叠瓦、HJT组件关键技术: 导电胶正迎来曙光!

摘要：尽管导电胶(ECAs)已经在导电背板式太阳能组件和叠瓦组件中应用多年，但ECA却依然牢牢占据着行业的焦点，这是因为一些不断发展的行业趋势和新技术的出现使然，其中包括光伏行业的趋势正朝着更薄的硅片和更大的电池面积发展，以及基于异质结（HJT）和硅-薄膜多叠电池结构的高效电池概念市场份额的不断增长。

【资料图】

随着几家领先的工业光伏设备和治具制造商开始提供成熟的产品，以及材料供应商不断推出最新的导电胶(ECAs)产品，本文将介绍有关ECAs的重要背景信息，并简要概述ECA在光伏相关应用中的一些挑战和前沿发展。

简介

导电胶(ECAs)在光伏中主要有两个用途：1）在传统焊接应用中（例如，焊带串接）替代焊锡；2）在无法使用传统焊料（例如叠瓦）或者不能产生令人满意结果的（例如温度敏感电池技术）应用中，只能使用ECA。与焊料相比，ECA的材料特性—如导电性、弹性模量和触变性—可以进行非常精细且范围非常大的调配。ECA复合材料的复杂性意味着专家们可以利用更多的配方为特定用途打造完美的产品。众所周知，主要的ECA制造商与组件生产商密切合作，为后者打造量身定制的解决方案。

十年前，ECA因长期可靠性不如焊料而未被业界广泛使用，其中最主要的可靠性问题包括脆化、进水和腐蚀等方面。然而，近年来，ECA的各方面性能(包括以上特性)有了长足的改进，以至于现在不仅可以在代替焊料方面站稳脚跟，而且在某些方面还可以提供更加优异的性能。最后，尽管由于银含量高，一些ECA的成本相对较高，但ECA却具有不含有毒铅的理想特性，这对许多地区的制造商来说尤其重要，因为它们各自的政府环保监管要求正变得越来越严格。

“对于叠瓦互连方法，ECA是一项关键技术，因为它们形成能够吸收机械应力的机械柔性接头。”

历史

ECA在微电子封装中的使用历史可以追溯到20世纪50年代，Nicolics和Mündlein[1]对此进行了总结。在过去几十年中，ECA在将硅芯片连接到引线框架上，以及在汽车电子、RFID标签或LED制造中连接无源芯片方面得到了广泛应用[2,3]。为了避免电子设备中出现有毒铅， ECA被用作有前途的无铅材料，用于倒装芯片和将器件表面贴装连接到电路板上[4]。还有一种各向异性的特殊类型ECA，被用作制造LCD的导电胶带[5]。

在光伏组件集成方面，关于使用ECA的第一批报道文献可追溯到2001年[6,7]。在2000年代中后期之前的严重硅供应短缺期间，业界预计硅片厚度将从约300µm降至180µm以下，从而提高硅的有效利用率。在这些担忧的推动下，业界对用ECA对极薄太阳能电池进行互连产生了极大的兴趣，因为ECA互连后较低的热机械应力减少了电池翘曲幅度，并有着比焊接电池更高的断裂强度[8]。

ECAs在光伏组件中的第一个主要应用是将金属贯穿式太阳能电池集成到导电背板中[9]。同时，ECAs还被用于将HJT太阳能电池封装到组件中[10–12]。ECAs被证明是在低于200°C的温度下进行互连的一种软而可靠的方法。而无有害铅是HJT电池和组件技术的一个重要优势。近年来，德国设备制造商teamtechnik推出了一款商用的串接机，以实现ECA工艺的量产，随后意大利的ENEL和俄罗斯的Hevel将其引入生产线中[13,14]。从那时起，其他领先的设备制造商—如Applied Materials、Mondragon和其他公司—也相继推出了自己的先进ECA串接机，表明该技术的价值还在继续成长。

