施加電壓的時(shí)間。

1.2 太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的影響因素

根據(jù)上述分析可知，影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的參數(shù)主要有焊接回路的總電壓、焊接時(shí)間、壓力及焊接回路中各部分的電阻阻值，其中，焊接回路的總電壓、焊接時(shí)間、壓力均由焊接設(shè)備控制，且這些參數(shù)對(duì)于焊接工藝穩(wěn)定性的影響已得到較為充分的研究[6,9]。目前，實(shí)際生產(chǎn)中采用的焊接設(shè)備不僅能精確控制這些參數(shù)，而且還能對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此這些參數(shù)對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的影響很小。但焊接回路中的電阻會(huì)受到多方面因素的影響，且不易進(jìn)行監(jiān)測(cè)，容易造成太陽(yáng)電池平行間隙焊接過(guò)程不受控。

相關(guān)研究表明，在太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路不同部分的電阻中，R2與R3是影響焊點(diǎn)有效熱量主要因素中最為重要的2個(gè)因素[5-7]。由于R3值的大小主要是由銀互連片自身的厚度及2根據(jù)焊機(jī)電極的間隙決定的，而實(shí)際生產(chǎn)中銀互連片自身的厚度和2根焊機(jī)電極的間隙容易實(shí)現(xiàn)精確控制，因此R3對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的影響很小。而由于R2的變化較為復(fù)雜，因此其是影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的主要因素。

另外，R1產(chǎn)生的熱量雖然對(duì)焊接過(guò)程沒(méi)有貢獻(xiàn)，但其會(huì)影響I值的大小，因此，R1的變化也會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性存在影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接觸電阻的影響因素

影響金屬間接觸電阻的因素很多，包括接觸界面的材料種類(lèi)、粗糙度、壓力，以及金屬材料表面的氧化等。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)銀互連片的材料種類(lèi)、加工方法均會(huì)嚴(yán)格控制，采用確定的加工方法可以保證材料的粗糙度保持較好的一致性；而壓力則可由焊接設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制。另外，焊接電極在連續(xù)焊接過(guò)程中其端頭會(huì)被逐漸氧化，從而影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。而氬氣可對(duì)焊接電極起到一定的保護(hù)作用，提高焊接工藝的穩(wěn)定性。因此，在有、無(wú)氬氣保護(hù)的情況下，對(duì)連續(xù)焊接時(shí)太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路中的總電流I隨焊接次數(shù)變化而變化的情況進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 有、無(wú)氬氣保護(hù)時(shí)，I隨焊接次數(shù)變化而變化的情況Fig. 3 With or without argon protection，I changes with changes of number of welding

由圖3可知，無(wú)氬氣保護(hù)時(shí)，隨著焊接次數(shù)的增加，焊接電極的端頭逐漸被氧化，從而造成I逐漸下降；當(dāng)達(dá)到某一臨界值(圖中焊接次數(shù)約為55次)后，I開(kāi)始急劇下降，因此焊接過(guò)程中焊點(diǎn)處的有效熱量也會(huì)隨之下降，導(dǎo)致焊接區(qū)域的溫度大幅降低，從而出現(xiàn)“虛焊”現(xiàn)象。

從圖3中還可以看出，有氬氣保護(hù)時(shí)，I的變化趨勢(shì)與無(wú)氬氣保護(hù)時(shí)的變化趨勢(shì)類(lèi)似，但I(xiàn)的下降速率大幅降低；當(dāng)焊接次數(shù)約為90次時(shí)，I才開(kāi)始急劇下降。由此可知，采用氬氣保護(hù)的方式可以有效提高太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性，而且還可以延長(zhǎng)焊機(jī)電極的使用壽命。

2.2 焊機(jī)電極的影響因素

焊機(jī)電極由Mo材料制成，焊接電極主體部分的截面尺寸為3.2 mm×3.2 mm、長(zhǎng)度為37.4 mm，而主體部分與銀互連片直接接觸的一端則逐漸收縮為截面尺寸為0.6 mm×0.4 mm、長(zhǎng)度為2.3 mm的細(xì)棒。理想情況下，R1值是固定的，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于焊機(jī)電極需要經(jīng)常被打磨以除去其端頭的氧化物，造成焊機(jī)電極細(xì)棒部分的長(zhǎng)度會(huì)逐漸變短，從而影響焊接電極的電阻值。

