光伏領(lǐng)域中銀和鉛的消耗是實(shí)現(xiàn) 100% 可再生能源生產(chǎn)目標(biāo)的主要關(guān)注點(diǎn)之一。雙面 PERC + 太陽能電池的正面接觸使用銀，背面則通過鋁金屬化與硅接觸，但鋁的天然氧化層阻礙了標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝，因此通常使用背面銀焊盤實(shí)現(xiàn)電池與銅線的互連。

超聲波焊接技術(shù)

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原理：超聲波焊接通過空化效應(yīng)破壞鋁的氧化層，使熔融焊料（SnZn10）與鋁形成金屬間接觸，從而生成可焊接的表面。優(yōu)勢：

• 完全避免背面銀墊的使用，減少銀消耗20%~40%。
• 錫鋁合金的電阻率比銀鋁合金低6倍以上，降低了接觸電阻。
• 兼容現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝，無需增加生產(chǎn)步驟。

具體實(shí)驗(yàn)操作

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PERC+太陽能電池的金屬柵線布局展示了三種不同類型的 PERC + 電池（5BB 布局的 A 型和 B 型、9BB 布局的 C 型）的正反面結(jié)構(gòu)。紅色線條標(biāo)注了超聲波鍍錫區(qū)域的位置，位于背面鋁母線的銀焊盤之間，寬度 1 mm，長度 5–12 mm。超聲波鍍錫使用Sn90Zn10無鉛焊料，通過超聲波焊接站進(jìn)行，頻率為60kHz，功率范圍4W至12W，焊接頭溫度可在150°C至480°C之間調(diào)節(jié)。超聲波焊接頭從220°C的焊料槽中收集焊料，并在180°C的太陽能電池上進(jìn)行操作，以防止焊料在應(yīng)用過程中凝固。通過手動焊接過程，將銅帶焊接在這些鍍錫區(qū)域上。

損傷檢查

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PL成像檢測損傷對比了超聲波功率12 W、焊鐵溫度300°C下鍍錫前后的PL圖像，在最大超聲波功率12W和300°C的焊接頭溫度下，電池在鍍錫區(qū)域的發(fā)光減少不到1%，表明超聲波焊接過程對電池表面的損傷極小。這說明超聲波鍍錫技術(shù)在破壞鋁氧化層的同時(shí)，不會對電池的其他部分造成顯著損害。

機(jī)械附著力

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不同工藝參數(shù)下的剝離力測試結(jié)果行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN EN 50461）：剝離力需≥1 N/mm圖a：5BB 電池（A 型）在不同超聲功率（4–12 W）和溫度（250–400°C）下的剝離力。當(dāng)功率≥10 W、溫度300–400°C 時(shí)，剝離力中位數(shù)達(dá)1.5–2.8 N/mm，超過標(biāo)準(zhǔn)要求的 1 N/mm。圖b：9BB電池（C 型）在不同超聲功率（6–10 W）和焊頭移動速度（25–250 mm/s）下的剝離力。速度提高至250 mm/s 時(shí)，10 W 功率下剝離力中位數(shù)達(dá)3 N/mm，表明更高主柵密度可提升機(jī)械穩(wěn)定性。超聲功率和溫度是影響附著力的關(guān)鍵因素，9BB電池因鋁漿料結(jié)構(gòu)優(yōu)化表現(xiàn)更優(yōu)。

結(jié)構(gòu)分析

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超聲波鍍錫母線的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像超聲波功率對焊料滲透的影響：

• 低功率（4 W）無法實(shí)現(xiàn)全滲透，導(dǎo)致機(jī)械和電學(xué)性能不足；
• 高功率（10 W）通過破壞氧化層、填充孔隙和形成金屬鍵合，同時(shí)提升機(jī)械強(qiáng)度（剝離力達(dá)標(biāo)）和導(dǎo)電性（電阻降低）。

無損傷工藝驗(yàn)證：

• 鍍錫后鋁母線結(jié)構(gòu)保持完整，未出現(xiàn)顆粒變形或漿料致密化，證明超聲波能量被精準(zhǔn)用于氧化層破除和焊料滲透，而非破壞母線本身。

