德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 施秉旭

在太陽能電池片的生產(chǎn)工藝流程中，鍍膜（PECVD）工序硅片的自動(dòng)化傳輸由全自動(dòng)石墨舟上下料裝機(jī)完成。通過對機(jī)械精度的調(diào)整和優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，制定了針對機(jī)器人插片時(shí)掉片這一問題的解決措施。

氮化硅薄膜具備較好的阻隔鈉離子、掩蔽金屬以及水蒸氣散發(fā)的功能，可以加強(qiáng)在硅片上進(jìn)行光的投射，降低反射，由此加強(qiáng)硅片的光電轉(zhuǎn)化效果。鍍膜工藝是制備高效晶體硅太陽能電池的重要步驟之一，通過PECVD鍍膜制作較高效率的晶體硅太陽能電池片，這對大范圍運(yùn)用太陽能發(fā)電具備及其關(guān)鍵的含義。

1 典型硅片器件結(jié)構(gòu)

硅片疊層中的每一層由一種單獨(dú)的成膜技術(shù)形成，這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

首先，它是非常多功能的，同一個(gè)設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)通過許多不同的路線。

第二，從另一個(gè)角度來看，這是很重要的知識產(chǎn)權(quán)（IPR）的觀點(diǎn)，因?yàn)檫@意味著要有效保護(hù)太陽能電池片幾乎是不可能的產(chǎn)品，除非是特定材料。因?yàn)閮蓚€(gè)可用的設(shè)備幾何圖形和許多材料都是現(xiàn)有技術(shù)。更進(jìn)一步復(fù)雜之處在于，使用手邊的印刷膠片，用來確定它是如何制作的。而有些印刷方法會(huì)在印刷膠片上產(chǎn)生考慮到他們的身份，可以預(yù)計(jì)多層膜很難。

第三，這個(gè)方面使得發(fā)明新的設(shè)備結(jié)構(gòu)和電極，可以準(zhǔn)備有競爭力的設(shè)備。

2 硅片的成膜的重要性

值得注意的是，這么多已知的成膜（PECVD工序）技術(shù)還很少他們已經(jīng)進(jìn)入了聚合物太陽能電池的世界。至少有三個(gè)原因可以解釋這一點(diǎn)。首先，許多技術(shù)需要大量的材料。第二，再現(xiàn)性有時(shí)是困難的，第三，許多技術(shù)不適合通常采用的小規(guī)模在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中。已經(jīng)探索的技術(shù)包括通常非常適合小基板的單獨(dú)加工（即旋涂、刮墨和鑄造）。但也有，更多的成膜技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來適用于紙張、塑料和紡織品的大批量加工基材呈連續(xù)卷狀的材料。這通常稱為卷對卷涂布或卷對卷涂布涂層（簡稱R2R涂層）及加工設(shè)備一般包括：放卷、涂布、收卷材料?？赡軙?huì)涉及更多的過程，比如清潔，織物的前后處理、加熱、干燥等涂層技術(shù)的重要性在于它們適合于高速涂布或印刷，它們已經(jīng)被開發(fā)出來以達(dá)到非常低的加工成本。雖然這已經(jīng)發(fā)生在沒有被反復(fù)展示的情況下，聚合物太陽能電池普遍認(rèn)為R2R加工便宜快捷。

其他技術(shù)允許一維控制圖案和基板通過涂層頭這意味著可以創(chuàng)建條紋圖案。此外，一些方法允許對圖像進(jìn)行二維控制可在屏幕上復(fù)制任何形狀的印刷圖案基板。最后，一些涂層方法允許形成多層膜在同一涂層步驟中的厚度。組合這些技術(shù)原則上可以實(shí)現(xiàn)偽三維印刷過程中的控制（即圖案和多層結(jié)構(gòu)）。第二個(gè)挑戰(zhàn)是每種涂層技術(shù)方面，通常有一個(gè)操作窗口處理速度和濕層厚度。粘度，表面張力，表面張力能量、揮發(fā)性是油墨的幾個(gè)重要特性，在購買時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。應(yīng)該注意，在涂料行業(yè)，通常采用添加到油墨中以調(diào)節(jié)油墨粘度的添加劑和助劑使油墨達(dá)到可涂布性的特性。

