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金属化工艺新突破!新型串焊技术消除热斑及微裂纹

【引言】

这是一项振奋人心的技术革新,可以减少光伏组件中热斑的形成,延长组件使用寿命;焊点还能实现“自我修复”,即当存在在极端应力导致断路后能恢复电气连续性;电池在短路电流密度几乎表现为零损耗。

电池片在丝网印刷及烧结工艺中,组件在电池片的串焊工艺中,不可避免地会造成电池片的隐裂或微裂纹。十年前,自动串焊技术的不成熟组件厂不得不采用大量的人力进行串焊,劳动力成本成为组件制造的重要影响因素,这也在一定程度上造就了尚德、天合、晶科、英利、晶澳等一批中国光伏组件企业的崛起。尽管不断成熟的自动串焊工艺逐渐取代了人工串焊,但电池片的厚度也在不断减薄,电池片的面积却在向166、210等大尺寸发展,因而串焊造成的隐裂或微裂纹始终是组件制造的硬伤。

来自新墨西哥大学和美国空军研究实验室的科学家开发出一种新的复合材料电池金属化技术,不仅能大大降低光伏组件、电池的微裂纹或隐裂,还能让产生微裂纹/隐裂的电池减少电损耗和热斑效应,不仅能用于传统电池、空间太阳能电池,对新型异质结电池也是巨大利好。

金属化工艺新突破!新型串焊技术消除热斑及微裂纹

新技术介绍

新技术包括由基于可以嵌入丝网印刷银浆的多壁碳纳米管组成的丝网印刷金属化系统。可嵌入到多壁碳纳米管的银浆被称为MetZilla Paste,该技术旨在取代传统的电池金属化工艺,可以大大减少金属化应力引起的电池微裂纹及后继引起的光伏电池热斑效应。

资料显示,这一新型电池金属化工艺能将组件使用寿命延长到30年以上。

金属化工艺新突破!新型串焊技术消除热斑及微裂纹

MetZilla Paste是将多壁碳纳米管嵌入在银基体中,加强了多结光伏电池金属栅线和主线线的机械和电性能,但对电栅线和主线的电气性能没有影响。研究人员认为,当碳纳米管被适当功能化并以特别的工艺混入银浆中,光伏电池在丝网印刷和烧结后,能显示出优异的断裂韧性。在电池片隐裂间隙小于35μm 时,几乎对电性能没有任何影响。

新材料的最大电流密度可达500 to 2500 A/cm 2 。

金属触点的自修复性能

据科学家称,由此产生的复合金属触点具有高达50μm的电间隙桥接能力。在极端应力造成裂纹而形成断路后,电池片由于形变可能让裂纹间隙小于50μm,采用新银浆技术能让电气连续性实现自我修复。

尽管研究者对这种自我修复行为确切机制尚不清楚,但众所周知,传统金属化工艺在裂纹形成后会造成电性能不可逆地失效,即使微裂纹裂面重合,裂缝间隙消除也不能恢复电连续性。

金属化工艺新突破!新型串焊技术消除热斑及微裂纹

在一定程度上,这种性能恢复可能来自新材料的延展性,延展性的提高可能会延长光伏组件的寿命,使其免受应力引起的电池裂纹、金属线断裂和最终热斑的影响。

人为引入隐裂的试验中,采用新材料的电池其EL影像依然有很好的连续性。

目前该技术测试只完成了小组件实验室试验,尚未在大组件产线上应用,研究人员必须改进银浆粘度和丝网印刷、烧结温度等,以降低网栅与基板之间的接触电阻和线性电阻。

空间应用

该技术是与美国空军实验室合作开展,因而其另一重要应用是卫星用的高效砷化镓(GaAs)光伏电池。在III-V材料光伏电池的生产中,研究人员开发的一种称为Metzilla Plate的工艺技术取代了光刻和真空镀膜工艺,通过加入碳纳米管来确保电池的抗裂纹性能。研究人员声称,应用该技术后,即便在卫星发射前发现裂纹,依赖新材料出色的修复性能,甚至不需要更换电池。复合材料增强的电池比传统金属化工艺生产的多结器件性能更好,即使电池因为人为因素导致裂纹。

生来适用异质结

对于异质结电池,一直以来困扰电池隐裂的是高成本的低温银浆技术。现在的异质结工艺普遍依赖低温金属化工艺,新开发的Metzilla Paste本身就是采用低温工艺。

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