太陽(yáng)能電池互連器和制造其的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料、用于制備這樣的高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料的工 藝、包括高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料的太陽(yáng)能互連器以及高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料的使用和/或 在太陽(yáng)能、飛機(jī)或太空應(yīng)用中的太陽(yáng)能互連器的使用。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，太陽(yáng)能電池用于在地球上以及太空中的電功率生成。在圖1中概述了太陽(yáng) 能電池的原理。為了實(shí)現(xiàn)所需的操作電壓，很多太陽(yáng)能電池（1) 一般經(jīng)由互連器（2)串聯(lián) 連接(被稱為"串")，互連器（2)通過(guò)焊接或熔接來(lái)施加到太陽(yáng)能電池觸頭（3)。一般通過(guò)在 10到30 Mm厚度的范圍內(nèi)化學(xué)蝕刻工藝或機(jī)械沖壓出薄金屬箔來(lái)制造互連器（2)。為了避 免引起降低功率輸出的電阻，這些互連器需要是足夠?qū)щ姷囊苑乐共豢山邮艿碾妷航怠?br>[0003] 此外，在太空應(yīng)用中，串通常使用硅粘合劑（4)來(lái)接合到具有碳纖維覆面板和具有 卡普頓（Kapton)前側(cè)絕緣（6)的鋁蜂窩芯（5)的夾層面板。為了輻射保護(hù)，蓋玻片（9)使 用透明硅酮膠（8)來(lái)接合到太陽(yáng)能電池（1)。這些襯底具有相對(duì)于太陽(yáng)能電池（1)的大的 熱膨脹失配。在具有高達(dá)200°C的溫度波動(dòng)的隱蔽期期間，在一個(gè)串內(nèi)部的兩個(gè)太陽(yáng)能電池 (1)之間的間隙（7)變化幾十Mm，這導(dǎo)致在互連器材料內(nèi)部的顯著的熱機(jī)械循環(huán)應(yīng)力。為 了處理此，現(xiàn)有技術(shù)是使用10到30 Mm厚的金屬箔，如Ag或Au(都可能具有用于加強(qiáng)的一 些添加劑)。這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)是除了良導(dǎo)電率以外，這些材料也可直接焊接到Ag電池觸 頭上。常常用作互連器材料的其它材料是Mo、科伐合金和英瓦合金。這些材料的低熱膨脹 系數(shù)（CTE)減小總間隙變化，使它們成為對(duì)具有幾萬(wàn)個(gè)隱蔽期（即，低地球軌道）的任務(wù)的良 好候選者。
[0004] 然而，因?yàn)檫@些材料不能被直接焊接或熔接到太陽(yáng)能電池觸頭，它們附加地用幾 Mm的Ag或Au來(lái)電鍍，這使工藝敏感和昂貴。
[0005] 已經(jīng)做出了用于在不失去材料的優(yōu)點(diǎn)（即，抗腐蝕、良好的可焊性和極好的導(dǎo)電 率）的情況下從熱機(jī)械循環(huán)穩(wěn)定性方面加強(qiáng)Ag和Au的若干嘗試。例如，US 5, 841，071描 述了 Au太陽(yáng)能電池互連器，銀、鈀和銅的跡線被添加到所述Au太陽(yáng)能電池互連器以在低地 球軌道（LEO)條件中實(shí)現(xiàn)幾萬(wàn)個(gè)熱循環(huán)。US 4, 885, 135 (在這種情況下針對(duì)用于半導(dǎo)體的 接合的細(xì)導(dǎo)線）描述添加稀土元素(如鑭（La)、鈰（Ce)等）的一些跡線和鍺（Ge)、鈹（Be)和 鈣（Ca)的一些跡線。為了加強(qiáng)Ag，可使用類似的元素 。US 5, 023, 144描述包含鈣（Ca)、鈹 (Be)、鑭（La)和銦（In)的跡線的太陽(yáng)能電池互連器的Ag合金箔。這導(dǎo)致增加的存儲(chǔ)壽命 和溫度穩(wěn)定性。US 2007/0231186 Al描述銅（Cu)、鈣（Ca)和鍶（Sr)的跡線被添加。
