来自美国的研究团队Barry Hartweg等人在Solar Energy Materials and Solar Cells国际杂志上发表文章Qualification of laser-weld interconnection of aluminum foil to back-contact silicon solar cells。
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导读
激光焊接可用于将高效背接触硅太阳能电池与低成本铝箔连接。这种焊接方法相对较新，因此在商业采用之前需要对其可靠性进行详细审查。在这项研究中，研究人员将50 μm厚的铝箔焊接到 Sunpower 背接触电池上，并观察到激光焊接附着力、模块填充系数和热循环可靠性都高度相关。基于附着力数据构建的JMP统计模型显示，提高激光焊接附着力的统计学显著参数是激光脉冲能量、脉冲密度和图案。
增加激光脉冲能量和密度可以改善铝箔对电池金属化的粘附，这可能是因为通过横截面显微镜鉴定，电池Cu电极上的Sn封盖层的熔化得到改善。使用平均附着力高于 0.8 mJ 的激光焊接制造的模块中，有 94.4% 在 200 次热循环后损失了不到其初始最大功率的 5%，这是任何单次加速应力测试的 IEC 61215 标准。此外，90.0%的组件串联电阻低于1.9 Ω厘米的组件通过了热循环。因此，激光焊接附着力和制造模块的串联电阻可用于进一步开发新的激光焊接设置，并作为这些模块制造的质量控制参数。
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论文概述
该研究展示了一种强大的纳秒激光焊接工艺，该工艺将铜金属化 BC 电池与铝箔互连。探索了广泛的激光参数，以找到在不损坏太阳能电池的情况下产生可测量附着力的设置。对各种激光焊接设置进行剥离测试，结果与 TC 中的模块性能相关联，以确定激光焊缝承受 TC 测试所需的机械要求。
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图文解析
该研究中的微型组件是在亚利桑那州立大学制造的，每个模块使用一个Sunpower E60 BC电池;这些电池很容易从在线供应商处获得。制造过程需要两步层压，在第一次层压后，后铝箔暴露在外进行激光焊接;焊接时的模块堆栈示意图如图 1 所示。
图1. 激光焊接时微型模块或剥离测试样品堆栈的示意图。微型模块在95°C下层压，剥离样品在110°C下层压
图2.该研究中使用的不同激光图案的自上而下的显微镜图像。这些图像是在铝箔仍在原位的情况下“焊接”拍摄的
在初始筛选中测试激光设置时，研究人员观察到激光焊接分为三大类：未焊、适当焊接和过度焊接。图 3 显示了每个示例。这些样品像剥离测试样品一样制备，并在剥离铝箔后成像，以显示激光焊接对电池电极表面的影响。
图3. 激光焊接和铝箔去除后电池电极表面的共聚焦显微镜图像。使用相同的脉冲密度（500 脉冲/mm）和图案（三条 0.5 mm 的线）制备了三种不同的焊缝。只有脉冲能量是变化的
该研究选择讨论的模型实现了最高的F比（最低信噪比），并预测模型中的大多数因素具有统计学意义。请注意，如果因子在双尾 t 检验 （Prob > |t|） 中的 p 值低于 0.05，则认为因子具有统计显著性。JMP模型的剥离数据、预测值和预测方程如图4所示。
图4. 黑点表示测得的剥离能量值和线性JMP模型预测的值，包括三个因素：脉冲能量、脉冲密度和激光方向图。红线是预测方程，红色阴影区域表示平均值周围的 95% 置信区间
图5. （a） 微型模块FF，（b） 微型模块Rs，以及（c）姊妹样品的剥离能量与激光能量密度的函数关系，这是表2中激光脉冲能量和密度的乘积。所有样品均采用SoS激光图案制成。（a）中的黑线是眼睛的导向线，蓝色虚线代表两个焊接参考微型模块的范围。（b）中的黑线是平均值的线性回归，误差线表示平均值的标准差
