戎有蘭

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 背景

背鈍化(PERC)技術(shù)是目前光伏行業(yè)的主流技術(shù)，可有效降低電池片背表面復(fù)合率、提升電池片內(nèi)部光學(xué)反射機(jī)制等特性。與常規(guī)電池片結(jié)構(gòu)相比，PERC電池在晶體硅電池背表面有一層鈍化介質(zhì)層(多為Al2O3)和保護(hù)層(多為SixNy)，常規(guī)電池片鋁背場(chǎng)與硅片完全接觸，而PERC電池Al背場(chǎng)是通過(guò)激光開(kāi)窗的空洞區(qū)域與硅片進(jìn)行局部接觸[1]。預(yù)計(jì)在2019年P(guān)ERC電池產(chǎn)能將進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)到100GW。

硅片從原料到電池片需經(jīng)過(guò)制絨-擴(kuò)散-刻蝕-退火-背鈍化-PECVD鍍膜-激光消融-絲網(wǎng)印刷-燒結(jié)-測(cè)試分選等工序。其中PECVD鍍膜主要是在硅片表面沉積一層氮化硅減反射膜，以增加入射在硅片上的光的透射，減少反射，氫原子摻雜在氮化硅中附加了氫的鈍化作用。本文主要研究了單晶PERC管式鍍膜自動(dòng)化設(shè)備提升良品率的措施。在管式鍍膜自動(dòng)化設(shè)備中，吸盤(pán)印和劃傷是影響硅片良品率的兩個(gè)因素。本文主要通過(guò)分析吸盤(pán)印和劃傷產(chǎn)生的原因，通過(guò)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化機(jī)器人路徑，提升硅片的良品率。

2 管式鍍膜自動(dòng)化設(shè)備的功能介紹

該設(shè)備主要是將100片專用籃具中未經(jīng)鍍膜的硅片經(jīng)上料傳輸機(jī)構(gòu)、緩存機(jī)構(gòu)存入上料變節(jié)距機(jī)構(gòu)中，由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)真空吸盤(pán)將變節(jié)距機(jī)構(gòu)中的硅片吸取后放入石墨舟中；待石墨舟進(jìn)入工藝爐完成PECVD鍍膜后，再由真空吸盤(pán)將硅片從石墨舟中取出，經(jīng)下料變節(jié)距機(jī)構(gòu)、緩存機(jī)構(gòu)、下料傳輸機(jī)構(gòu)裝入100片專用籃具中，待進(jìn)行后續(xù)工藝。

3 吸盤(pán)印

在該設(shè)備中，主要靠六軸機(jī)器人驅(qū)動(dòng)真空吸盤(pán)(圖1所示)實(shí)現(xiàn)硅片在石墨舟中的裝卸。在真空吸盤(pán)吸取成組硅片時(shí)，若吸嘴與硅片發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生吸盤(pán)印(圖2所示)。真空吸盤(pán)由成組的單個(gè)吸盤(pán)片組成，吸盤(pán)片的數(shù)量跟石墨舟中成組的舟片數(shù)量相對(duì)應(yīng)。每一片單獨(dú)的吸盤(pán)片安裝有三個(gè)吸嘴，分別靠4個(gè)彈簧掛在吸盤(pán)片上。吸嘴通過(guò)氣管與真空發(fā)生器連通，靠負(fù)壓將硅片吸起。其中，吸盤(pán)片的結(jié)構(gòu)，彈簧，氣管的選擇均會(huì)導(dǎo)致吸嘴與硅片產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 吸盤(pán)

圖2 吸盤(pán)印

◆ 彈簧的選擇：彈簧的線徑、圈數(shù)不同，對(duì)吸嘴的作用力也不同。在彈簧直徑和總長(zhǎng)度不變的情況下，同樣的線徑，圈數(shù)越多，作用力越?。煌瑯拥娜?shù)，線徑越小，作用力也越小。本設(shè)備中對(duì)彈簧多次試驗(yàn)和改進(jìn)，選用外徑3 mm，線徑0.3 mm，圈數(shù)為20圈的拉伸彈簧，材料為不銹鋼。