這一切都是傳統(tǒng)涂層和印刷的優(yōu)勢。對于聚合物太陽能電池在鍍膜后，涂層圖案必須形成作用。

3 PECVD工序硅片上下料時(shí)掉片原因分析

3.1 機(jī)器人插入和移除過程的一個(gè)周期

機(jī)器人從石墨舟上取下已涂覆的硅晶片，將其放入卸載和卸載轉(zhuǎn)移花籃中，然后從裝載和轉(zhuǎn)移花籃Wafer中抓取未涂覆的硅。并將其插入舟中。機(jī)器人同時(shí)在石墨舟中吸取26個(gè)硅晶片，合上舟葉，旋轉(zhuǎn)并插入卡片點(diǎn)，然后關(guān)閉吸盤真空，使硅晶片落入每個(gè)舟的卡片槽中。為了確保每個(gè)硅晶片都可以正確放置在石墨舟葉片的卡點(diǎn)中，有必要使用吸盤拾取26個(gè)硅晶片。

3.2 硅片一致性產(chǎn)生的關(guān)鍵原因

材料投入以及輸送機(jī)構(gòu)的位置準(zhǔn)確度；石墨舟的位置準(zhǔn)確度；機(jī)器人進(jìn)行方向的規(guī)劃。芯片掉出因?yàn)闊o法將硅芯片順利放入卡中在里面單擊。

4 PECVD工序硅片上下料時(shí)掉片解決措施

4.1 上料機(jī)構(gòu)的定位精度

4.1.1 動(dòng)作流程

蝕刻后，用手將花籃放在已安裝的花籃上。在傳送組件中，硅晶片被傳送到傳送機(jī)構(gòu)，并且對于每次傳送，硅晶片都被傳送該結(jié)構(gòu)從網(wǎng)格中升起。傳送帶裝滿26個(gè)零件后，上升到機(jī)器上機(jī)器人的抓握位置，等待機(jī)器人抓握。

4.1.2 晶圓一致性的原因

機(jī)器人同時(shí)抓取26個(gè)硅晶片。如果前后26個(gè)晶片未對齊，則在插入和拾取晶片后操縱器的左側(cè)和右側(cè)將不準(zhǔn)確。這可能導(dǎo)致從石墨舟中去除硅晶片掉落。

4.1.3 解決方案

硅晶片由滾軸推動(dòng)，夾子在兩個(gè)方向上，花籃在中間，當(dāng)存夠26個(gè)硅晶片，并通過伺服和推動(dòng)將它們定位到機(jī)器人的抓取位置，硅晶體圓柱體將硅晶片推到一起，固定硅晶體圓柱體，然后夾持一對硅晶片夾緊，使26個(gè)晶片的三面機(jī)械結(jié)構(gòu)完全一致，確保準(zhǔn)確抓握。

4.2 石墨舟的定位精度

4.2.1 動(dòng)作流程

將石墨舟放在合適的位置，墨輪安置齒輪箱部件上面，伺服電機(jī)通過雙導(dǎo)向裝置驅(qū)動(dòng)同時(shí)間導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)將石墨舟轉(zhuǎn)到機(jī)器人的插入和退出位置，等待機(jī)器人插入并取出硅晶片。

4.2.2 晶圓一樣的因素

石墨舟位置準(zhǔn)確度對機(jī)器人抓握結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，倘若全部不能達(dá)到石墨舟的位置準(zhǔn)確度，就會(huì)造成機(jī)器人與石墨舟間的相關(guān)安置地點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤的情況。

4.2.3 相關(guān)處理方案

在石墨舟的位置設(shè)計(jì)了一個(gè)彈簧銷，該彈簧銷由石墨制成，快速將其移至插入位置并檢測傳感器信號，切換到慢速傳輸。托盤接觸彈簧銷后，當(dāng)預(yù)算達(dá)到設(shè)定值時(shí)，處于預(yù)算控制模式的伺服電機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)前位置是墨水盒的擺放位置。之后運(yùn)用x，y使用鼓的方向?qū)嵭须p向定位，保障定位的精準(zhǔn)度。在機(jī)械精準(zhǔn)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，能夠斷定機(jī)器人的行駛軌跡設(shè)置是降低插入結(jié)果的重要原因。

4.3 機(jī)器人軌跡設(shè)計(jì)