[0006] 然而，即使可使用這些所述技術(shù)來(lái)改善或甚至避免由熱循環(huán)引起的Ag和Au箔材 料的疲勞，對(duì)Ag和Au的Xe離子腐蝕的易感性和對(duì)在Ag的情況下原子氧腐蝕的易感性不 能被改善或避免。特別是，電氣太陽(yáng)能電池觸頭必須橋接在相對(duì)側(cè)上，以便必須從一個(gè)電池 的前側(cè)觸頭到相鄰電池的后側(cè)執(zhí)行電氣串聯(lián)連接。為了最小化由于熱產(chǎn)生的間隙變化在互 連器材料中引起的應(yīng)力，互連器（2 )通常是S形的，這使它們?cè)陔姵厣w玻片（9 )之上顯著地 突出。然而，在這里它們?nèi)绻诘偷厍蜍壍乐胁僮鲃t暴露于原子氧助熔劑，使得Ag變得被 原子氧高度攻擊。在Ag和Ag氧化物的CTE中的可比較的高差異導(dǎo)致在表面處的連續(xù)材料 剝落（=材料損耗）（氧化、由于熱循環(huán)、氧化引起的剝落…），且因此這個(gè)序列隨著時(shí)間的過(guò) 去降低了互連器厚度并可甚至導(dǎo)致由于互連器破損而引起的總損耗。
[0007] 此外，上述幾何結(jié)構(gòu)將材料暴露于用在大約IOOev的范圍內(nèi)的能量從電推進(jìn)系統(tǒng) 直接或以大角度發(fā)射的Xe離子，電推進(jìn)系統(tǒng)按常規(guī)用于衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制和越來(lái)越多地 用于軌道升高本身。然而，Ag和Au由這些撞擊的Xe離子高度腐蝕，使得根據(jù)離子劑量和 互連器厚度，太陽(yáng)能電池陣列串的電氣整體性不能被保證，且因此太陽(yáng)能電池陣列的總功 率可顯著地降低。處理這些高腐蝕率的一種方式將是使用足夠厚的互連器。然而，濺射的 金屬原子的材料回沉積的風(fēng)險(xiǎn)非常高并可導(dǎo)致短路的太陽(yáng)能電池且因此再次導(dǎo)致功率損 耗。除此以外，在S形互連器回路（2)內(nèi)部的應(yīng)力隨著厚度線性增加，且因此較厚的材料將 導(dǎo)致恰好在任務(wù)開始時(shí)的疲勞壽命中的降低。即使通過(guò)更多地使用抗Xe離子腐蝕材料(如 Mo或英瓦合金)，突出的Ag或Au鍍層仍被腐蝕并導(dǎo)致回沉積的風(fēng)險(xiǎn)。此外，因?yàn)楦g速率 取決于入射角，因此在互連器長(zhǎng)度之上的非均質(zhì)腐蝕分布可導(dǎo)致在熱機(jī)械循環(huán)期間的更高 應(yīng)力。再次，太陽(yáng)能電池陣列的總功率可降低，如果它由于這個(gè)原因而達(dá)到互連器的很多破 損。
[0008] 因此，仍然存在對(duì)具有改善的熱機(jī)械穩(wěn)定性和抗原子氧和抗Xe離子腐蝕的高度 導(dǎo)電的箔材料的要求。
[0009] 因此，本發(fā)明的目的是提供具有改善的熱機(jī)械穩(wěn)定性、具有高導(dǎo)電率和抗原子氧 和抗Xe離子腐蝕的箔材料。
[0010] 前述和其它目的由如在本文在權(quán)利要求1中限定的主題解決。在對(duì)應(yīng)的從屬權(quán)利 要求中限定了創(chuàng)造性箔材料的有利實(shí)施例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)方面，提供了包括鋁合金的高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料，鋁合金包 括選自由鈧（Sc )、鎂（Mg)、鋯（Zr )、鐿（Yb )和錳（Mn)組成的組的至少兩種元素。
[0012] 發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)前述高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料具有改善的熱機(jī)械穩(wěn)定性，且此外 以抗原子氧以及抗Xe離子腐蝕為特征。
[0013] 應(yīng)理解，為了本發(fā)明的目的，下面的術(shù)語(yǔ)具有下面的意義。
[0014] 在術(shù)語(yǔ)"包括"在本描述和權(quán)利要求中使用的場(chǎng)合，它并不排除主要或次要功能重 要性的其它未指定的元素。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)"由…組成"被考慮為術(shù)語(yǔ)"具有"的 優(yōu)選實(shí)施例。如果下文中的組被限定為包括至少特定數(shù)量的實(shí)施例，這也被理解為公開優(yōu) 選地只由這些實(shí)施例組成的組。
