薛珺天，折 飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 前言

對太陽能資源的開發(fā)利用是對新能源的探索研究、對落實(shí)國家節(jié)能減排要求、實(shí)行科學(xué)發(fā)展觀戰(zhàn)略的重要舉措。其中光伏發(fā)電技術(shù)就是對太陽能利用的重要體現(xiàn)。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，其核心是光伏電池制造工藝，我國是目前光伏電池最大的生產(chǎn)國，如何提高發(fā)電效率是光伏電池制造行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

雙面PERC光伏電池制造技術(shù)是當(dāng)前光伏電池制造的熱點(diǎn)，其優(yōu)勢為可雙面發(fā)電、雙波封裝、高可靠性、降低鋁漿用量、成本優(yōu)勢顯著等。但是其缺點(diǎn)是工藝要求特殊、對硅片表面精度要求較高。在刻蝕階段，采取從籃具通過皮帶傳輸上料，再經(jīng)過刻蝕工藝機(jī)臺工藝完成，最后由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)吸取硅片經(jīng)由下料皮帶傳輸至下料籃具的工藝過程。整個過程硅片運(yùn)動均由各個部分皮帶傳輸完成。在上料過程中，由于硅片正面經(jīng)擴(kuò)散形成PN結(jié)后，正面具有表面場鈍化保護(hù)的效果，在硅片到達(dá)下料自動化設(shè)備前由自動化設(shè)備上的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將來料翻轉(zhuǎn)，使硅片刻蝕面向上，硅片正面接觸皮帶運(yùn)動。在此過程中，硅片兩面均要接觸皮帶做出相對運(yùn)動，而在雙面發(fā)電工藝中，對硅片雙面均有較高要求。硅片在自動化設(shè)備運(yùn)動軌跡有較多的方向變化及相對運(yùn)動，而相對運(yùn)動及速度的加減速變化易在皮帶上產(chǎn)生劃傷及污染。劃傷及污染會造成電池片發(fā)電效率低，且在EL檢測中有明顯痕跡，對電池片的品質(zhì)及外觀造成不良影響，甚至嚴(yán)重影響企業(yè)效益。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)動分析及改善方案

本文介紹了一種由伯努利原理吸盤及換向結(jié)構(gòu)組成的自動化設(shè)備對于皮帶印的研究和改進(jìn)，對同類結(jié)構(gòu)不同設(shè)備均有借鑒意義。

1.1 上料機(jī)結(jié)構(gòu)及方案改進(jìn)

刻蝕上料機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動方式如圖1所示。

擴(kuò)散后硅片從籃具內(nèi)由皮帶傳送至換向機(jī)構(gòu)→運(yùn)動方向由縱向變?yōu)闄M向→側(cè)向傳送機(jī)構(gòu)排片→硅片在橫向傳送機(jī)構(gòu)皮帶排列整齊→縱向五道皮帶傳送到達(dá)工藝機(jī)臺。

在上料機(jī)部分硅片經(jīng)過四段皮帶的傳送，且硅片為刻蝕面接觸皮帶，刻蝕槽酸性混合液體會對擴(kuò)散后硅片下表面及邊緣進(jìn)行腐蝕以去除其中N型硅，所以對上料機(jī)機(jī)臺在相對運(yùn)動中對硅片造成的污染會有一定去除作用。

1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

此前換向位機(jī)械結(jié)構(gòu)是由換向頂起結(jié)構(gòu)、出片傳送皮帶、側(cè)向傳送皮帶三部分組成。其中換向處皮帶由步進(jìn)電機(jī)帶動，換向升降動作由模組及伺服電機(jī)控制，整個系統(tǒng)運(yùn)動控制較復(fù)雜，各個結(jié)構(gòu)交接處皮帶易因電信號到位及各部分結(jié)構(gòu)間相對運(yùn)動對硅片造成皮帶印及劃傷。且模組結(jié)構(gòu)及多出的步進(jìn)電機(jī)加大了設(shè)備制造成本[1]。舊式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 舊式換向位結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后設(shè)備結(jié)構(gòu)將換向位及出片傳送結(jié)構(gòu)用一條皮帶連接。一條皮帶可避免換向機(jī)構(gòu)及裝片傳送機(jī)構(gòu)間因皮帶傳動產(chǎn)生的偏倚造成皮帶印，且采用一條皮帶連接，可在結(jié)構(gòu)上省去一套模組結(jié)構(gòu)及一個步進(jìn)電機(jī)。對設(shè)備制造成本的降低也有較大幫助。新式結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新式換向位結(jié)構(gòu)

1.1.2 電氣控制方案

1) 在結(jié)構(gòu)中應(yīng)注意橫向傳送機(jī)構(gòu)及側(cè)向傳送機(jī)構(gòu)皮帶速度及電機(jī)加減速需保持一致，若兩段皮帶速度不一致，硅片會因皮帶間的速度差而歪斜造成皮帶印及劃傷。

