1. 研究背景
TOPCon（隧道氧化钝化接触）太阳能电池是一种新一代太阳能电池技术，相比传统的p型硅太阳能电池，TOPCon太阳能电池具有更高的效率和更强的稳定性，因此在当前的光伏技术中广受关注。随着TOPCon电池的广泛应用，电池中的母线与电池芯片的连接（焊接）质量成为影响光伏模块长期稳定性的关键因素之一。文章提到，母线与电池芯片之间的焊接强度、界面接触、玻璃熔料的湿润性及其热性能对电池的焊接可靠性有着重要影响，尤其是Sn/Ag/Si（锡-银-硅）接口的粘附强度直接决定了焊接质量。
2. 研究思路
为了提升TOPCon太阳能电池母线的互联可靠性，研究者通过改变玻璃熔料的组成和性能，探讨其对焊接性能的影响。研究采用了多种实验方法，如X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman）等技术，研究不同玻璃熔料对焊接界面（Sn/Ag和Ag/Si）的影响。重点考察了玻璃熔料的软化温度、热粘度和润湿性，并分析了这些性能对焊接张力和母线连接的可靠性影响。
3. 结果与讨论
3.1 玻璃熔料的颗粒大小和结构分析
通过SEM（扫描电子显微镜）和XRD（X射线衍射）分析，研究发现Z1-Z6六种玻璃熔料在未烧结时，颗粒大小相似，且都具有非晶态结构，说明不同氧化物的添加不会改变玻璃熔料的基本结构。
3.2 玻璃熔料的热性能
- DSC
（差示扫描量热法）测试显示，随着某些氧化物（如TeO2和V2O5）的加入，玻璃熔料的**玻璃转变温度（Tg）**下降，这表明这些添加物增强了玻璃熔料的热稳定性。 - 热稳定性
的变化对于焊接过程至关重要，因为熔化温度过低或过高都会影响焊接的质量。
3.3 玻璃熔料的润湿性与焊接行为
- 接触角测量
表明，玻璃熔料的润湿性与其成分密切相关。Z2样品显示出最好的润湿性，接触角最小，这有助于提高焊接性能和Ag/Si接口的结合强度。 - 焊接性能测试
（通过拉伸测试和电子探针分析）显示，添加TeO2和Ga2O3的玻璃熔料（如Z2和Z6）能够有效改善焊接张力，并增强焊接接触界面的结合强度。
3.4 焊接过程中玻璃熔料的流动行为
通过高温显微镜（HSM）观察，研究了不同玻璃熔料在烧结过程中的流动行为。发现玻璃熔料的流动性（即玻璃熔料的软化和流动特性）对焊接界面的形成至关重要。熔化后的玻璃能在Ag/Si界面上形成均匀的薄膜，这对于提高焊接接触的可靠性至关重要。
3.5 焊接接头的微观结构分析
通过EDS分析和IMC（互金属化化合物）的生长观察，研究发现，玻璃熔料的加入能显著影响Sn/Ag/Si接口的结合强度。在某些玻璃熔料的作用下，IMC层的生长速度得到控制，避免了过度焊接或不充分焊接的问题。
4. 研究结论
研究表明，玻璃熔料的软化温度、热粘度和润湿性直接影响TOPCon太阳能电池母线的焊接质量。具体结论如下：
- 低软化温度的玻璃熔料
容易导致过度焊接，增加Sn/Ag接口的结合强度，而高软化温度的玻璃熔料则可能导致焊接不完全，产生不良焊接。 玻璃熔料的高温粘度和润湿性对焊接张力和接口结合强度有显著影响，润湿性越好，焊接张力越大。 通过调整玻璃熔料的成分（如加入TeO2、ZnO等），可以优化玻璃熔料的热性能和润湿性，从而提高焊接性能和模块的可靠性。 未来研究应集中于优化母线导电性能，这对于提高光伏电池的转化效率至关重要。
图1：典型的Cu/Sn/Ag/Si结构和焊接状态模型
图1(a)：展示了典型的Cu/Sn/Ag/Si界面结构图，这是太阳能电池中常见的焊接结构。它描述了银浆（Ag paste）如何通过熔化与硅基底（c-Si）结合。
图1(b)：展示了三种不同焊接状态的横截面图，分别代表焊接缺陷、过度焊接和适当焊接的情况。
图1(c)：展示了不同太阳能电池串联连接的示意图。