電池性能

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接觸電阻測量路徑示意圖

不同超聲功率下鋁母線鍍錫前后的線路電阻（四點(diǎn)探針測量）評估兩種接觸方案的路徑電阻（Rpath）

• 傳統(tǒng)方案：鋁母線 → 銀焊盤 → 銅互連（存在 Al/Ag 界面電阻）；
• 超聲波方案：鋁母線 → 錫焊盤 → 銅互連（存在 Al/SnZn 界面電阻）。

四點(diǎn)探針測量表明，超聲波鍍錫顯著降低了母線的線路電阻，10W功率下電阻降低達(dá)40%。

超聲波鍍錫與銀焊盤的路徑電阻老化對比初始狀態(tài)下，超聲波鍍錫接觸的路徑電阻（0.3 mΩ）顯著低于銀焊盤（3 mΩ），因 Al/Ag 復(fù)合層電阻率高。經(jīng)600 次熱循環(huán)后，鍍錫接觸電阻升至 2.5 mΩ，仍低于銀焊盤的4.5 mΩ，證明其長期導(dǎo)電性更優(yōu)。

組件性能

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組件在濕度 - 凍結(jié)（HF）循環(huán)下的效率和填充因子老化

超聲波鍍錫組件與參考組件的 I-V 特性對比對比超聲波鍍錫組件（US Module 1/2）與銀焊盤參考組件（Reference 1）的老化表現(xiàn)。經(jīng)200 次 HF 循環(huán)后，鍍錫組件效率損失 < 3.6%，符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)（≤5%），證明抗?jié)駸崂匣芰_(dá)標(biāo)。超聲波鍍錫組件在初始光電性能上不劣于傳統(tǒng)銀焊盤組件，甚至因串聯(lián)電阻降低而略有提升。

US Module 3 的電致發(fā)光（EL）圖像顯示5片9BB 半切電池組成的組件，邊緣區(qū)域因手動焊接出現(xiàn)小裂紋（右側(cè)第二片電池暗區(qū)），提示需優(yōu)化接觸位置（如采用連續(xù)母線設(shè)計(jì)）以減少破損風(fēng)險(xiǎn)。

組件在熱循環(huán)（TC）下的效率和填充因子老化對比超聲波鍍錫組件（US Module 3）與銀焊盤參考組件（Reference 2）的熱循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)600次TC循環(huán)后，鍍錫組件效率損失< 2.2%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，驗(yàn)證了長期機(jī)械和電氣可靠性。超聲波鍍錫工藝憑借其在機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能和抗老化能力等方面的出色表現(xiàn)，成功實(shí)現(xiàn)了雙面 PERC + 太陽能電池背面的無銀、無鉛互連，不僅顯著降低了貴金屬消耗，還提升了組件性能。在機(jī)械可靠性層面，180°剝離力測試顯示，超聲波鍍錫焊盤的附著力中位數(shù)可達(dá) 3N/mm，遠(yuǎn)超 DIN EN 50461 標(biāo)準(zhǔn)要求的 1N/mm，且 95% 的斷裂發(fā)生在鋁母線漿料與硅基底界面，證明焊接界面強(qiáng)度已超越傳統(tǒng)銀焊盤方案。

美能拉脫力綜合測試儀

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美能拉脫力綜合測試儀ME-CELL-CTT根據(jù)光伏行業(yè)研發(fā)的，專用于光伏行業(yè)硅晶片、硅料、電池組件等相關(guān)產(chǎn)品的剝離力、抗拉強(qiáng)度等測試的專用測試設(shè)備。本設(shè)備為臥立式一體電池片測試儀同時(shí)兼具臥式 180° 剝離強(qiáng)度測試和立式電池片彎曲測試。

• 臥式測試模塊可達(dá)到28個(gè)傳感器同時(shí)使用
• 立式測試模塊可用于成品電池或材料的拉伸壓縮、彎曲等試驗(yàn)
• 符合CB/T16491-2009，CB/T16491-96與JB/T17797-95國家標(biāo)準(zhǔn)

通過使用美能拉脫力綜合測試儀對超聲波鍍錫后的電池互連進(jìn)行拉脫力測試，我們進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性。結(jié)果顯示，超聲波鍍錫后的互連在不同工藝參數(shù)下均展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，拉脫力遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的1N/mm，最高可達(dá)3N/mm，這為大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

原文參考：Ultrasonic Tinning of Al Busbars for a Silver-FreeRear Side on Bifacial Silicon Solar Cells

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