在2000年代末引入的ECA的其他应用包括单片薄膜或有机太阳能电池板的主栅连接，以及柔性薄膜太阳能电池的叠瓦或带状互连[15,16]。最终，晶体太阳能电池的叠瓦互连在2010年代中期获得了大量关注，例如，SunPower/Maxeon开始将“Performance Series”商业化[17]。从那时起，其他组件制造商，尤其是亚洲的制造商，也将类似的产品纳入了他们的产品组合中。对于叠瓦互连方法，ECA是一项关键技术，因为它们可以形成能够吸收机械应力的机械柔性接触。

成分、功能和表征

ECA是将导电颗粒（又称填充料）加入到非导电粘合剂基质中进行混合的复合材料，其中导电颗粒提供所需的导电性，粘合剂基质将颗粒固定在一起并提供粘合强度。粘合剂通常为热固化环氧树脂、丙烯酸酯或有机硅；不过，原则上可以使用任何粘合剂，但需要注意的是，它必须与其他太阳能电池和组件材料以及导电填充料在化学和热机械上兼容。

光伏组件中使用的ECA通常是由粘合剂和固化剂组成的冷冻双组分混合物，在使用前不久解冻，然后必须在几个小时内使用完毕。或者它们可以作为两个单独的材料成分交付，因为它们不需要冷冻，因此更容易储存，但在这种情况下，需要专用的现场搅拌设备来准备材料以供使用。ECA可以通过多种方式涂敷在目标衬底上的特定位置或所需图案上，包括丝网或钢网印刷和压力时间或喷射涂胶，但实际生产中目前只有丝网或钢网印刷广泛用于大量生产。

与焊料等导体不同，ECA中的导电是通过渗流发生的（见图1（a））。换言之，电荷在相邻导电颗粒之间传导，由颗粒链组成的导电路径在粘结表面之间架起了桥梁。这种系统中的一个关键参数是渗流阈值，它取决于颗粒的体积浓度、形状和三维排列。在低于渗流阈值时，对于给定的颗粒形状和尺寸分布，ECA表现出相对较高的电阻率，并随着颗粒浓度变化。当颗粒浓度增加到渗流阈值时，电阻率迅速降低几个数量级，颗粒浓度的任何进一步增加都不会对电阻率产生进一步的影响，但会增加载流量。填充料含量越高，粘附力越低，因为填充料占据粘结界面面积的比例过大，从而取代了粘合剂。

“ECA开发的主要挑战是创建一个具有尽可能低的渗透阈值的系统，提供良好的电气性能，同时最大限度地提高粘合强度。”

因此，ECA开发中的主要挑战是创建一个渗透阈值尽可能低的的系统，以提供良好的电气性能，同时最大限度地提高粘合强度。对于给定的填充料和填充料浓度，可通过调整组分聚合物的分子量及其支化率、分散性和侧链官能团，以及通过添加增塑剂和添加剂以及固化剂的数量和类型，提高固化材料的粘合强度和其他重要特性，如弹性模量和玻璃化转变温度。同样，未固化材料的特性—如流变性、适用期和适当的固化温度曲线—也可以进行类似的调整。

ECA中的导电填充料颗粒可以是球体、颗粒、棒、薄片或纤维，也可以是实心或空心。高长径比的形状—如杆和纤维—形成导电通路的潜力更大，从而产生最低的渗透阈值，但也更有可能形成聚集体。相比之下，高比表面积的球体往往会产生最均匀的复合材料，但需要更高的浓度才能达到渗流阈值。薄片为与粘合剂的相互作用提供了高纵横比和高比表面积的良好平衡，但生产成本也可能更高，而颗粒状往往是生产成本最低的形状。

在实践中，填充料颗粒大小和形状的分布往往是制造商的商业秘密。ECA填充料颗粒不仅必须具有高导电性，还必须与粘合剂基质的成分（包括未固化和固化情况下）具有化学相容性，并且耐腐蚀。由于这些原因，银因其相对较高的化学惰性和高导电性而常被用作填充料；然而，与光伏制造业的许多其他行业一样，银的高成本，加上商品价格风险的高企，驱动着行业寻找替代材料和/或更优的材料解决方案。例如，行业内正在使用的空心银球，其表现出了与实心球相同的渗透阈值浓度，但银的重量却大幅降低。或者使用其他更便宜的金属，如铜，带有银涂层以抑制腐蚀。随着未来几年用于光伏应用的ECA年消耗量的增加，我们预计将看到更多的进步和新技术的发展，以满足市场对产品功能和成本降低的需求。