[0015] 每當(dāng)使用術(shù)語(yǔ)"包括（including)"或"具有"時(shí)，這些術(shù)語(yǔ)意指等效于如在上面限 定的"包括（comprising)"。
[0016] 在當(dāng)提到單數(shù)名詞時(shí)使用不定冠詞或定冠詞(例如"一"、"一個(gè)"或"該"）的場(chǎng)合， 這包括該名詞的復(fù)數(shù)，除非特別陳述另一回事。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一目的，提供了用于制備高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料的工藝，該工藝 包括下列步驟： a) 熔化預(yù)備材料，其包括用于形成熔融鋁合金的鋁和選自由鈧（Sc)、鎂（Mg)、鋯（Zr)、 鐿（Yb)和錳（Mn)組成的組的至少兩種元素； b) 將熔融鋁合金冷卻到室溫以形成固化鋁合金， c) 將固化鋁合金滾壓到從5. O Mm到100.0 Mm的厚度以形成滾壓鋁合金，以及 d) 在至少250°C的溫度下使?jié)L壓鋁合金退火。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，提供了包括高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料的太陽(yáng)能電池互連 器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了在太陽(yáng)能、飛機(jī)或太空應(yīng)用中的高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料 和/或太陽(yáng)能電池互連器的使用。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，鋁合金包括：a)基于鋁合金的總重量的以從0. 1到I. 0 wt. _%的數(shù)量的鈧（Sc)，和/或b)基于錯(cuò)合金的總重量的以從0. 1到5. 0 wt. _%的數(shù)量的 鎂（Mg)，和/或c)基于鋁合金的總重量的以從0. 075到0. 5 wt. -%的數(shù)量的鋯（Zr)，和/ 或d)基于鋁合金的總重量的以從0. 075到0. 5 wt. -%的數(shù)量的鐿（Yb)，和/或e)基于鋁 合金的總重量的以從0. 075到0. 6 wt. -%的數(shù)量的錳（Μη)。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，鋁合金包括選自由鈧（Sc )、鎂（Mg )、鋯（Zr )、鐿（Yb )和 錳（Mn)組成的組的兩種或三種或四種元素。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，鋁合金包括：a)基于鋁合金的總重量的以從0. 1到 I. 0 Wt. -%的數(shù)量的鈧（Sc)和以從0. 075到0. 5 Wt. -%的數(shù)量的鋯（Zr)，或b)基于鋁合金 的總重量的以從0. 1到1. 0 wt. -%的數(shù)量的鈧（Sc)和以從0. 075到0. 5 wt. -%的數(shù)量的鐿 (Yb)，或c)基于鋁合金的總重量的以從0. 1到I. 0 wt. -%的數(shù)量的鈧（Sc)和以從0. 1到 3. 2 wt. -%的數(shù)量的鎂（Mg)，或d)基于鋁合金的總重量的以從0. 1到3. 2 wt. -%的數(shù)量的 鎂（Mg)和以從0. 075到0. 5 wt. - %的數(shù)量的鐿（Yb)。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，鋁合金包括基于鋁合金的總重量的以從0. 1到1.0 wt. -%的數(shù)量的鈧（Sc)、以從0. 075到0. 5 wt. -%的數(shù)量的鋯（Zr)和以從0. 075到0. 5 wt.-%的數(shù)量的鐿（Yb)。附加地或替換地，鋁合金包括以從I / 1A / %到I / % / %的重 量比[Sc/Zr/Yb]的鈧（Sc)、鋯（Zr)和鐿（Yb)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，鋁合金包括基于鋁合金的總重量的以從0. 