◆ 氣管的選擇：氣管前后兩端通過(guò)接頭將吸嘴和真空發(fā)生器連通，由于吸嘴靠四個(gè)拉伸彈簧互相平衡掛在吸盤(pán)片上，因此氣管的材質(zhì)要選用較軟的，太硬的氣管容易對(duì)吸嘴產(chǎn)生外力，導(dǎo)致三個(gè)吸嘴面不在同一個(gè)平面上，影響對(duì)硅片的吸取。本設(shè)備中改進(jìn)后的氣管選用軟的透明硅膠材料，內(nèi)徑1 mm，外徑2 mm。

◆ 吸盤(pán)片的結(jié)構(gòu)：三個(gè)吸嘴分別由四個(gè)彈簧掛在吸盤(pán)片上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。吸盤(pán)片上設(shè)置有擋邊，擋邊的間距為16.41 mm(圖3所示)，吸嘴的外徑為16 mm，則吸嘴的左右活動(dòng)間隙為0.41 mm。當(dāng)吸嘴吸取硅片，給石墨舟裝卸片時(shí)，若硅片碰到舟片上的卡點(diǎn)，彈簧變形較小時(shí)，吸嘴與擋邊不會(huì)碰到，與硅片無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生。若彈簧變形較大，則擋邊將吸嘴擋住，吸嘴會(huì)與硅片發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)便會(huì)有吸盤(pán)印產(chǎn)生。因此，改進(jìn)后將吸盤(pán)片的擋邊距離加大到18.61 mm，使吸嘴的活動(dòng)間隙加大為2.61 mm，則硅片的吸盤(pán)印概率大大降低。

圖3 吸盤(pán)擋邊間距

4 劃傷

硅片與石墨舟片產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)發(fā)生劃傷(圖4所示)。產(chǎn)生劃傷的因素有石墨舟定位不精確、真空吸盤(pán)零件的加工精度及裝配精度不夠、機(jī)器人裝卸硅片路徑未優(yōu)化等。

4.1 石墨舟定位不精確

石墨舟類似于一個(gè)長(zhǎng)方體，前后左右的定位精度必須達(dá)到一定的值才能保證每次裝片和卸片時(shí)，硅片不會(huì)與舟片發(fā)生摩擦。在石墨舟長(zhǎng)度方向上，石墨舟前端設(shè)置有固定的定位零件，通過(guò)石墨舟末端的氣缸將舟向前推靠到定位零件的平面上，完成前后方向的定位；在寬度方向上，兩條傳輸通道的石墨舟共用一個(gè)固定的整體焊接機(jī)構(gòu)作為定位零件，該零件的兩個(gè)定位平面的平面度、平行度以及與安裝底面的垂直度公差都小于0.1mm，保證每次真空吸盤(pán)裝卸片時(shí)，硅片不與舟片發(fā)生摩擦。

圖4 劃傷

4.2 真空吸盤(pán)零件的加工精度不夠

真空吸盤(pán)由多個(gè)零件螺接而成，每一個(gè)零件的加工精度至關(guān)重要，它會(huì)影響到整個(gè)吸盤(pán)最終的精度，從而影響硅片劃傷的產(chǎn)生。

1) 吸嘴是與硅片直接接觸的非金屬零件，因此吸附面加工時(shí)必須足夠光滑平整，不得有毛刺。

2) 吸盤(pán)片承載三個(gè)吸嘴，由于它的厚度只有4 mm，因此加工時(shí)必須采用特殊的裝夾方式，保證加工后兩個(gè)平面的平面度及平行度都小于0.1 mm。

3) 吸盤(pán)片底座與吸盤(pán)片靠四個(gè)螺釘螺接，成組的吸盤(pán)片底座又安裝到一個(gè)安裝板上，螺接面的平面度及底座安裝面的垂直度要小于0.1 mm。