2) 換向運(yùn)動為頂起裝置及裝片傳送及側(cè)向傳送皮帶運(yùn)動組成，在程序中設(shè)置硅片到達(dá)換向位，換向位漫反射傳感器檢測硅片到位上升沿，裝片皮帶停止轉(zhuǎn)動，此時換向位頂起裝置下落將硅片放于側(cè)向傳送皮帶上，此時側(cè)向傳送皮帶為靜止?fàn)顟B(tài)，待頂起裝置到達(dá)下位，延時0.01 s，側(cè)向皮帶轉(zhuǎn)動。此過程中，確保硅片在側(cè)向傳送開始時為靜止?fàn)顟B(tài)，避免了硅片在皮帶上傳輸時，因在換向處未停穩(wěn)而開始下一階段運(yùn)動導(dǎo)致硅片發(fā)生側(cè)移、偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致硅片飛出或歪斜而產(chǎn)生相對運(yùn)動繼而造成皮帶印、劃傷甚至碎裂。在降低上料機(jī)產(chǎn)生的碎片率的同時，解決了硅片在換向處因傳送運(yùn)動而產(chǎn)生的工藝問題。

3) 變更上料機(jī)縱向傳送及工藝機(jī)臺間的速度匹配方式。上料機(jī)采用的速度匹配方式為在工藝機(jī)臺滾輪處安裝光電編碼盤及槽型開關(guān)，碼盤及槽型開關(guān)采集滾輪轉(zhuǎn)速傳送給plc。在工藝機(jī)臺速度變化后，此時對自動化設(shè)備速度做出調(diào)節(jié)使自動化上料機(jī)傳送到其上的硅片每排間距保持不變。若自動化設(shè)備與工藝機(jī)臺滾輪速度不一致,易造成在對接位置硅片歪斜,進(jìn)而導(dǎo)致在工藝機(jī)臺內(nèi)部造成硅片連片、碎片等情況發(fā)生。兩段速度不等也易造成硅片在皮帶上產(chǎn)生相對運(yùn)動造成的皮帶印與滾輪印。新的控制方式由調(diào)節(jié)縱向皮帶速度快速變?yōu)榭v向皮帶傳送快速保持不變，自動化設(shè)備根據(jù)所采集的速度變化信號而根據(jù)信號自動調(diào)節(jié)對接位置皮帶速度，使對接口皮帶轉(zhuǎn)速與滾輪速度保持一致，同時調(diào)節(jié)硅片行間距之間延時大小，保證在速度變化后不改變生產(chǎn)效率。

1.2 下料機(jī)結(jié)構(gòu)及方案改進(jìn)

下料機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動如圖4所示。

圖4 下料機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動方式

下料機(jī)部分硅片從工藝設(shè)備流出，經(jīng)由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，此時硅片正面接觸皮帶刻蝕面在上→經(jīng)過五道縱向皮帶傳輸→到達(dá)橫向排片位→橫向皮帶傳輸→側(cè)傳皮帶傳輸→換向機(jī)構(gòu)換向→緩存?zhèn)魉推魉椭粱@具。

硅片在下料機(jī)接觸皮帶及吸盤部分易在EL測試中發(fā)現(xiàn)污染。由皮帶印、吸盤印、劃傷造成電池片效率如表1所示。

表1 下料機(jī)造成電池片污染種類及電池片效率

雙面發(fā)電電池片工藝中要求電池片平均效率為21%及以上，所以自動化設(shè)備造成的污染情況極易造成低效率片，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

下料機(jī)部分帶動皮帶轉(zhuǎn)動的元器件為鳴智MSST系列，工作原理為IO通訊方式，控制簡單，通過修改幾個簡單參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對皮帶加速及減速控制，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)即可完成硅片平穩(wěn)傳輸。

伺服電機(jī)為臺達(dá)ASD-A2總線型。因翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要求軸運(yùn)動速度快、定位要求高、且不對設(shè)備造成抖動。臺達(dá)ASD-A2系列高功能伺服電機(jī)可提供1280000ppr的高定位精度，速度循環(huán)相應(yīng)頻率為1 kHz，可提供精準(zhǔn)定位及平穩(wěn)控制。操作簡單方便，易于控制。

1.2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)吸盤改善

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)吸盤為伯努利吸盤原理，翻轉(zhuǎn)到達(dá)取片位，電磁閥通氣，吸盤將硅片吸起。翻轉(zhuǎn)到達(dá)放片位，電磁閥斷氣，將硅片放于縱向傳送皮帶上。此過程在吸盤吸片時易因氣壓過大造成硅片接觸吸盤后與吸盤接觸點(diǎn)形成點(diǎn)狀吸盤印，且易造成硅片吸碎及隱裂。方法:將吸盤接觸點(diǎn)由材質(zhì)較硬的硅膠換為3M生產(chǎn)的密封膠帶，由于硅膠材質(zhì)較硬在硅片與其接觸時易產(chǎn)生較大的碰撞與抖動，若氣壓較大，會造成硅膠所在位置產(chǎn)生點(diǎn)狀劃傷。3M密封膠帶材質(zhì)為EVA海綿，硅片與其接觸時有一定緩震作用，且剪裁面積大于硅膠，較大的受力面也不易產(chǎn)生點(diǎn)狀劃傷。

