來自美國的研究團隊Barry Hartweg等人在Solar Energy Materials and Solar Cells國際雜志上發表文章Qualification of laser-weld interconnection of aluminum foil to back-contact silicon solar cells。
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導讀
雷射焊接可用于将高效背接觸矽太陽能電池與低成本鋁箔連接配接。這種焊接方法相對較新，是以在商業采用之前需要對其可靠性進行詳細審查。在這項研究中，研究人員将50 μm厚的鋁箔焊接到 Sunpower 背接觸電池上，并觀察到雷射焊接附着力、子產品填充系數和熱循環可靠性都高度相關。基于附着力資料建構的JMP統計模型顯示，提高雷射焊接附着力的統計學顯著參數是雷射脈沖能量、脈沖密度和圖案。
增加雷射脈沖能量和密度可以改善鋁箔對電池金屬化的粘附，這可能是因為通過橫截面顯微鏡鑒定，電池Cu電極上的Sn封蓋層的熔化得到改善。使用平均附着力高于 0.8 mJ 的雷射焊接制造的子產品中，有 94.4% 在 200 次熱循環後損失了不到其初始最大功率的 5%，這是任何單次加速應力測試的 IEC 61215 标準。此外，90.0%的元件串聯電阻低于1.9 Ω厘米的元件通過了熱循環。是以，雷射焊接附着力和制造子產品的串聯電阻可用于進一步開發新的雷射焊接設定，并作為這些子產品制造的品質控制參數。
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論文概述
該研究展示了一種強大的納秒雷射焊接工藝，該工藝将銅金屬化 BC 電池與鋁箔互連。探索了廣泛的雷射參數，以找到在不損壞太陽能電池的情況下産生可測量附着力的設定。對各種雷射焊接設定進行剝離測試，結果與 TC 中的子產品性能相關聯，以确定雷射焊縫承受 TC 測試所需的機械要求。
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03
圖文解析
該研究中的微型元件是在亞利桑那州立大學制造的，每個子產品使用一個Sunpower E60 BC電池;這些電池很容易從線上供應商處獲得。制造過程需要兩步層壓，在第一次層壓後，後鋁箔暴露在外進行雷射焊接;焊接時的子產品堆棧示意圖如圖 1 所示。
圖1. 雷射焊接時微型子產品或剝離測試樣品堆棧的示意圖。微型子產品在95°C下層壓，剝離樣品在110°C下層壓
圖2.該研究中使用的不同雷射圖案的自上而下的顯微鏡圖像。這些圖像是在鋁箔仍在原位的情況下“焊接”拍攝的
在初始篩選中測試雷射設定時，研究人員觀察到雷射焊接分為三大類：未焊、适當焊接和過度焊接。圖 3 顯示了每個示例。這些樣品像剝離測試樣品一樣制備，并在剝離鋁箔後成像，以顯示雷射焊接對電池電極表面的影響。
圖3. 雷射焊接和鋁箔去除後電池電極表面的共聚焦顯微鏡圖像。使用相同的脈沖密度（500 脈沖/mm）和圖案（三條 0.5 mm 的線）制備了三種不同的焊縫。隻有脈沖能量是變化的
該研究選擇讨論的模型實作了最高的F比（最低信噪比），并預測模型中的大多數因素具有統計學意義。請注意，如果因子在雙尾 t 檢驗 （Prob > |t|） 中的 p 值低于 0.05，則認為因子具有統計顯著性。JMP模型的剝離資料、預測值和預測方程如圖4所示。
圖4. 黑點表示測得的剝離能量值和線性JMP模型預測的值，包括三個因素：脈沖能量、脈沖密度和雷射方向圖。紅線是預測方程，紅色陰影區域表示平均值周圍的 95% 置信區間
圖5. （a） 微型子產品FF，（b） 微型子產品Rs，以及（c）姊妹樣品的剝離能量與雷射能量密度的函數關系，這是表2中雷射脈沖能量和密度的乘積。所有樣品均采用SoS雷射圖案制成。（a）中的黑線是眼睛的導向線，藍色虛線代表兩個焊接參考微型子產品的範圍。（b）中的黑線是平均值的線性回歸，誤差線表示平均值的标準差
