全自動太陽能電池測試分選設(shè)備的研制

唐超凡，魏 唯，寧宗娥，王學(xué)仕，王 娟，賈京英，顏秀文

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

光伏產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。晶體硅太陽能電池作為光伏產(chǎn)業(yè)的核心，最近5年都保持著40%以上的年均增長率。這種超常規(guī)高速的背后，起至關(guān)重要支撐作用的是光伏設(shè)備。測試分選作為晶體硅太陽能電池生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，與制絨、擴散、刻蝕、減反射膜、絲印和燒結(jié)一起構(gòu)成了晶體硅太陽能電池生產(chǎn)的七大主要環(huán)節(jié)[1]，見圖1。

圖1 晶體硅電池的主要工藝與設(shè)備

全自動太陽能電池測試分選設(shè)備是可自動進行電池電性能參數(shù)測試、分選的專用設(shè)備。為了滿足大生產(chǎn)的需要，要求該設(shè)備具有測試準確、測試速度快、碎片率低、性能穩(wěn)定、操作簡單等特點。研制的全自動太陽能電池測試分選設(shè)備一般包括電池片上料臺、傳送機構(gòu)、電池片破碎檢測、模擬太陽光源、探針測試臺、分選機構(gòu)、計算機控制系統(tǒng)七大部分。各部分通過機械、氣動、電氣、控制有機結(jié)合，實現(xiàn)電池片的準確測試與自動分選。

1 設(shè)計要求

大規(guī)模晶體硅電池生產(chǎn)廠商要求分選過程快速，準確，穩(wěn)定，碎片率低，從而實現(xiàn)晶體硅電池生產(chǎn)的高質(zhì)量低成本。另外，晶體硅電池生產(chǎn)廠商還要求開發(fā)的設(shè)備能兼容多種規(guī)格電池的測試分選，以適應(yīng)光伏行業(yè)快速發(fā)展的需要。全自動太陽能電池測試分選設(shè)備國外供應(yīng)商主要有意大利Baccini、德國Asys和日本NPC等公司。

總的來說，國外全自動太陽能電池測試分選設(shè)備在技術(shù)上具有以下特點[2]：

（1）全程高度自動化。完整的測試分選系統(tǒng)包括入口緩沖器、測試前冷卻系統(tǒng)、晶片定位測試臺、太陽模擬器、程控電子負載、自動分選裝置、自動控制和信號處理系統(tǒng)等各個功能子模塊，自動完成太陽能電池從燒結(jié)爐流出到最終產(chǎn)品的所有工序。

（2）模塊化設(shè)計。采取“功能部件模塊化設(shè)計”方式。將整機分解為取片緩存系統(tǒng)、預(yù)冷卻系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)和自動分選系統(tǒng)。各子系統(tǒng)單獨控制，能夠獨立工作，子系統(tǒng)之間采用總線通信。模塊化設(shè)計提高了設(shè)備的通用性，最大限度地適應(yīng)了不同測試方式的需求。

（3）高仿真度的太陽模擬器。太陽模擬器是測試的核心部件，不僅設(shè)計復(fù)雜，而且直接影響到測試結(jié)果的可信度，一般選用專業(yè)廠家產(chǎn)品。意大利Baccini、德國Asys等設(shè)備廠商也是選用德國Berger公司的太陽模擬器產(chǎn)品。

（4）生產(chǎn)效率高、碎片率。一般從取片開始到分選結(jié)束，全程由計算機控制執(zhí)行，不僅避免了人工干預(yù)所造成的測試重復(fù)性差、誤差大等問題，而且提高了測試效率，降低了碎片率。一般要求測試分選設(shè)備的生產(chǎn)效率大于1 200片/h，碎片率低于5‰。

根據(jù)用戶要求，綜合國外設(shè)備特點，提出了全自動太陽能電池測試分選設(shè)備的設(shè)計要求，見表1。

表1 全自動太陽能電池測試分選設(shè)備設(shè)計要求

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和系統(tǒng)功能要求，將設(shè)備分為進片緩沖、測試前預(yù)冷卻、翻片機構(gòu)、測試臺、機械手、測試系統(tǒng)和分選系統(tǒng)7個部分?；竟ぷ髟恚浩猩衔唬瑱C器開啟，步進電機驅(qū)動片盒緩沖機構(gòu)將156mm×156mm（兼容125mm×125mm）晶體硅電池逐片送入傳送帶。經(jīng)翻片風(fēng)冷后，步進電機驅(qū)動精密絲杠將晶體硅電池準確送到測試臺測試位置；太陽模擬器按照AM 1.5標準發(fā)光，探針卡在氣缸驅(qū)動下往測試臺方向運動，使探針卡的兩排探針準確接觸到晶體硅電池的兩條主柵電極，測試晶體硅電池的光伏參數(shù)。測試完成后，探針卡回升。傳送帶將晶體硅電池移出測試位置。計算機系統(tǒng)根據(jù)測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)高速傳遞給分選系統(tǒng)。分選系統(tǒng)接到指令后，由真空機械手抓取，傳送至相應(yīng)的儲片盒內(nèi)。即完成了一個周期內(nèi)單片晶體硅電池的測試分選。見圖2。

圖2 全自動太陽能電池測試分選設(shè)備示意圖

2.2 上料機構(gòu)的設(shè)計

上料機構(gòu)是執(zhí)行晶體硅電池上料和傳動的重要機構(gòu)，對傳動過程晶體硅電池的保護和傳送位置的準確性有重要影響。上料系統(tǒng)由料盒、水平傳送機構(gòu)、垂直升降機構(gòu)、吹氣分片裝置等組成（見圖3）。料盒由8條同步帶、32個軸承以及機加工件組成，電池片隨著料盒底板和同步帶一起上下運動，盒壁與電池片周邊無摩擦，以保證在上料時不會出現(xiàn)缺邊缺角。水平傳送機構(gòu)由一個步進電機和5個氣缸組成，完成料盒的傳輸與定位。垂直升降機構(gòu)由一個步進電機和圓柱齒條組成，通過光纖傳感器檢測電池片的抓片位置，再由機械手抓取到傳送機構(gòu)上。