根據(jù)Mo的電阻率[10]，可計(jì)算出I隨焊機(jī)電極打磨長(zhǎng)度變化而變化的情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 I隨焊機(jī)電極打磨長(zhǎng)度變化而變化的情況Fig. 4 I changes with changes of grinding length of welding machine electrode

由圖4可知，隨著焊機(jī)電極打磨長(zhǎng)度逐漸增加，I也逐漸增大，這是因?yàn)楹笝C(jī)電極打磨長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致其細(xì)棒部分的長(zhǎng)度逐漸減小，使R1值也逐漸減小，從而導(dǎo)致I逐漸增大。

當(dāng)I增大到一定程度時(shí)，焊接產(chǎn)生的熱量會(huì)過(guò)高，使焊接區(qū)域的溫度大幅升高，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池的電性能衰減，甚至?xí)斐伞斑^(guò)焊”現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為銀互連片被熔斷。由I過(guò)高而引起的銀互連片被熔斷的情況如圖5所示。

圖5 因I過(guò)高而引起的銀互連片被熔斷Fig. 5 Silver interconnect sheet is fused caused by high I

I過(guò)高會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)域的溫度過(guò)高，造成銀互連片被熔斷，形成如圖5所示的半圓形孔洞。另外，焊接溫度的升高會(huì)導(dǎo)致焊機(jī)電極的氧化速率大幅增加，I隨焊接次數(shù)變化而變化的幅度會(huì)變得更為劇烈，將嚴(yán)重影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。

3 控制措施的討論

通過(guò)以上分析和實(shí)驗(yàn)，確定了在實(shí)際焊接過(guò)程中影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的2個(gè)主要因素，分別為焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻值的異常增大和因打磨造成的焊機(jī)電極自身電阻值的減小。針對(duì)這2個(gè)影響因素，可以采取以下措施對(duì)工藝穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)：

1)由于焊接電極端頭的氧化會(huì)導(dǎo)致焊接電極和銀互連片之間接觸電阻的增大，因此對(duì)于因持續(xù)焊接造成的焊機(jī)電極端頭氧化，可以從以下2個(gè)方面采取措施：一方面，可以在太陽(yáng)電池平行間隙焊接過(guò)程中采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，以延緩焊接電極端頭的氧化；另一方面，可通過(guò)打磨焊機(jī)電極端頭來(lái)去除氧化層，使焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻恢復(fù)正常。但需要注意的是，應(yīng)確定合適的打磨時(shí)機(jī)，先對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路的總電流進(jìn)行檢測(cè)，然后規(guī)定當(dāng)回路的總電流下降到某個(gè)閾值時(shí)再進(jìn)行打磨，以避免因回路的總電流過(guò)低而造成“虛焊”現(xiàn)象。

2)對(duì)于因打磨造成的焊機(jī)電極自身電阻值減小這一影響因素，需要控制焊機(jī)電極的打磨長(zhǎng)度，防止因太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路的總電流過(guò)大出現(xiàn)“過(guò)焊”現(xiàn)象，以及因加劇焊機(jī)電極的氧化速率而影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。

3)另外，通過(guò)上述分析可知，對(duì)于恒壓焊接模式，太陽(yáng)電池平行間隙焊接回路中任何部位的電阻值的異常變化均會(huì)使焊接回路總電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，在太陽(yáng)電池平行間隙焊接過(guò)程中對(duì)焊接回路總電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并設(shè)定合適的電流控制范圍是有必要的，如此可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在異常的焊接樣件，從而可提高太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對(duì)太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的原理和特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)確定了恒壓焊接模式下影響太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝穩(wěn)定性的主要因素，分別為焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻及焊機(jī)電極的電阻。其中，焊機(jī)電極端頭的氧化會(huì)導(dǎo)致焊機(jī)電極和銀互連片之間的接觸電阻增大，容易造成“虛焊”現(xiàn)象；而焊機(jī)電極端頭因持續(xù)被打磨會(huì)造成其自身電阻的減小，容易造成“過(guò)焊”現(xiàn)象。通過(guò)采取惰性氣體保護(hù)、及時(shí)對(duì)焊機(jī)電極端頭進(jìn)行打磨以去除氧化層、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接回路的總電流的變化情況等控制措施，可以有效保證太陽(yáng)電池平行間隙焊接工藝的穩(wěn)定性。