4)安裝板兩個(gè)面的平面度及平行度都小于0.1 mm。

4.3 真空吸盤(pán)的裝配精度不夠

1) 零件加工好后，要用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)試每一個(gè)零件的精度是否達(dá)標(biāo)。

2) 將吸嘴安裝到吸盤(pán)片上。

3) 將每個(gè)吸盤(pán)片安裝到底座上，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)試吸盤(pán)片的平面度與底座面的垂直度是否達(dá)標(biāo)。

4) 將成組的底座螺接到安裝板上，把第一組吸盤(pán)片作為基準(zhǔn)，后續(xù)安裝每一組時(shí)，都要分別測(cè)試該組吸盤(pán)片與它的前一組及第一組的精度是否達(dá)標(biāo)。

5) 安裝好的吸盤(pán)要輕拿輕放，不得碰撞，防止影響精度。

4.4 機(jī)器人裝卸硅片路徑未優(yōu)化

機(jī)器人裝卸片的路徑至關(guān)重要，是整個(gè)設(shè)備的核心，它的優(yōu)化對(duì)吸盤(pán)印和劃傷的降低起著很大的作用。

圖5 機(jī)器人裝卸路徑

優(yōu)化后的路徑如下：

◆ 裝片路徑：

1) 真空吸盤(pán)吸取硅片后沿著Y負(fù)方向向下深入到石墨舟片的間隙內(nèi)，硅片下邊緣距離石墨舟舟葉下邊緣約21 mm；

2) 真空吸盤(pán)沿著A方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，約0.7°～1°；

3) 真空吸盤(pán)沿Z負(fù)方向貼近石墨舟片，硅片表面距離舟片約為0.1 mm～0.2 mm；

4) 真空吸盤(pán)沿A反方向旋轉(zhuǎn)大角度，約3.7°～4°，且沿Y負(fù)方向向下5.5 mm；

5) 真空發(fā)生器松氣，硅片掉落于卡點(diǎn)1,2,3的范圍內(nèi)，完成石墨舟的裝片動(dòng)作。

◆卸片路徑：

1) 真空吸盤(pán)沿著Y負(fù)方向向下深入到石墨舟片的間隙內(nèi)；

2) 真空吸盤(pán)沿著A負(fù)方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)大角度，約3°；

3) 真空吸盤(pán)沿Z負(fù)方向貼近硅片，開(kāi)啟真空發(fā)生器，吸取硅片；

4) 真空吸盤(pán)吸著硅片沿Z方向脫離舟片，硅片表面距離舟片距離約0.3 mm；

5) 真空吸盤(pán)沿A方向旋轉(zhuǎn)大角度，約3.7°～4°，且沿Y方向向上5.5 mm；

6) 真空吸盤(pán)沿Z方向運(yùn)行約2.5～3mm，再沿A負(fù)方向旋轉(zhuǎn)小角度約0.7°～1°；

7) 真空吸盤(pán)沿Y方向向上運(yùn)行，完成石墨舟卸片動(dòng)作。

5 改進(jìn)后的良品率對(duì)比

設(shè)備經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)，機(jī)器人路徑優(yōu)化后，吸盤(pán)印和劃傷的對(duì)比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后良品率對(duì)比

從表中可看出，良品率大幅提升，若日產(chǎn)量20萬(wàn)張硅片，A級(jí)片和B級(jí)片的價(jià)格差按0.5元計(jì)算，每日可節(jié)約大約450元。

6 總結(jié)

管式鍍膜自動(dòng)化設(shè)備經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)，機(jī)器人路徑優(yōu)化后，硅片的吸盤(pán)印和劃傷大幅下降，良品率提高，設(shè)備的穩(wěn)定性提升，為客戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在此基礎(chǔ)上，我們將繼續(xù)研發(fā)大產(chǎn)量、高性能的設(shè)備。