呂 沫

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

隨著全球能源的日趨緊張，我國開始大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、綠色發(fā)展，積極開發(fā)利用各種可再生能源。其中，光伏發(fā)電作為一種安全可靠、無噪聲、無污染排放的綠色清潔能源，具有非常廣闊的發(fā)展前景。我國對新型可再生能源發(fā)展的日益重視，使得光伏產(chǎn)業(yè)的規(guī)模不斷壯大，光伏企業(yè)之間的競爭也進入了白熱化。除了成本以外，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率成了各光伏廠商不斷競爭的另一高地。

根據(jù)最新行業(yè)統(tǒng)計，市面上常用的單晶PERC電池片轉(zhuǎn)換效率在18%-21%左右，最高可達22%以上。之所以存在這樣的差距，主要是由太陽能電池片的成品率決定的。在太陽能電池片生產(chǎn)過程中有很多影響成品率的因素，比如劃傷、隱裂、手指印、皮帶印、吸盤印、人工參與的二次污染等，這些都是電池片生產(chǎn)企業(yè)面臨的難題。本文主要針對太陽能電池片生產(chǎn)過程中的刻蝕工序，以自主研發(fā)的刻蝕工序自動化設(shè)備為基礎(chǔ)，討論影響電池片成品率的因素之一吸盤印,并制定有效的解決措施。

1 研究背景

刻蝕工藝在擴散工藝之后，主要使用HF、HCL、HNO3等化學(xué)溶劑腐蝕硅片表面，目的是將硅片四周經(jīng)擴散工藝產(chǎn)生的N型硅去除，以免產(chǎn)生漏電及短路。太陽能電池片生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 太陽能電池片生產(chǎn)工藝流程

刻蝕工藝后的硅片，經(jīng)刻蝕工藝設(shè)備的滾輪傳出后，傳至自動化下料設(shè)備上，再裝入100片花籃內(nèi)，轉(zhuǎn)至下一工序?？涛g下料機機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刻蝕下料機傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

在以往的刻蝕下料設(shè)備中，刻蝕工藝后的硅片經(jīng)工藝設(shè)備的滾輪傳出，慢速傳至刻蝕下料機的縱傳皮帶上。當(dāng)硅片刻蝕面與縱向皮帶接觸時，由于刻蝕面具有的特殊性質(zhì)，極易因為相對運動、摩擦、打滑等原因造成皮帶印等劃痕，嚴(yán)重影響了電池片的成品合格率，這是很多電池片生產(chǎn)企業(yè)共同面臨的棘手難題。為了提升我們自動化設(shè)備的競爭力，針對這一難題我們設(shè)計了硅片翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖3所示。

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理：

1) 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由伺服電機帶動，運動至工藝設(shè)備滾輪上方，吸盤距離滾輪一定高度。

2) 當(dāng)硅片傳輸至吸盤下方時，被吸盤上安裝的傳感器檢測到時，吸盤真空打開。

3) 待5張硅片全部吸附好以后，伺服電機帶動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動至刻蝕下料機皮帶上方。經(jīng)過翻轉(zhuǎn)后，硅片的刻蝕面朝上，不接觸皮帶傳輸。

4) 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)吸附硅片距離下料機皮帶一定合適高度后，吸盤真空關(guān)閉。吸盤桿繼續(xù)下落至皮帶下方安全避讓位置，硅片在重力作用下再落在靜止的皮帶上。

5) 5張硅片隨后同步從縱向皮帶傳輸至橫向皮帶上。

6) 吸盤上的傳感器檢測不到上方有硅片后，在伺服電機的帶動下自動翻回到工藝設(shè)備滾輪上方，如此往復(fù)。

圖3 硅片翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

大量檢測數(shù)據(jù)表明，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可以有效地解決刻蝕面皮帶印的問題。但是由于采用的是接觸式吸盤，卻有可能帶來吸盤印的新問題，如圖4所示。本文通過跟蹤一些客戶的使用情況分析產(chǎn)生吸盤印的主要原因，并通過大量的現(xiàn)場試驗，針對吸盤印這一問題提出相應(yīng)的解決辦法。

圖4 吸盤印

2 分析原因

通過觀察大量帶有吸盤印的硅片，我們發(fā)現(xiàn)吸盤印存在以下幾種情況：每張硅片的吸盤印深淺不一、同一張硅片的吸盤印也存在深淺不一、有的吸盤印呈橢圓形大于正常吸盤上接觸膠墊的大小。觀察完吸盤印后，我們仔細(xì)觀察翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的使用情況。在吸片位，五個吸盤與硅片的相對高度或多或少存在著差異，為了保證吸片效果，五個吸盤進氣壓力大小也調(diào)節(jié)的不同。有的吸盤吸片時吸力大，聲音大，有的吸盤吸片輕柔，吸力大的吸盤存在吸碎片的情況。在放片位，吸盤真空關(guān)閉時，有的硅片貼住皮帶，有的硅片離皮帶有一點距離。在吸盤真空沒有完全釋放時，貼住皮帶的硅片會與皮帶產(chǎn)生微量的相對運動，這是造成橢圓形吸盤印的原因。距離皮帶有一定距離的硅片，落下時有的輕柔，有的聲音大。通過這些分析，我們發(fā)現(xiàn)吸盤印的多少與吸盤的相對高度和吸力大小有著重要的關(guān)系，我們將逐一尋找解決措施。