ECA可以是各向导电同性（ICAs）的，即材料在所有方向上的导电性都相同，也可以是各向导电异性（ACAs）的，即材料在某一个方向上的导电性比在另一个方向上高得多。在固化状态下，ICAs的电阻通常比ACAs高2到3个数量级（10-2Ωcm对10-4Ωcm）。光伏应用中使用的ACAs在z方向上的导电性比在横向上的导电性更强（即带状结构中的连接带和电池之间，或带状结构中的两个电池之间）；然而，这只发生在z轴压缩下固化后。这意味着，除了ECA量和固化温度曲线外，固化期间施加的力是另一个可以优化组件产品性能的工艺调整手段。

了解当前可靠高效ECA互连的传输需要了解其底层微观结构。微观结构可以通过几种技术来观察—例如X射线分析、光学或电子显微镜（例如，在随机或特定位置制备横截面后）—在缺陷位置进行纳米尺度的观察。

一方面，微结构影响着ECA的特性，例如通过优化聚合物基质中的导电填充料含量、填充料形状或填充料分布，来改变接触电阻或热导率。填充料网络微观结构和表面化学特性在形成导电通路时起着重要作用。由于ECA接触区域的厚度在微米范围内，因此对接触区域横截面的微观结构分析可以真实了解实际接触区域几何形状和ECA分布，从而评估影响附着力和剥离力的实际接触面积。因此，可以通过微观结构分析对不同的生产工艺或材料组合进行定量比较。

另一方面，加速老化试验对ECA接触的影响可以在微观结构中清晰可见，并可以区分出不同的失效机制。横截面图像显示了结合或粘合裂纹（见图1（b））、分层、气泡、ECA挤出或结构变化（即接触腐蚀）。此外，有关微观结构的精确信息可用于支持预测应力和可靠性的模拟。

通过分析接触电阻，可以敏感地探测ECA粘结接头的电气特性，接触电阻对ECA互连组件的串联电阻有直接影响。ECA体内或ECA-金属化或ECA-焊带界面的变化可能表现为接触电阻的增加，远远早于任何明显的视觉变化，使接触电阻分析成为改善和优化ECAs和ECA键合工艺的有力工具。

传统上，传输线法（TLM）（图2（A，B））被用来测量金属和晶体或半结晶半导体之间界面的接触电阻，并且在这样的系统物理模型中具有很强的基础。然而，太阳能电池金属化和由ECA组成的粘合剂-填充料复合材料之间的界面与这些系统中的界面有很大不同。尽管TLM可以（并且已经）通过加速老化试验等有效地跟踪ECA粘结接头接触电阻的变化，但由此获得的任何测量值的客观相关性和真实可比性仍未得到证实。实际接触面积也会影响触点的电气性能；尽管这种变化可以通过接触电阻的降低进行定量测量，但始终会依赖于接触尺寸。因此，TLM也可用于推断粘合剂和被粘物之间的比接触电阻率，这不取决于接触的大小。然而，在文献报道的器件接触电阻值中观察到了不一致性，这取决于器件的尺寸（从微电子中的纳米级到光伏器件中的厘米级）。作为一种接触方式，ECA增加了系统的复杂性，因此也增加了接触电阻率的外延。因此，目前正在努力调整基于ECA的接触TLM方法（图2（c-e）），以便推断此类接头的接触电阻率。

无论使用何种表征工具或方法来评估ECA粘结接头的材料和界面性能，并以此改善材料特性和/或加工条件，都无法替代广泛的物料清单（BOM）筛选，以避免与密封剂或背板的添加剂或组件发生意外的化学反应，以及与组件堆栈的热机械不兼容。图3显示了这种BOM研究的结果，比较了叠瓦组件配置中ECA、密封剂和背板的不同组合。可以看出不同组合的长期可靠性存在明显差异。