图6.（a） SoS-3横截面的低倍率显微镜图像。SoS-3 的“外铝层”图像上标记的红线显示了该横截面“切片”在样品上的位置的估计值 （b） 电池电极：激光焊接后剥离铝箔以暴露电池电极后的自上而下的显微镜图像。外铝层：激光焊接后的自上而下的显微镜图像，铝留在原位。横截面：在环氧树脂中灌封和抛光后，“外铝层”色谱柱样品的SEM图像。硅中的裂纹和缺陷是样品制备中细胞裂解的结果。EDS 地图：来自“横截面”列的图像元素图。右上角的图例表示使用的元素颜色代码。
图6.（a） SoS-3横截面的低倍率显微镜图像。SoS-3 的“外铝层”图像上标记的红线显示了该横截面“切片”在样品上的位置的估计值 （b） 电池电极：激光焊接后剥离铝箔以暴露电池电极后的自上而下的显微镜图像。外铝层：激光焊接后的自上而下的显微镜图像，铝留在原位。横截面：在环氧树脂中灌封和抛光后，“外铝层”色谱柱样品的SEM图像。硅中的裂纹和缺陷是样品制备中细胞裂解的结果。EDS 地图：来自“横截面”列的图像元素图。右上角的图例表示使用的元素颜色代码
在图 7 中，初始 Rs使用表 2 中列出的激光设置制造的每个微型模块与其姊妹剥离样品的相应平均剥离能量值作图。还包括参考 FF 和 Rs两个参考焊接微型模块的范围以及四个未焊接的铝箔互连微型模块的平均±标准偏差值。
图 7. 平均±标准开发剥离能量值与其相应的微型模块 （a） FF 和 （b） R 相对应s在任何 TC 压力测试之前制造的值。蓝色虚线表示两个焊接参考微型模块的范围，红色阴影区域表示四个未进行任何激光焊接的铝箔互连微型模块的平均±标准开发值
从图 8 中可以看出，有五种激光焊接设置，产生的模块具有初始 Rs与焊接达到的值相当或更低，并且随后通过了 TC。这些是 12s-2、SoS-5、SoS-6、6x7-2 和 Sp-7 设置，有趣的是，它们使用了四种不同的激光方向图和四种不同的激光脉冲能量和密度组合，这表明如果使用适当的相应激光参数，则有可能在各种激光方向上实现足够的激光焊接。
图 8. P的相对变化MPP的在 200 TC 后，微型模块根据 （a） 激光焊接剥离能量和 （b） 微型模块初始 FF 进行绘图。蓝色虚线表示两个焊接参考微型模块的范围。有关激光焊接图例，请参阅表 2。−5%标记处有一条水平参考线，用于指示通过IEC 61215的阈值。垂直参考线是建议的截止值，用于识别需要进一步测试的激光焊接设置和预制模块
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主要结论
在这项工作中，发现了激光脉冲能量、密度和图案是铝箔和BC电池电极之间粘附的统计学显着参数。横断面显微镜显示，更高的附着力和 Rs似乎与BC电池Cu电极上的Sn涂层在焊接过程中熔化并重新分布有关。激光焊接附着力和模块初始 Rs在TC测试中发现与模块性能高度相关。在用激光焊缝制造的 18 个模块中，平均剥离能量为 0.8 mJ 或更高，其中 17 个（94.4%）通过了 TC 测试，相对于其初始 P 的损失不到 5%MPP的.在 20 个使用激光焊缝制造的模块中，初始 Rs的 1.90 Ω cm2或更高，其中 18 个（即 90.0%）通过了 TC。
因此，在将激光焊接应用于模块之前，该附着力参考值可以用作激光焊接开发的指标，并且该初始 Rs参考值可用作生产线中通过或拒绝模块的简单质量控制指标。虽然这项工作的重点是 TC 测试，观察到它加速了焊接不当模块中突出的失效机制，但后续研究应强调与其他相关测试的相互联系，例如通过 TC 的电流负载、湿度冻结和机械负载。
来自：高能束加工技术
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