晶体硅电池在太阳能飞行器上的选择与应用

晶体硅电池在太阳能飞行器上的选择与应用作者：王士元
来源：《航空模型》2011年第08期
九.结合晶体硅电池的安装特点进行太阳能飞行器的整体结构设计
一款飞行器在确定了初步设计方案后，就要进行整体结构设计。

太阳能飞行器也不例外，但应结合晶体硅电池的安装特点做整体结构设计。

首先应进行选择与分析，确定飞行器是采用完全以晶体硅电池为动力和控制系统的电力来源，还是以其作为辅助充电部件。

接下来确定合适的飞行器布局方案。

纵观世界各国的太阳能飞行器，基本都采用大展弦比机翼（图17），甚至直接采用飞翼。

这类布局的飞行器除具有良好的气动性能外，还能承载大面积晶体硅电池。

但电池及其封装材料的相对重量较大，会增加飞行器的翼载荷。

为此，可利用晶体硅电池及其封装材料作机翼上缘的蒙皮，以减小结构重量。

另外，为增加晶体硅电池的有效面积，有些飞行器的机身、平尾等部位也加装了电池（图18、图19）。

最后，还要考虑飞行器的起飞、回收方式及新材料、新技术的应用等很多内容。

十. 晶体硅电池封装前的加工
确定了太阳能飞行器的初步结构设计方案，晶体硅电池的安装敷设方案一般也会相应确定，然后可据此进行电池的封装。

封装前，首先要进行必要的加工，基本步骤有功率设计、电池片切割、分选、串并联与汇流焊接等。

1.晶体硅电池的功率设计
晶体硅电池的发电功率是指在太阳能飞行器上经封装完成的电池组件的发电峰值功率。

太阳能发电功率量值取决于晶体硅电池的光电转换效率、平均每天日照时数和飞行器飞行区域的季节、经纬度等因素，另外遇阵云等天气状况也会对电池组件发电效率造成的影响。

设计时应综合考虑这些因素，计算出电池组件的最大发电功率。

2.电池片的切割
晶体硅电池生产厂家向用户提供的都是标准的电池原片（图20）。

为满足负载设备对电流、电压的要求，适应电池安装形式（面积、形状等），应根据设计的电池片的功率用激光进行切割。

切割出的各小块电池片与电池原片一般均为独立的发电单元，其输出电压都是0.5V 左右，但输出电流与功率则有很大差异。

例如一片尺寸为156mm×156mm的高效独立晶体硅电池原片，其输出电流为80mA、峰值功率为4.2W。

经切割后，小块电池片的输出电流与功率根据其面积按比例减小。

激光切割原理大同小异，主要是通过激光发生器在电池片表面形成激光焦点，利用激光焦点产生的热量将电池片划开一定深度的缝隙。

专业的太阳能电池企业大都采用激光划片机切割电池片，其成本低、加工简单、对电池片损害小（图21）。

常用的激光划片机型号繁多，晶体硅电池切割一般采用半导体激光划片机或光纤划片机等激光设备。

无论使用何种激光切割设备，为避免电池片损坏，提高切割的准确性，应调整设备的设置，在电池片表面形成准确的焦点位置，使激光形成细小的激光束（图22）。