应用

如前所述，ECA在光伏中的最早应用之一是制作基于导电背板的高级组件。然而，随着ECA的特性被光伏行业不断优化，ECA在光伏中的应用范围不仅扩大到包括高效率、高可靠性的领域，如HJT电池的叠瓦和带状互连，而且现在开始包括更多的主流技术概念，例如钝化发射极和背面电池（PERC）以及基于多晶的组件。

“没有什么方法可以替代广泛的物料清单（BOM）筛选，以避免与密封剂或背板的添加剂或组件发生意外的化学反应。”

导电背板

关于背部接触式太阳能电池的组件集成，因为传统串接不再适用，这给互连设计带来了挑战。单面带状连接后电池过度弯曲会妨碍设备自动处理；因此自动串焊工艺需要特别调整。

导电背板（CBS）方法是背接触太阳能电池（主要是IBC或MWT）的专用互连技术。荷兰公司Eurotron和ECN/TNO研究中心率先开发了这种替代性的互连技术。通过利用所有触点都位于后侧的设计，电池采用基于印刷电路板技术的方法进行互连。ECA（或焊膏）通过丝网/钢网印刷或喷涂在太阳能电池金属化或CBS上，然后通过层压工艺在两个组件之间形成局部接触。电流电路本身是一层薄薄的、有图案的铜层，主要层压在经典的光伏背板上。电池和铜层之间的绝缘层可以防止短路，而且由于所有电池之间的互连都在太阳能电池的下方，因此不会出现阴影损失。由于导体与太阳能电池一样宽，铜层的厚度通常可以控制在35µm。图4示出了上述组件的三明治结构图像。

这种组件制造方法的优点包括了降低电阻功率损耗和降低组件制造应力（例如在拾取和放置步骤铺设电池，在层压步骤形成接触）。全铜背面还提供了出色的散热特性，可以降低组件的额定工作温度。电路图案设计的灵活性使CBS适用于全电池、半片电池或其他电池面积形式的组件封装，并将在未来的应用中集成有源电路元件。

CBS技术依赖于小型、高导电的局部触点，这些触点需要穿过背部绝缘体厚度（通常为200µm）的距离进行连接。因此，ECA使这项技术能够工作，不仅是因为它的多功能加工和高导电性，而且还因为它的良好弹性。ECA在层压过程中的固化过程有助于克服弯曲问题，因为在层压过程中电池和背板之间会发生接触，因此层压可以补偿组件之间的热机械应力，尤其是刚性前玻璃平面。此外，固化ECA的弹性缓解了层压板中导致接头疲劳的残余应力和热机械应力，使CBS组件能够健壮地抵抗热膨胀/收缩。

连接带接触/主栅替代

在某些特定的光伏电池互连中，使用ECA代替焊料是一种非常有吸引力的方法，例如：HJT电池需要在较低温度下进行加工；背接触电池，与两侧接触电池相比，需要更好地控制互连后的电池翘曲；薄太阳电池（<160µm），热机械应力缓冲减少。固化ECA的机械性能及其加工要求，包括100-170°C范围内的固化温度和通常几秒钟的固化时间（但层压固化ECA最多1-2分钟），解决了上述诸多工艺限制。

作为研究案例，我们将使用镀银铜带和两种商用的、具有不同聚合物基质（丙烯酸和环氧树脂）的光伏专用ECA互连的背接触式电池（ISC Konstanz开发的’ZEBRA’ IBC电池）与传统焊接参考电池[22]进行比较。图5显示了其中一条主栅上的ECA线路示例。根据制造商规范对ECA进行固化后，获得对于ECA粘合带状物180°带状剥离力大小约为1.15Nmm-1，而焊接带状物约为1.5Nmm-1；手动串接后，ECA粘合的M2尺寸电池的翘曲范围为9-14mm，而焊接电池的翘曲为10-11mm。通过使用工业串接设备（teamtechnik TT2100用于焊接，TT1600ECA用于ECA粘接），最高弯曲值可降低约35%。这是通过几种方法实现的，包括改善电池上热分布的空间均匀性、避免温度超标、控制冷却以及在冷却步骤之前和包括冷却步骤在内的所有处理步骤中对电池串的按压力。