4.3.1 動(dòng)作方式

為了取得較好的結(jié)果，需要給機(jī)器人設(shè)置設(shè)計(jì)軟件時(shí)創(chuàng)建抓取點(diǎn)和抓取參數(shù)的3D模型，沿x軸環(huán)繞航天器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1.5°，以確保硅片可以順利進(jìn)入左右兩側(cè)。在這種情況下，到中心軸Z的距離及最外層觸點(diǎn)的距離分別是7.01mm和3.76mm。

沿x軸環(huán)繞航天器當(dāng)它在Z方向上向下移動(dòng)時(shí)，它將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)3.3°，這是最近的方向。通過這些動(dòng)作機(jī)器人最終到達(dá)目標(biāo)位置。

4.3.2 芯片掉落的原因

首先，找不到停止點(diǎn)1，通常表示晶片向下傾斜。原因有兩個(gè)：

（1）硅片相對較小。

（2）角度C（繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度）。

附著點(diǎn)1或X附近的間隙太大，鍵合方向與硅晶片之間的距離太大，無法定位在鍵合點(diǎn)上。在這種情況下，可以根據(jù)實(shí)際情況修改Y和C的角度值。Y值可在0.1～0.3mm范圍內(nèi)增減，C角度可調(diào)節(jié)從0.01°增加到0.02°。

其次，位于結(jié)點(diǎn)2處通常意味著晶片垂直下落。這種情況是由兩個(gè)方面引起的：

（1）膠片沿Z方向放置。

（2）x鍵合方向與硅芯片之間的距離過大，導(dǎo)致硅芯片失效。在這種情況下，按照真實(shí)狀況改變X和Z值，或更改角度B（繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度）將下部放在舟上。X值可在0-0.05mm的范圍內(nèi)增加Z值可以在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)增大或減小，B角可以在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)增大或減小從0.01°增加到0.02°。

最后，不能放在卡的頂部3通常意味著卡的頂部被覆蓋了。

通常需要更改Y和X值或C角度值。另外，對于卡點(diǎn)3的特殊情況是：硅芯片和舟之間沒有縫隙?？ㄗ×耍枪栊酒吘夁h(yuǎn)離結(jié)合點(diǎn)，涂層易于在工藝爐中加熱膨脹將導(dǎo)致硅片變形并跳出死點(diǎn)，從而導(dǎo)致熔爐破裂。這是由于Y方向不一致引起的。一方面，硅晶片的粘附力太強(qiáng)。另一方面，Z方向不合適，并詳細(xì)分析了具體情況。X的值可以是y的值可以在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)，Z的范圍可以增大或減小，Z的值可以在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)增大或減小，C的角度可以在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)增大或減小，從0.01°到0.02°。

4.3 處理方式

運(yùn)用較大數(shù)量的3D模擬測試并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反應(yīng)，歸納了下面預(yù)防止油膜脫落的相關(guān)措施。

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的第一步中，機(jī)器人把硅芯片存放進(jìn)舟內(nèi)時(shí)，從硅片下面周邊到最低死點(diǎn)的距離為5mm。在事實(shí)中，發(fā)現(xiàn)能夠通過對比底卡點(diǎn)的一致性來對比差高低。在機(jī)器人實(shí)行下一步時(shí)，它繞x軸移動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，倘若晶片的下邊緣距離下止點(diǎn)太高。那么會(huì)出現(xiàn)以下情況：

位置1：機(jī)械手放置膠片的最終位置。

位置2（機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的第一步）：從外部到垂直當(dāng)舟處于較低位置時(shí)，硅芯片左右兩側(cè)之間的距離為2.5mm（y），晶片的下邊緣與下附著點(diǎn)之間的距離為5mm（z方向）。離舟的距離很容易導(dǎo)致硅芯片覆蓋右上死點(diǎn)，這可能導(dǎo)致硅芯片掉落。因此，通過觀察動(dòng)作，如果硅芯片覆蓋了右側(cè)的盲點(diǎn)，導(dǎo)致芯片掉落。第一步是中間距離從下止點(diǎn)開始，逐漸將設(shè)定值減小5mm，確保留出足夠的余量來獲取。

經(jīng)過加強(qiáng)中轉(zhuǎn)花籃組件和石墨舟傳輸定位組件的精度，還有改進(jìn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，高效降低了機(jī)器人插片時(shí)掉片現(xiàn)象，由此減少了因?yàn)镻ECVD工序產(chǎn)生的電池片不合格率。