同时还应控制好激光划片机的功率，以防激光功率过大造成电池切割面熔融而使电池PN结之间短路。

为此，操作时不应直接切断电池片，而应先在其表面切出一定深度的凹槽后再用手掰开（图23）。

除了正面切割外，晶体硅电池片还可背面切割（图24）。

如无条件，也可尝试用其它激光设备进行划片切割，但需通过改变设备的输出功率等方式进行。

在具体操作时，掌握一些加工技巧非常重要。

由于每个独立发电单元的电压仅为0.5V，而太阳能飞行器各设备的电压远大于该值，因此常通过串联多组独立发电单元提升电压。

但串联焊接既费工夫，又增加电池重量。

解决办法是：在切割小电池片时，以电池原片主栅线为中线对称切割，使一个单元的小电池片成为两个独立的发电单元。

这样既免除了两者间的焊接工作，也降低了成本（图25）。

有时，电池原片有破损，丢弃非常可惜。

可先在电脑上根据小电池片的尺寸和所要切割的规格设计好程序，避让电池原片上破损的部分，尽量多地切割出完整的小电池片（图26）。

3.电池片的分选
太阳能电池在使用过程中，切忌将不同面积、不同功率的小电池片混合使用，而应先将相近电压、电流的电池片进行分类。

但即使经过分类，各电池片因固有特性的细微差异，导致功率等指标仍会在一定范围内有所波动。

为避免不同功率指标的电池片经串并联后产生“负载”效应，电池片之间的的功率误差应控制在2%左右。

因此，应把切割好的小块电池片先按不同尺寸分类，再对电流、电压、功率等指标测试后进行分选。

电池片分选时，可在辐照强度为1000W/m2、色温为1600K的标准稳态或频闪光源精确测量各电池的输出功率。

若没有上述标准光源，可用功率为2000W左右的摄影用碘钨灯或新闻灯代替（图27）。

注意作用在电池表面的光强范围为3.8万～4.0万Lux，而且灯光距被测物的具体距离要用太阳能电池功率标准试片校正。

4.电池片的串并联与汇流焊接
要满足飞行器上电子设备的具体要求（电压、电流等参数），必须对小电池片进行串并联与汇流焊接。

在整个焊接过程中，接触电池片的人员必须戴手套工作。

焊接完成后，电池片表面的残留污物等必须用无水乙醇小心擦拭干净。

焊接所用的连接导线称为焊带或汇流带。

串并联焊带主要用于各电池片间的连接，汇流带则作为电池输入输出端。

焊带与汇流带一定要焊接牢固，避免虚焊、假焊现象发生。

焊带材料的选择主要要考虑太阳能电池的设计功率，保证有较低的电阻率和足够的截面积，使其能够承载足够大的电流。

焊带一般采用低电阻率的镀锡薄铜带，厚160～200μm、宽1～2.5mm。

为减轻重量，在小电流通过的条件下，也可用直径120～190μm的镀锡细导线代用。

厂家批量生产晶体硅电池时选择焊带的标准是：焊带的厚度由电池片的厚度和短路电流的大小确定；焊带的宽度与电池片主删线宽度一致；焊带的软硬度取决于电池片的厚度和焊接工具。

