晶体硅太阳电池焊接应力研究

DelSolar Confidential 摘要 摘要 晶体硅太阳电池的焊接工艺是太阳电池组件制造过程最主要的工序之 一 焊接过程造成的电池碎片是影响组件生产成本的主要因素 通过分析不同 焊接区域 焊接温差及不同规格焊带对电池片应力分布的影响 选择优化合理 的焊接位置 焊接温度和焊带 达到降低焊接过程中电池碎片的目的 关键词 关键词 太阳电池组件 焊接 应力 从硅锭到电池片的生产过程中 至少有 4 道工序 铸锭或拉棒 切片 烧结 导 致材料发生损伤 出现微观缺陷 产生残余应力 从而导致电池片的整体或局 部强度降低 产生太阳能组件制造过程中电池片碎裂的诱因 作为晶体硅太阳 能组件生产过程中的主要工序 电池片的单片焊接和片间互联是将单个电池片 进行串联 使其形成一个回路 达到收集各个电池片上的电荷的目的 在单片 的焊接和片间互联过程中 材料的温度变化并不均匀 焊接区域局部出现较大 的温差 导致电池片局部应力集中明显 同时焊带在冷却过程中较大的收缩变 形对电池的强度产生了较大的影响 导致焊接过程电池片碎裂 我们运用数值模拟技术分析太阳电池组件焊接工艺中的应力分布情况 通 过改变焊接温度 焊接区域和焊带规格 研究在晶体硅太阳能组件制造过程中 对电池片本身结构的影响 找出电池片在焊接过程中产生碎片的主要原因 提 出减少电池片碎裂的措施和方法 1 模型参数模型参数 分析所取电池片尺寸为 125mmX125mm 电池片 厚度为 220um 在焊接过 程中 焊接区域上下表面存在温差 且是一个瞬态传热过程 取焊接区域的剖 面建模如图 l 所示 温度的高低由颜色的深浅来表示 图 2 给出了电池片焊接 0 0278s 单位长度上的焊接时间 时的温度分布图 从图中可以看出 电池片的 平均温度为 220 焊接预热温度为 45 电池片焊接前后的温度差为 175 电池片焊接时表面的温度为 360 也即电池片焊接过程中会存在温度冲击 我们在分析不同焊接区域对电池片的应力分布的影响和模拟不同焊带的焊接过 程所采用的焊接温度差均为 160 电池片银电极宽 2mm 厚 30um 焊带材料 假设为纯铜 规格为 0 31mmx2mm 0 25mmx2mm 和 0 18mmx2mm 采用 ANSYS10 0 进行有限元模拟 表 1 给出的是硅 铝 银和铜的弹性模量 泊松 比和热膨胀系数 其中硅的弹性模量通过实验测得 其它参数通过文献得到 DelSolar Confidential 2 不同焊接方式对电池片应力分布的影响不同焊接方式对电池片应力分布的影响 电池片的焊接区域是在电池正反两面的银电极 整个银电极都是可焊区域 在实际生产过程中可以采用间隔焊接 图 3 给出了 5 种焊接位置的分布和长度 其中红色部分表示焊接后形成的银硅合金 为了获得不同的焊接位置和焊接长 度对电池片应力的影响 对这五种情况进行分析 DelSolar Confidential 针对上述 5 种不同的焊接方式 对焊接后电池片的 X 方向的正应力 y 方向的 正应力 XY 向剪应力 第一主应力和第三主应力进行模拟分析 应力分布情 况见表 2 分析发现方式 3 和方式 5 中 X 方向正应力 y 方向正应力以及第一 主应力明显低于其它方式 由于硅是脆性材料 其适应最大拉应力强度理论 第一主应力是主要判断依据 但在实际生产中 目前国内主要焊接方式为手工 焊 方式 5 在焊接过程中需要 2 次间隔不焊 在实际操作中较难控制 因此 采用方式 3 较为合适 3 焊接温差对电池片应力分布的影响焊接温差对电池片应力分布的影响 电池片焊接过程中 电池片焊前和焊接时的温差是焊接工艺中最重要的参 数 焊接温差过低 导致电池片焊不牢和虚焊 焊接温差过高 使电池片的局 部温度升高 使电池片碎裂 但同时焊接后的电池片是一个复合结构 不同材 DelSolar Confidential 料的变形收缩性不同 使得其受力过程变得极为复杂 因第一主应力的分布关 系到电池片主要碎裂原因 采用 ANSYS10 0 软件对不同温差下的第一主应力进 行分析 得出图 4 所示的焊接温差与电池片第一主应力的关系 从图 4 可以看出 随着焊接温差的增加电池片第一主应力逐渐增大 焊接 温差与电池片第一主应力呈线性关系 焊接温差为 160 时 对应电池片的第 一主应力最大值为 38 4MPa 当焊接温差增加为 320 时 对应电池片的第一 主应力增加到 76 8MPa 分析结果表明 不同的焊接温差对电池片第一主应力存在较大的影响 温差越 大 第一主应力越大 电池越容易碎裂 因此在实际生产中应尽量减小焊接温 差 4 4 不同规格焊带对电池片强度的影响不同规格焊带对电池片强度的影响 采用规格为 0 3mmx2mm 0 25mmx2mm 0 18mmx2mm 三种不同的焊条 按 方式 3 进行焊接 考虑降温过程 焊接前后的温度差为一 160 对三种不同 焊带规格焊接的电池片在不同温差下的应力分布进行分析 表 3 为不同规格焊 带焊接后电池片的应力分布情况 DelSolar Confidential 给出的应力分量包括电池片 x 方向的正应力 y 方向的正应力 XY 向剪应 力 第一主应力和第三主应力 比较发现不同规格焊带对电池片强度的影响主 要体现在 xy 向剪应力和第三主应力 数据结果表明焊带的厚度越小 对电池片 强度的影响也就越小 5 5 结论结论 通过改变焊接温度 焊接区域和焊带型号 运用数值模拟技术分析太阳电 池组件焊接工艺中的应力分布情况 及对电池片本身结构的影响 可以得出以 下结论 1 通过分析不同的焊接区域对电池片应力分布的影响 得到采取可焊 区域两端不焊 只焊中间段的方式比较合理 焊接长度为可焊接区域的 1 3 2 3 即 42 84