1到5.0 wt. -%的數(shù)量的鎂（Mg)、以從0. 1到I. 0 wt. -%的數(shù)量的鈧（Sc)、以從0. 075到0. 6 wt. -% 的數(shù)量的錳（Mn)和以從0. 075到0. 5 wt. -%的數(shù)量的鋯（Zr)。附加地或替換地，鋁合金包 括以從 1 / 1/18 / 1/57 / 1/51 到 1 / 1/20 / 1/7 / 1/40 的重量比[Mg/Sc/Mn/Zr]的 鎂（Mg)、鈧（Sc)、錳（Mn)和鋯（Zr)。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，鋁合金包括從包括基于鋁合金的總重量的以< 5. 0 wt.-%的總數(shù)量的銅（Cu)、錳（Mn)、鎂-硅（Mg-Si)、鋅（Zn)、鋰（Li)、銀（Ag)及其混合物的 組選擇的至少一種另外的合金元素。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，鋁合金包括從包括基于鋁合金的總重量的以< 2.0 wt.-% 的總數(shù)量的鐵（Fe)、鎳（Ni)、鈷（Co)、鉻（Cr)、釩（V)、鈦（Ti)、鈮（Nb)、鉭（Ta)、鉬 (Mo)、鎢（W)、鉿（Hf)及其混合物的組選擇的至少一種另外的合金元素。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，鋁合金包括從包括基于鋁合金的總重量的以< 1.0 wt.-% 的總數(shù)量的鑭（La)、鈰（Ce)、鐠（Pr)、釹（Nd)、钷（Pm)、釤（Sm)、銪（Eu)、釓（Gd)、鋱 (Tb)、鏑（Dy)、鈥（Ho)、鉺（Er)、銩（Tm)、镥（Lu)及其混合物的組選擇的至少一種另外的合 素。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施例，鋁合金包括從包括基于鋁合金的總重量的以< 0. 5 wt. _%的總數(shù)量的鈣（Ca)、鈹（Be)、鍶（Sr)、鋇（Ba)及其混合物的組選擇的至少一種另外的 合金元素。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料具有范圍從5.0 Mm到100 Mm 的厚度。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料以在室溫下在暴露于200°C的 溫度至少100小時(shí)之后與在溫度暴露之前相同的硬度和/或強(qiáng)度為特征。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1概述了太陽(yáng)能電池的原理。
[0031] 圖2用圖形示出了通過(guò)抗拉測(cè)試得到的關(guān)鍵機(jī)械性質(zhì)。
[0032] 圖3繪制了在2小時(shí)的溫度暴露的CE、IEl和IE2的室溫機(jī)械性質(zhì)，每個(gè)在325°C 開始一直到400 °C。
[0033] 圖4圖示了對(duì)應(yīng)的硬度測(cè)量。
[0034] 圖5概述了 CE及IEl和IE2的所測(cè)量的導(dǎo)電率。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明涉及包括鋁合金的高導(dǎo)電高溫穩(wěn)定箔材料，鋁合金包括選自由鈧（Sc)、鎂 (Mg)、鋯（Zr)、鐿（Yb)和錳（Mn)組成的組的至少兩種元素。
[0036] 術(shù)語(yǔ)"高導(dǎo)電"高溫穩(wěn)定箔材料在本發(fā)明的意義上指的是具有至少10. 0 MS/m、優(yōu) 選地至少20. 0 MS/m和最優(yōu)選地從20. 0到35. 0 MS/m的導(dǎo)電率的箔材料。附加地或替換 地，術(shù)語(yǔ)"高導(dǎo)電"高溫穩(wěn)定箔材料在本發(fā)明的意義上指的是以在室溫下在暴露于200°C的 溫度至少100小時(shí)之后與在溫度暴露之前相同的導(dǎo)電率為特征的箔材料。例如，箔材料以 在室溫下在暴露于200°C的溫度至少100小時(shí)之后與在溫度暴露之前相同的導(dǎo)電率為特 征?？商鎿Q地，箔材料以在室溫下在暴露于200°C的溫度至少100小時(shí)之后與在溫度暴露之