1.2.2 翻轉(zhuǎn)在放片位參數(shù)及位置確定

翻轉(zhuǎn)在放片位參數(shù)，翻轉(zhuǎn)在放片位時要確定硅片高度高于皮帶高度2 mm，且在設(shè)備安裝定位時吸盤下表面平行于刻蝕來料硅片上表面2 mm。吸盤以電機(jī)軸為中心轉(zhuǎn)動，取片位高于皮帶2 mm可防止硅片在轉(zhuǎn)動過程中與滾輪接觸造成摩擦[2]。在放片位涉及兩個參數(shù)：1) 伺服電機(jī)定位完成，上升沿信號給出后延時0.01 s吸盤斷真空。2) 上一步驟完成后延時縱向皮帶轉(zhuǎn)動。硅片下落需要時間，此處應(yīng)保持?jǐn)嗾婵罩凉杵侣溆谄峡傃訒r小于皮帶轉(zhuǎn)動延時，若在硅片未完全下落時皮帶已開始轉(zhuǎn)動，易造成嚴(yán)重的皮帶印及硅片歪斜。

1.2.3 換向位機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計及控制設(shè)置

換向位機(jī)構(gòu)為一偏心輪頂起裝置，偏心輪轉(zhuǎn)到最高位時換向位皮帶應(yīng)高于側(cè)傳皮帶5 mm。在實(shí)際運(yùn)行過程中，頂起的實(shí)際高度由槽型開關(guān)控制，換向處漫反射傳感器檢測到上升沿，偏心輪電機(jī)轉(zhuǎn)動，因控制頂起裝置處皮帶高于側(cè)向傳送皮帶2 mm。既可保證換向升降有較多可調(diào)節(jié)余量防止在換向上位處因硅片縱向方向與側(cè)向皮帶發(fā)生相對接觸，又保證在產(chǎn)能要求較高時換向反饋迅速快捷。此處控制因換向位漫反射傳感器檢測到上升沿硅片到位，側(cè)向傳送皮帶延時停止轉(zhuǎn)動，側(cè)向傳送皮帶停止轉(zhuǎn)動后頂起延時到達(dá)上位，在頂起上位時，皮帶延時0.02 s轉(zhuǎn)動。此處換向位向上延時應(yīng)大于側(cè)向傳送皮帶停止轉(zhuǎn)動延時，需保證換向處硅片在換向位開始傳送前均保持靜止?fàn)顟B(tài)，防止與皮帶有相對運(yùn)動。

1.2.4 各段皮帶電機(jī)的加速度、減速度。

下料機(jī)皮帶有較多的速度變化，電機(jī)加速度、減速度值較大，意味著皮帶在啟動與停止的速度較大，急速的啟動與剎車均易造成硅片與皮帶的相對運(yùn)動。各段皮帶的加速度與減速度如表2所示。

表2 各段皮帶加減速

各段電機(jī)傳送加、減速度調(diào)節(jié)原則應(yīng)以盡量平穩(wěn)，即平穩(wěn)加速、緩慢減速。側(cè)向傳送電機(jī)處因?qū)杵趽Q向處對硅片定位要求較高，所欲減速度應(yīng)適當(dāng)調(diào)高，以防定位不準(zhǔn)。

經(jīng)過大量反復(fù)測試后，我們將EL檢測出的不良硅片比率做分析，皮帶印數(shù)據(jù)由之前的2%變?yōu)?.01%,皮帶及刻蝕自動其他位置造成的劃傷比率由30%降到0%，翻轉(zhuǎn)處吸盤造成的吸盤印由3%下降為0%[3]。

2 改進(jìn)后電池片效率及意義

改進(jìn)后電池片效率如表3所示。

表3 改進(jìn)后電池片效率

改進(jìn)前后電池片皮帶印對比如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后電池片皮帶印對比圖

3 結(jié)束語

刻蝕自動化設(shè)備是PERC工藝線上重要的一環(huán)，因其在整個工藝流程中處于制絨、擴(kuò)散工藝之后，其制作生產(chǎn)出的硅片對后續(xù)工藝過程有較大影響。如何減少自動化設(shè)備造成的工藝污染及碎片、隱裂片的比率對后續(xù)工藝的進(jìn)行有極大的幫助。皮帶印、吸盤印及劃傷的減小對太陽能電池片效率的提升、外觀的改善及企業(yè)利潤的提升均提供了可靠的保障。