这张图帮助理解了焊接过程中的关键接口，特别是Sn/Ag接口和Ag/Si接口如何影响焊接质量和电池的连接可靠性。图1还展示了不良焊接、过度焊接和理想焊接的焊接状态，突出了合适的Sn/Ag和Ag/Si界面结合强度对焊接质量的重要性。
图2：不同玻璃熔料的热性能分析
图2(a)：显示了不同玻璃熔料的X射线衍射（XRD）曲线，表明玻璃熔料的晶体结构和其物理性质。所有样品的XRD图谱均显示出广泛的衍射峰，指示它们为非晶态结构。
图2(b)：展示了不同玻璃熔料的差示扫描量热法（DSC）曲线，分析了玻璃转变温度（Tg）及其随温度变化的热特性。图中显示，Z2和Z3玻璃熔料的Tg低于其他样品，表明其在熔化时具有较好的流动性。
图2(c)：展示了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析结果，揭示了不同玻璃熔料中Bi-O、B-O和Si-O的振动峰，提供了玻璃熔料的化学结构信息。
图2(d)：展示了Raman光谱分析结果，显示了玻璃熔料中Bi-O-Bi和B-O等键合模式的特征峰。
这些图表帮助揭示了不同氧化物对玻璃熔料的热稳定性和化学结构的影响。通过DSC和FT-IR，研究者能够了解玻璃熔料的玻璃转变温度和热稳定性，这对焊接过程中的材料行为至关重要。
图3：不同玻璃熔料在焊接后的表面形态和元素分布
图3(a)：展示了焊接后不同玻璃熔料的焊接垫表面形态及其元素分布（通过电子探针X射线谱（EDS）分析）。可以看到，某些玻璃熔料（如Z3和Z4）的银层几乎完全剥离，暴露出少量银颗粒和硅层，这显示了过度焊接的现象。
图3(b)：展示了焊接垫的焊接行为比例图，描述了不同样品中正常焊接和焊接缺陷的比例。
图3(c)：展示了不同玻璃熔料焊接垫的拉伸张力，Z2和Z6样品的焊接张力显著高于其他样品。
这些图表揭示了玻璃熔料的润湿性和流动性对焊接行为的影响。通过表面形态分析，研究者能够评估不同玻璃熔料对焊接垫的粘附强度及其与银/锡接口的结合质量。
图4：玻璃熔料的软化与熔化行为
图4(a)：展示了不同玻璃熔料在升温过程中体积变化的曲线，显示了玻璃熔料的热膨胀特性。随着温度的升高，所有样品均表现出体积膨胀的趋势，Z1和Z5样品的膨胀程度较大，表明它们在熔化过程中表现出较强的热膨胀。
图4(b)：展示了不同玻璃熔料的特征温度曲线，分析了其软化点、熔化点和热稳定性。
图4(c)：显示了玻璃熔料在软化温度点时的高温显微镜图像，观察到在软化温度下，玻璃熔料的体积缩小，并保持其原始形状。随着温度进一步升高，熔化过程逐渐开始，玻璃熔料表现出明显的球形变化。
这些图表表明，玻璃熔料的热稳定性和熔化行为对焊接过程中的玻璃流动性和焊接质量至关重要。不同熔料的软化温度对其焊接性能有直接影响，控制合适的软化点有助于避免过度焊接或焊接不充分。
图5：玻璃熔料的润湿性研究
图5(a)：展示了液态玻璃与固体基底之间接触角的形成过程，接触角的变化反映了玻璃熔料的润湿性。
图5(b)：展示了不同玻璃熔料在熔化过程后的扩展直径。Z2样品表现出最大的扩展直径，表明其具有最佳的润湿性。
图5(c)：展示了不同玻璃熔料在熔化后与TOPCon电池基底的接触角测量结果，显示Z2样品具有最小的接触角，表明其润湿性最佳。
这些图表揭示了玻璃熔料的润湿性对焊接过程的关键作用。良好的润湿性有助于银层与硅基底之间的紧密结合，进而提高焊接质量和可靠性。
图6：温度对接触角和焊接性能的影响
图6(a)-(f)：展示了温度变化下，六种玻璃熔料与TOPCon电池表面接触角的变化。随着温度升高，接触角发生变化，反映了熔化玻璃与基底的润湿性。
图6(g)：展示了不同玻璃熔料在熔化后的表面形态，使用3D显微镜观察其表面特征，揭示了不同玻璃熔料的熔化行为及其对焊接质量的影响。
这些图表进一步揭示了温度变化对玻璃熔料润湿性和焊接性能的影响。控制合适的熔化温度能够避免过度焊接或焊接不充分，从而提高焊接质量。