个人手工焊接则要求焊带越软越好，因为软态的焊带在烙铁“走过”后会很好地与电池片贴合，焊接过程中产生的应力很小，可降低碎片率（图28）。

但太软的焊带抗拉性能降低，很容易拉断。

故建议先用专业设备对焊带进行绕曲度试验后再使用（图29）。

商品焊带表面已做过热浸锡处理，焊接时不需再用焊锡。

若使用其它材料焊接，焊锡层越薄越好，以降低焊接材料对电池片表面产生的张力，同时避免焊带突出于电池片表面而影响在飞行器表面的封装效果（图30）。

用焊带或镀锡导线焊接时，可用酒精松香助焊剂。

将稀释的酒精松香混合液体装在小注射器里，焊接前再滴在焊接面上，以免腐蚀电池片和焊带（图31）。

焊锡可选含铅型与无铅型。

含铅焊锡要求不高，相对容易，只要选择好合适的助焊剂，使用35W的电烙铁，再进行温度补偿即可。

而无铅焊锡熔点较高，焊接难度相对较大，建议尽量使用50W的电烙铁或可调温度的焊台（图32）。

无论使用何种焊接工具，必须保证无漏电、无感应电，同时做好静电防护工作，防止电池片的PN结受感应电、静电的影响。

进行无铅焊接时，焊锡与铬铁头的氧化都非常快，对烙铁头的损害很大，因此要使用无铅长寿烙铁头。

同时，为保持烙铁头的清洁，在加热状态下最好将烙铁头埋入焊锡中，使用前再甩掉多余的焊锡。

此外，焊接时还要注意以下几个问题。

电池片表面的印刷栅线为银浆材料，刚开始在栅线上焊接焊带会不太习惯，但多加练习就能掌握。

焊接时，既可从电池片正面焊接，也可从反面焊接（图33～图36）。

焊接温度过高或过低都无法保证质量。

由于晶体硅电池的导热性能很好，因此在焊接大面积的电池片时，烙铁头的热量会迅速传递到硅片上，使其温度瞬间降至300℃以下。

焊锡温度过低会产生收缩应力，极易使电池片在焊接过程中发生变形，严重时甚至导致电池片出现裂纹。

为此，可利用焊台的温度补偿功能保证烙铁头温度在焊接过程中自动保持在设定的范围内。

对于已经形成规模化生产的太阳能飞行器，为保证焊接质量、降低焊接成本，确定了硅电池的封装方式后可定制机械化焊接机进行焊接。

但对于试验性质的小批量或单架太阳能飞行
器，就必须改造现有的焊接工具进行手工焊接操作了。

改造时，烙铁头和焊带的接触端要尽量修整到宽度一致，并使接触面平整（图37）。

十一.晶体硅电池的
封装材料与形式
晶体硅电池片非常脆弱、容易氧化，不能直接拿来使用，必须用封装材料增加其强度和抗冲击性，并隔绝电池片，防其自然氧化。

晶体硅电池在飞行器上的封装不同于传统的封装方式。

传统太阳能电池的封装是以玻璃为载体，用背板作为后保护层，将通过焊带、汇流带组合好的电池串夹在两层EVA或PVB胶膜间，在高温真空的状态下，使EVA或PVB胶膜熔融作为粘合剂，把电池片与玻璃、保护背板等牢牢粘接，形成太阳能电池组件产品。

但飞行器上使用的电池要求附属材料重量轻、强度大、耐冲击，传统封装形式的电池无法满足这些特殊要求。

为此，必须使用新型的材料技术和工艺。

首先要使用重量轻、强度大的载体支持脆弱的电池片，保护其不被损坏。

同时，针对太阳能飞行器的电池片生产，要求厂家配合调整生产材料和工艺流程，减小电池片的厚度、增大柔软度，使其可弯曲。

另外要选择透明度高、耐老化、防冲击的材料作为电池片和飞行器之间的粘合材料和表面封装材料。

可用于太阳能飞行器晶体硅电池的封装材料与形式主要有：
1.表面覆盖透明材料。

主要有高分子耐老化透明胶膜、双组份环氧树脂和压敏热收缩膜等（图38）。

2.粘合材料。

粘合剂主要用于电池片、背板及飞行器表面之间的粘合。

这就要求粘合剂除具有高透光性外，还应对电池片提供一定的保护作用。

能用于太阳能飞行器电池组件封装的粘合材料主要为高分子热熔粘合材料，包括自然固化、双组分反应固化或UV紫外光固化粘合材料等（图39）。

3.专业熔融粘结材料。

熔融真空层压封装工艺是工厂规模化生产的一种工艺，一般需使用专业设备，借助热熔粘结胶膜进行热熔封装。

若不具备专业条件，自制一些设备也能取得一定的封装效果（图40）。

4.焊带、汇流带材料。

目前商品化的焊带、汇流带产品规格型号很多，常用导电良好的铜带镀锡制成（图41）。

5.晶体硅电池片材料。

为使电池更好地吸收可见光，减小表面反射，电池片表面都做了制绒和真空蒸镀减反射膜处理，可在波长400～1000nm的范围内提高对有效光线的接受效果。

商品化太阳能电池片的尺寸以125mm×125mm和156mm×156mm居多，其中后者单片重量约11g（图42）。

6.一体封装电子元器件。

可将一些简单的控制电路与电池封装在一起，重量轻且稳定。

如各种贴片阻容元器件、肖特基二极管、发光显示二极管等。

7.背板保护材料。

太阳能电池的保护背板一般以含聚氟乙烯为主要材料的高分子聚合物组成，具有较强的绝缘和耐老化性能。

根据需要，可选择不同厚度、材质、颜色的背板（图43），甚至还能选用特殊的蜂窝夹层背板。

8.飞行器基础载体。

要求能承载电池片在飞行器上的正常安装，适应飞行器工作时的正常变形或冲击。

一般采用在飞行器机翼或机身表面预制凹槽，再将焊接成串的太阳能电池片置于其中封装，这样能在确保可靠的发电效率基础上达到与飞行器外观浑然一体的效果（图44）。

9.装饰性材料。

封装的电池也有美观的需要，一般采用各种覆盖带遮盖焊带、汇流带等，使电池组件表面呈现一致性（图45、图46）。

(未完待续)。