朱江江，王志宏

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

PERC電池最早起源于上世紀(jì)八十年代，但直到近幾年才逐漸引起重視。經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，PERC電池可量產(chǎn)效率逐年攀升，多晶PERC量產(chǎn)效率可達(dá)20%～20.5%，單晶PERC效率更可提高到21%～21.5%。與常規(guī)電池相比PERC電池的轉(zhuǎn)化效率更高，因此，隨著PERC電池產(chǎn)能的擴(kuò)張，常規(guī)電池的市場份額在逐年下降。

與常規(guī)電池不同，在進(jìn)行PECVD工藝之前，PERC電池需要先在其表面進(jìn)行介質(zhì)鈍化[1]。進(jìn)行表面介質(zhì)鈍化后的薄膜十分脆弱，因此在自動化設(shè)備的運(yùn)行過程中極易產(chǎn)生劃傷、吸盤印。產(chǎn)生劃傷、吸盤印的PERC電池，其被表面的復(fù)合速度會提高，光反射則下降，嚴(yán)重降低太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，更會直接影響到太陽能電池的經(jīng)濟(jì)價值。同時，如果電池片在石墨舟內(nèi)位置不當(dāng)，還會引起工藝設(shè)備放電高頻，嚴(yán)重影響產(chǎn)線產(chǎn)量。

為了適應(yīng)技術(shù)與市場的變化、提高設(shè)備競爭力，研究如何提高石墨舟上下料機(jī)的良品率顯得十分關(guān)鍵。本文以問題為導(dǎo)向，企業(yè)的實(shí)際需求為依托，理論計(jì)算與實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合為手段，有效的提高了設(shè)備良品率。

1 常見問題分析

石墨舟上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由藍(lán)具傳輸、硅片傳輸、中轉(zhuǎn)定位、硅片吸附、石墨舟定位、石墨舟傳輸六個部件組成[2]。在這六個部件中，利用六軸工業(yè)機(jī)器人控制的硅片吸附組件是與硅片、石墨舟接觸最多，也是能否有效完成硅片插取的最關(guān)鍵部件。

圖1 石墨舟上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

硅片在石墨舟內(nèi)的姿態(tài)如圖2所示。隨著近年來PECVD工藝方法的不斷改進(jìn)，其精細(xì)化的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，逐漸影響到了石墨舟結(jié)構(gòu)的變化。時至今日，石墨舟內(nèi)三個卡點(diǎn)內(nèi)的余量基本控制在1 mm之內(nèi)，精度要求極高，因此在硅片的插取過程中也常會出現(xiàn)以下幾種問題。

圖2 硅片在石墨舟內(nèi)姿態(tài)

1) 硅片劃傷不良品如圖3(a)所示，可以看到經(jīng)EL測試，硅片上方出現(xiàn)不規(guī)則的斜向細(xì)紋。這是由于在硅片放置入石墨舟的過程中，需要通過硅片吸附組件進(jìn)行兩次旋轉(zhuǎn)，但由于卡點(diǎn)內(nèi)空間余量極小，在旋轉(zhuǎn)過程中常會發(fā)生硅片與石墨舟葉接觸，從而產(chǎn)生了硅片劃傷。

圖3 三種常見的的不良品

2) 如圖3(b)所示，吸盤印的不良品在經(jīng)過EL測試后，硅片正面中間與上方均出現(xiàn)了小圓圈。與劃傷不良類似，吸盤印也是在硅片旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生的。但與之不同的是，吸盤印是由于真空吸嘴與硅片產(chǎn)生了相對位移。依次推定可以判斷，是由于在硅片放置過程中，硅片與石墨舟卡點(diǎn)發(fā)生了碰撞，從而產(chǎn)生了吸盤印[3]。

3) 還有一種常見的不良品，是由于工藝設(shè)備放電高頻導(dǎo)致，其常見形態(tài)如圖3(c)所示。這種不良品外觀變化較為明顯，極易判斷。在硅片的放置過程中，如若硅片與石墨舟無法完全貼合，存在一定的縫隙，就有可能會產(chǎn)生此種不良品。

除了以上三種常見的問題之外，如何在運(yùn)行過程中減少碎片，降低碎片率，也在優(yōu)化設(shè)計(jì)的考慮范圍內(nèi)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 六軸工業(yè)機(jī)器人算法優(yōu)化

在石墨舟上下料機(jī)的設(shè)計(jì)中，硅片吸附組件是最重要的部件之一，而其能否高效運(yùn)行則在很大程度上取決于與其配合的六軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行效果。機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行將直接影響設(shè)備的穩(wěn)定性以及產(chǎn)品的合格率。因此，為了保證機(jī)器人的高效運(yùn)行，確定其運(yùn)行方式就成為了十分重要的一環(huán)。