使用玻璃背板微型组件（每个组件有两个半切片电池串）以及采用EVA作为封装材料，可以轻松维持至少两倍的IEC标准可靠性测试（IEC61215-2）持续时间。这些组件通过了2000小时的湿热试验（DHT，85°C，85%相对湿度）和400次热循环试验（TCT，−40°C至85°C，循环时间为6h），无分层、变色或损失不Pmpp大于5%rel（试验显示最大损失2.6%rel），表明了与其他组件组件的兼容性以及长期良好运行的潜力。

“在某些特定的光伏电池互连（如HJT电池）中，使用ECA代替焊料是一种非常有吸引力的方法。”

在同一研究中，还在ECA接头的横截面中观察到了空隙，如图6所示，这是焊接[23]和粘合剂互连[24]都存在的已知问题。根据目前的测试结果，这方面不属于关键问题；然而，尽量减少或避免这些空隙可以提高接头的性能（更低的电阻、更高的附着力）和可靠性。总的来说，固化ECA基体的机械性能必须能够承受热机械应力、机械载荷和常见动态机械载荷（如环境振动）引起的轻微变形。

如果成本结构无法与每Wp的共同市场定价相一致，则无论是先进的技术、工艺还是靠性方面，都无法单独推动一项技术大规模生产。考虑到目前的ECA材料成本和每条互连的粘合剂用量的快速减少，在保持ECA优点的同时，至少可以实现与传统焊接工艺的成本持平。特别是，与焊接相比，在光伏板中使用ECA连接实现了无铅互连，并且预计ECA光伏组件的回收也更容易、更方便。这意味着在光伏板的环保性方面朝着正确的方向发展。

尽管在光伏领域ECA有时会被认为正处于“开发中”的状态，但商用设备和工具早已开始发展，2014年teamtechnik向市场推出了第一款高产能ECA串接机。从那时起，该公司进行了许多试验，以深入了解ECA在涂刷、固化和操作方面的应用，此后，其他工具制造商也在市场上推出了自己的设备版本。自2018年起，teamtechnik TT1600 ECA串接机已7x24小时连续投入工业生产，预计在不久的将来其市场份额将持续增长。

“ECA串接工艺对许多类型的电池都是适用的，包括HJT、IBC、tandems和更薄的PERC电池。”

然而，此类设备的制造商必须克服ECA串接特有的几项挑战，包括ECA印刷连接带上的高定位公差要求。例如TT1600ECA等ECA串接机具有低应力和无铅连接的关键优势，并且机器中没有焊剂蒸汽，因此清洁和维护负担较低，客户报告机器的可用性和工艺稳定性较高。这种机器的高产能，再加上通过协调主栅布局和ECA印刷来减少和最小化银消耗的潜力，可以显著降低拥有成本。使用特殊结构设计的连接带—如陷光连接带LCR™ —也可以在不降低产能的情况下实现。简言之，ECA串接工艺对许多类型的电池都是适用的，包括HJT、IBC、tandems和较薄的PERC电池。

带状接触可靠性

实现无铅产品只需相对简单的生产设备更新。ECA替代含铅焊料是一种替代方案，可以使用带有H型电极图案的标准太阳能电池。当使用相同类型的太阳能电池进行了直接比较时，只有焊带被ECA和另一条金属带（无锡）取代。

产品的长期可靠性与用于控制制造过程的质量管控措施直接相关。在一项详细研究中，使用标准PERC电池研究了ECA的固化过程。研究了两种不同固化温度下的ECA材料，并将其与标准焊接工艺进行了比较。全尺寸60片电池组件采用相同的BOM表制造，延长的TCT结果如图7所示。除TCT外，还进行了延长DHT（超过2000小时）和湿度冷冻试验（HFT，超过100个循环）。使用ECA制造的组件性能与采用焊接工艺的参考组件相近，并且主要退化机制只与电池有关。