3 解決措施

3.1 吸盤取片時與硅片相對高度的調(diào)整

通過修改翻轉(zhuǎn)伺服電機的目標(biāo)位置來調(diào)整吸盤與硅片的相對高度，在確保五個吸盤高度良好的一致性的前提下，為了找到一個最優(yōu)的相對高度值，我們每次調(diào)整0.5 mm的距離，然后跟蹤吸盤印檢測結(jié)果。當(dāng)相對高度大時，為了保證正常吸片，需要調(diào)大吸盤的真空壓力，此時吸盤印相對比較明顯且吸盤易吸碎硅片。隨著吸盤高度的降低，吸盤印的比率也隨之降低。當(dāng)吸盤高度降到一定位置時，由于吸盤距離硅片太近，極易壓住硅片或產(chǎn)生摩擦，吸盤印的比率又出現(xiàn)上升趨勢。跟蹤結(jié)果曲線圖如圖5所示。

圖5 吸盤高度與吸盤印比例跟蹤圖

3.2 吸盤真空壓力的調(diào)整

吸盤真空系統(tǒng)由減壓閥、節(jié)流閥、吸盤組成，通過調(diào)節(jié)減壓閥的壓力值可以控制總的進氣流量；通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥可以控制每個吸盤的吸力大小，減壓閥的壓力值我們一般設(shè)置在0.4～0.6 Mpa之間。

吸盤與硅片的相對高度和吸盤吸力的大小是需要同步調(diào)整的，隨著相對高度的降低，首先將減壓閥的進氣壓力從0.6 Mpa開始逐步往下降。調(diào)整的原則是吸盤吸片時不要出現(xiàn)過大的聲音，同時吸力不能過小，防止翻轉(zhuǎn)過程中甩片。通過調(diào)整與跟蹤測試，我們發(fā)現(xiàn)隨著氣源壓力的降低，吸盤印也隨之降低，當(dāng)氣源壓力調(diào)至0.5 Mpa左右時效果最好。在設(shè)定好總的氣源壓力后，再通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥去調(diào)整單個吸盤的吸力，確保五個吸盤的一致性。

3.3 吸盤放片時機的調(diào)整

翻轉(zhuǎn)吸盤帶動硅片到達刻蝕下料機的放片位，開始關(guān)閉真空進行放片操作，放片位的設(shè)置有一定的限制。當(dāng)放片位與皮帶平行，硅片貼著皮帶時關(guān)閉真空，吸盤的氣流沒有釋放完全，硅片沒有完全脫離吸盤時被皮帶拖著傳輸導(dǎo)致吸盤印。當(dāng)放片位低于皮帶，導(dǎo)致硅片被撞碎。當(dāng)放片位高于皮帶，硅片在重力作用下下落，存在碎片的風(fēng)險。將放片位設(shè)置于皮帶之上，逐步降低吸盤與皮帶的相對高度，當(dāng)降低至2 mm時，解決效果最優(yōu)。

4 工藝驗證

吸盤印用肉眼是無法判斷的，在用戶現(xiàn)場檢測吸盤印有無的方法是采用EL缺陷檢測儀。為了保證電池片的成品合格率，需要使用EL檢測儀對所有硅片進行全檢。通過對電池片加載電壓后，使之發(fā)光，再利用紅外成像儀攝取其發(fā)光影像。因電致發(fā)光亮度正比小于少子擴散長度，硅片表面產(chǎn)生吸盤印的部分因具有較少的少子擴散長度，會發(fā)出較弱的光，從而形成較暗的影像，因此得以判斷。

通過反復(fù)的調(diào)整及大量跟蹤測試，結(jié)果表明：隨著吸盤與硅片之間相對高度的降低，吸盤印的比率在隨之下降。當(dāng)相對高度降至2 mm時，吸盤印的解決效果最優(yōu)；當(dāng)相對高度降低至2 mm以下時，吸盤印的比率又隨之增加。同時，隨著吸盤真空壓力的降低，吸盤印的比率在隨之下降。當(dāng)真空壓力降低至0.5 Mpa時，吸盤印的解決效果最優(yōu)；當(dāng)真空壓力降低至0.4 MPa以下時，會影響吸盤的吸片效果，將隨之帶來新的問題。

通過跟蹤EL檢測結(jié)果，我們看到對吸盤結(jié)構(gòu)采取的調(diào)整措施，達到了對吸盤印的有效消除，如圖4所示對比。

圖4 調(diào)整前后吸盤印EL檢測結(jié)果對比圖

5 結(jié)束語

通過對刻蝕工序吸盤印的有效處理，有力地提高了電池片的成品合格率。解決了困擾電池片生產(chǎn)商和自動化設(shè)備廠商的大問題，有效地提升了我們設(shè)備的競爭力，也為后續(xù)合作的開展提供了堅實的基礎(chǔ)。在光伏產(chǎn)業(yè)化規(guī)模發(fā)展的現(xiàn)階段，更高的轉(zhuǎn)換效率和更低的成本是光伏行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，我們也會繼續(xù)提升設(shè)備的各項性能，為日后開辟出一條更為廣闊的發(fā)展市場。