一般的工業(yè)機(jī)器人具有直交坐標(biāo)以及工具坐標(biāo)兩個坐標(biāo)系。機(jī)器人在直交坐標(biāo)系下直線插補(bǔ)動作時，控制點(diǎn)沿著機(jī)器人坐標(biāo)系的XYZ軸動作。此時，機(jī)器人的動作方向與機(jī)器人的姿勢(法蘭的朝向)無關(guān)。機(jī)器人在工具坐標(biāo)系下直線插補(bǔ)動作時，控制點(diǎn)沿著法蘭前端的工具坐標(biāo)系的XYZ軸動作。此時，機(jī)器人的動作方向根據(jù)機(jī)器人的姿勢(法蘭的朝向)不同而改變。

在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，對于不同的設(shè)備，機(jī)器人、吸盤以及石墨舟三者的位置關(guān)系均會發(fā)生不同程度的偏移。在偏移量未知的情況下，使用單一坐標(biāo)系無法精準(zhǔn)的對運(yùn)行路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在進(jìn)行硅片吸附組件位置矯正之前，首先進(jìn)行坐標(biāo)系的建立。

如圖4所示，首先在吸附組件上附加一個定位裝置，將石墨舟固定好后，選取石墨舟中的三個點(diǎn)A、B、C作為坐標(biāo)建立的參考點(diǎn)；其次，移動機(jī)器人以保證定位裝置與參考點(diǎn)相重合，三個參考點(diǎn)選取完成后，以這三個點(diǎn)的坐標(biāo)，建立X、Y軸，并定義與該平面垂直90°方向?yàn)閆軸，從而完成坐標(biāo)系的建立。在此基礎(chǔ)之上，再進(jìn)行吸附組的位置矯正。

圖4 吸盤定位裝置設(shè)計(jì)

圖5 坐標(biāo)系建立點(diǎn)選取

2.2 硅片位置矯正

在生產(chǎn)過程中，隨著石墨舟使用次數(shù)的增加，會不可避免的出現(xiàn)一定程度的變形。因此，也有一定幾率出現(xiàn)硅片與石墨舟無法完全貼合的情況，從而導(dǎo)致出現(xiàn)放電高頻現(xiàn)象。為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，生產(chǎn)現(xiàn)場常使用人工檢查、拍打的方法進(jìn)行處理。但是這種方法不僅耗時，且對于人力資源也產(chǎn)生了浪費(fèi)。

針對這種情況，設(shè)計(jì)了硅片穩(wěn)定裝置，如圖6所示，利用石墨舟從定位部件到運(yùn)輸部件傳輸過程中的時間，將穩(wěn)定裝置以0.5s/次的速率進(jìn)行勻速運(yùn)動，以保證石墨舟每個槽位均能受到有效拍擊。通過滾輪與軸承的有效配合，既能有效的對硅片位置進(jìn)行矯正，使其與石墨舟葉貼合更緊密，又不會對石墨舟造成損傷。提高良品率的同時，也減少了對人力資源的浪費(fèi)。

圖6 硅片穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)

3 良品率測試實(shí)驗(yàn)

與石墨舟上下料機(jī)搭配使用的是416片石墨舟，石墨舟規(guī)格為8*26，共有A、B兩面可以進(jìn)行硅片的放置。為了提高設(shè)備使用效率，共設(shè)計(jì)了兩個工作位置，此處簡稱為“一工位”、“二工位”。從兩個工位中各隨機(jī)選擇1000片做EL檢測，通過得到的數(shù)據(jù)對運(yùn)行軌跡進(jìn)行細(xì)微調(diào)整直至達(dá)到理想狀態(tài)。一工位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，二工位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2.

表1 一工位良品率測試結(jié)果

表2 二工位良品率測試結(jié)果

4 總結(jié)

隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展以及PERC技術(shù)的日臻成熟，研究如何提高石墨舟上下料機(jī)的良品率成為了極具現(xiàn)實(shí)意義的課題。通過對幾種常見不良品的分析，提出重新建立機(jī)器人坐標(biāo)系，以完成吸附組位置的準(zhǔn)確矯正。同時，配合硅片穩(wěn)定裝置，以求達(dá)到更好的效果。最后使用理論分析與實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的辦法逐步調(diào)整，直至達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，將不良品比例控制在了0.1%以下，取得了較好的經(jīng)濟(jì)價值。