圖6.（a） SoS-3橫截面的低倍率顯微鏡圖像。SoS-3 的“外鋁層”圖像上标記的紅線顯示了該橫截面“切片”在樣品上的位置的估計值 （b） 電池電極：雷射焊接後剝離鋁箔以暴露電池電極後的自上而下的顯微鏡圖像。外鋁層：雷射焊接後的自上而下的顯微鏡圖像，鋁留在原位。橫截面：在環氧樹脂中灌封和抛光後，“外鋁層”色譜柱樣品的SEM圖像。矽中的裂紋和缺陷是樣品制備中細胞裂解的結果。EDS 地圖：來自“橫截面”列的圖像元素圖。右上角的圖例表示使用的元素顔色代碼。
圖6.（a） SoS-3橫截面的低倍率顯微鏡圖像。SoS-3 的“外鋁層”圖像上标記的紅線顯示了該橫截面“切片”在樣品上的位置的估計值 （b） 電池電極：雷射焊接後剝離鋁箔以暴露電池電極後的自上而下的顯微鏡圖像。外鋁層：雷射焊接後的自上而下的顯微鏡圖像，鋁留在原位。橫截面：在環氧樹脂中灌封和抛光後，“外鋁層”色譜柱樣品的SEM圖像。矽中的裂紋和缺陷是樣品制備中細胞裂解的結果。EDS 地圖：來自“橫截面”列的圖像元素圖。右上角的圖例表示使用的元素顔色代碼
在圖 7 中，初始 Rs使用表 2 中列出的雷射設定制造的每個微型子產品與其姊妹剝離樣品的相應平均剝離能量值作圖。還包括參考 FF 和 Rs兩個參考焊接微型子產品的範圍以及四個未焊接的鋁箔互連微型子產品的平均±标準偏內插補點。
圖 7. 平均±标準開發剝離能量值與其相應的微型子產品 （a） FF 和 （b） R 相對應s在任何 TC 壓力測試之前制造的值。藍色虛線表示兩個焊接參考微型子產品的範圍，紅色陰影區域表示四個未進行任何雷射焊接的鋁箔互連微型子產品的平均±标準開發值
從圖 8 中可以看出，有五種雷射焊接設定，産生的子產品具有初始 Rs與焊接達到的值相當或更低，并且随後通過了 TC。這些是 12s-2、SoS-5、SoS-6、6x7-2 和 Sp-7 設定，有趣的是，它們使用了四種不同的雷射方向圖和四種不同的雷射脈沖能量和密度組合，這表明如果使用适當的相應雷射參數，則有可能在各種雷射方向上實作足夠的雷射焊接。
圖 8. P的相對變化MPP的在 200 TC 後，微型子產品根據 （a） 雷射焊接剝離能量和 （b） 微型子產品初始 FF 進行繪圖。藍色虛線表示兩個焊接參考微型子產品的範圍。有關雷射焊接圖例，請參閱表 2。−5%标記處有一條水準參考線，用于訓示通過IEC 61215的門檻值。垂直參考線是建議的截止值，用于識别需要進一步測試的雷射焊接設定和預制子產品
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主要結論
在這項工作中，發現了雷射脈沖能量、密度和圖案是鋁箔和BC電池電極之間粘附的統計學顯着參數。橫斷面顯微鏡顯示，更高的附着力和 Rs似乎與BC電池Cu電極上的Sn塗層在焊接過程中熔化并重新分布有關。雷射焊接附着力和子產品初始 Rs在TC測試中發現與子產品性能高度相關。在用雷射焊縫制造的 18 個子產品中，平均剝離能量為 0.8 mJ 或更高，其中 17 個（94.4%）通過了 TC 測試，相對于其初始 P 的損失不到 5%MPP的.在 20 個使用雷射焊縫制造的子產品中，初始 Rs的 1.90 Ω cm2或更高，其中 18 個（即 90.0%）通過了 TC。
是以，在将雷射焊接應用于子產品之前，該附着力參考值可以用作雷射焊接開發的名額，并且該初始 Rs參考值可用作生産線中通過或拒絕子產品的簡單品質控制名額。雖然這項工作的重點是 TC 測試，觀察到它加速了焊接不當子產品中突出的失效機制，但後續研究應強調與其他相關測試的互相聯系，例如通過 TC 的電流負載、濕度當機和機械負載。
來自：高能束加工技術
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