圖3 上料機構(gòu)

2.3 測試系統(tǒng)的設(shè)計

測試系統(tǒng)由太陽能模擬器、程控電子負載、信號檢測及放大電路、接口電路及計算機系統(tǒng)、專用數(shù)據(jù)處理軟件等幾部分組成[3]。太陽能模擬器是一套復(fù)雜的裝置，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、功率及控制電路等幾個部分。測試系統(tǒng)的原理如圖4所示。

當電池片到達測試臺，并做好測試準備以后，太陽光模擬器自動點亮，發(fā)射高仿真度的模擬太陽光照射電池片，電池片由于光伏作用而產(chǎn)生的電壓、電流等各種參數(shù)由探針測試儀取樣，經(jīng)過處理以后變成標準信號送入計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)以后，進行各種應(yīng)用處理，將結(jié)果保存并通過總線系統(tǒng)送給下一工序的自動分選機，作為自動分選的依據(jù)。計算機同時在顯示屏上顯示各種測試結(jié)果。

圖4 測試系統(tǒng)的原理框圖

太陽能模擬器的光源采用脈沖氙燈，它的光譜接近于太陽光，并具有壽命長、價格低、功耗小的特點。通過對光源進行濾光處理可以使光源的光譜失配度小于±5%。光源的電源部分采用適當?shù)拈W光塑形電路，使氙燈點亮后有10ms左右的穩(wěn)定時間，這樣的時間可以滿足生產(chǎn)線太陽能電池的測試要求。同時，光源的設(shè)計必須保證有效使用面積達到φ300mm，輻射均勻度小于等于±4%。

測試臺安裝有溫度傳感器，可以探測太陽能電池片的溫度。探針采用可伸縮的彈性結(jié)構(gòu)，保證在測試時不壓碎電池片，并接觸良好。電子負載采用高速大電流設(shè)計，能在10ms的時間內(nèi)完成對被測太陽能電池進行從開路電壓到短路電流的掃描，最大測量電流達到10 A。信號放大器采用高速高精度放大電路對電壓、電流、光強信號進行放大。數(shù)據(jù)處理軟件能夠?qū)μ綔y的數(shù)據(jù)進行處理，并在界面上顯示出短路電流、開路電壓、最大功率、最大電流、最大電壓、曲線因子FF、光電轉(zhuǎn)換效率η、內(nèi)部串聯(lián)電阻、測試溫度T、I-V特性曲線等各個參數(shù)。

2.3 分選機構(gòu)的設(shè)計

分選機構(gòu)執(zhí)行按照分選規(guī)則將完成測試的電池片自動傳送至對應(yīng)的儲片盒中。分選機構(gòu)運行的可靠性直接影響著分選效率、碎片率等關(guān)鍵指標。在分選機構(gòu)中，關(guān)鍵構(gòu)件有機械手、傳送機構(gòu)等。

機械手采取吸取式結(jié)構(gòu)（見圖5），通過四端設(shè)計的彈性吸管實現(xiàn)晶體硅電池的真空管式吸附。四根彈性吸管位于機械手的四端，吸管采用彈性結(jié)構(gòu)，這種點吸附的方式避免了真空吸附時產(chǎn)生大的沖擊力和噪聲，提高了抓取片過程的可靠穩(wěn)定。

機械手的運動分為橫向和縱向（x/y軸）兩個部分。x、y兩個方向的導(dǎo)向采用直線滾珠導(dǎo)軌副實現(xiàn)，運動與行程控制通過線性電機驅(qū)動實現(xiàn)。驅(qū)動控制部分采用高速PLC和運動控制模塊來實現(xiàn)。其中，運動控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)諸如直線插補等功能，實現(xiàn)對各軸位置和速度的高精度控制。

圖5 上料機械手示意圖

3 結(jié)果與討論

從表2可看出研制全自動晶體硅太陽能電池測試分選設(shè)備的主要技術(shù)指標已達到設(shè)計要求。在生產(chǎn)效率、輻射不均勻性、重復(fù)性等指標已和國外主流晶體硅電池測試分選設(shè)備的技術(shù)水平相當。碎片率指標更是優(yōu)于Baccini、Asys的主流同類產(chǎn)品。圖6為Y05-1/UM型全自動太陽能電池測試分選設(shè)備照片圖。

表2 國內(nèi)外測試分選設(shè)備對比

圖6 Y05-1/UM型全自動太陽能電池測試分選設(shè)備

4 結(jié)論

太陽能電池測試分選設(shè)備是晶體硅太陽能電池生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。中國電子科技集團公司第四十八研究所開發(fā)的全自動太陽能電池測試分選設(shè)備，已生產(chǎn)、銷售近百臺。據(jù)客戶反饋，經(jīng)過長時間連續(xù)運行，證實該設(shè)備操作簡便，運行穩(wěn)定，分選準確，測試精度高，整機的性能完全可以和國外同類主流設(shè)備相媲美。

[1]馬躍，魏青竹，夏正月，等.工業(yè)化晶體硅太陽能電池技術(shù)[J].自然雜志，2010，32(3):163-165.

[2]張文，劉玉倩，靳衛(wèi)國，等.光伏太陽能硅片自動對準方法的探索[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(11):14-17.

[3]潘新民.微型計算機控制技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社，1988.