在首个200次循环后，观察到功率损失了0.5–2.5%，主要原因是组件在试验前未进行预光照处理，从而出现光致衰减效应。在加热阶段对组件施加电流（接近Impp）(根据IEC 61215-2，温度为-40°C至85°C）作为初始光应力，这根据的电流诱导衰减（CID）代替光诱导衰减（LID）的原理。在超过1000个TCT的循环周期中，未观察到Isc或Voc的降低，从而得出结论，PERC电池本身非常稳定。在测试过程中，可以观察到填充因子（FF）出现小但较稳定的衰退，表明电池串联电阻有所增加。然而，所有组件都显示出相同的趋势/斜率，支持本文前言中所提到的， ECA有着与标准铅焊料焊带相近的可靠性和耐久性。

电致发光（EL）图像证实了这种PERC电池上ECA触点的稳定性，在测试期间几乎没有可见变化。在一个同时进行的长期测试组中，还研究了使用1/6切割电池的叠瓦组件。一般来说，EL图像与图8后面所示的图像相似，但出现了其他类型的可见缺陷，例如大多数电池中出现的灰色区域，但这是一种可逆过程。目前正在进行微观结构分析、电气性能（闪光测试）和成像技术（EL和磁场分析）的组合，以更准确地了解其根因。

异质结电池

硅异质结太阳能电池通过减少金属接触处的复合效应，有可能获得大于25%的能量转换效率。这是通过在硅吸收体表面上沉积氢化非晶硅层来取代硅表面的金属触点[25]来实现的。这种氢化非晶硅层的一个挑战是它对220°C以上的温度非常敏感[26]。为了克服这个问题，金属化主要通过低温丝网印刷银膏来实现，这些银膏在200°C左右的温度下进行热处理。与标准银烧制膏相比，这些低温膏对硅片表面的附着力更低[27]。加之金属化的不同微观结构，这使得通过低温焊接实现的标准互连变得复杂[28]。

“ECA至少可以具有与标准铅焊料触点类似的可靠性和耐久性。”

为了克服焊接HJT太阳能电池的挑战，通过ECA实现带状互连是主要的替代方案之一。除了无铅特性外，ECA用于连接HJT太阳能电池的最大优势是其固化温度低、通过丝网印刷快速方便地应用、有足够的附着力（甚至对无主栅电池），以及可以使用结构化连接带的潜力。这种互连工艺已经实现了工业量产，通过ECA互连的HJT太阳电池组件可以在光伏市场上找到。

然而，ECA互连的主要挑战之一是一些ECA材料的高成本，其中一些广泛使用的ECA的填充料含量高达80%[29]。不过目前有几种不同的方法来解决这个问题，例如通过改变接触图案来大幅减少ECA消耗量，如下文更详细地描述。例如，可以用分段线代替太阳能电池和连接带之间的连续ECA线，从而显著减少ECA用量，同时不会损失组件性能[30]。市场上也有不同种类的ECA，其中银颗粒含量降低，如各向异性导电粘合剂，或者用其他金属（如铜）取代银材料。

随着需求的增长和研究的深入，ECA的成本有望随着时间的推移而下降。此外，胶合组件中的总银消耗量可以通过几种方式降低。一种选择是调整金属化图案设计：例如，使用双细栅代替全主栅，或从五主栅增加至六主栅或更多，并将这些方法与细栅图案调整相结合。另一种可能性是使用纯铜焊带代替镀银焊带[31]。总的来说，对于HJT组件，采用ECA带状互连是一种理想方法，目前业界也正在研发通过不同方法解决成本高企的问题。

特别是由于环境影响和经济原因，减少光伏行业的银消费是受关注的话题之一，因为光伏行业是全球主要的银消费行业之一，约占全球需求的10%。考虑到未来太阳能产业将持续扩张，为了减少白银消耗和避免白银短缺问题，必须实现技术突破。

初始优化必须在电池设计层面实施。增加电池金属电极布局上的金属带或线的数量可以减少电池金属化中银的消耗量。然而，当使用ECA互连技术时，该解决方案可能意味着ECA本身数量和连接带数量的增加；因Ē

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