光伏電池生產(chǎn)線自動化設(shè)備的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

岳　軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

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光伏電池生產(chǎn)線自動化設(shè)備的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

岳軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

摘要：太陽能作為一種新能源、綠色能源已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，而作為光伏電池生產(chǎn)線各個工藝段的自動化設(shè)備，也隨著行業(yè)的快速發(fā)展不斷地向著自動化、信息化、智能化方向發(fā)展，未來整線智能化的高端電池生產(chǎn)線一定是行業(yè)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：光伏；自動化；智能化

太陽能電池以其獨特優(yōu)勢，超過風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒑四艿荣Y源，有望成為未來電力供應(yīng)的主要支柱。國內(nèi)光伏行業(yè)經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)了一批世界級龍頭企業(yè)，我國光伏制造裝備目前已經(jīng)處于國產(chǎn)化替代進(jìn)口的階段[1]。晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈中的大多數(shù)制造設(shè)備已經(jīng)可以在國內(nèi)生產(chǎn)，但與進(jìn)口設(shè)備相比，單項技術(shù)指標(biāo)接近、自動化程度稍低，隨著這個行業(yè)的高速發(fā)展，未來設(shè)備的技術(shù)發(fā)展將始終圍繞著以下幾方面進(jìn)行：提高單機(jī)自動化水平，增加批次裝片量，提高單機(jī)生產(chǎn)效率；設(shè)備間機(jī)械手自動轉(zhuǎn)送，在線檢測，提高整線生產(chǎn)效率，減少人工干預(yù)，降低碎片率。

晶硅太陽能電池主要分為單晶太陽能電池和多晶太陽能電池，具體工藝路線如圖1。

圖1　晶硅電池生產(chǎn)工藝路線圖

1國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外設(shè)備：起步早、大型、自動化程度高，代表廠家：Baumann、Manz、JR，有離線式，也有與主工藝設(shè)備結(jié)合在一起的在線式。國外設(shè)備大多采用了工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行硅片的搬運，并且大多有在線檢測設(shè)備，效率高，價格同樣也較高。

國內(nèi)設(shè)備：起步于較晚，自動化程度相對低，以離線式設(shè)備為主，主要生產(chǎn)廠家有無錫先導(dǎo)、深圳捷佳偉創(chuàng)、蘇州羅博特科、中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所等。下面主要介紹典型的各個工藝段主要上下料設(shè)備及其特點。

2各工藝段主要自動化設(shè)備的特點

2.1制絨工藝段的主要設(shè)備及其特點

2.1.1制絨工藝簡介

去除硅片表面的損傷層，清除表面油污和金屬雜質(zhì)，制成絨面，減少光的反射率，提高短路電流(Isc)，最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.1.2制絨上下料設(shè)備

多晶太陽能電池目前主要以鏈?zhǔn)角逑?制絨為主，一般來說將一摞堆疊的硅片放置于全自動上下料機(jī)上，即可完成整個工藝的自動上下料，一般來說單臺上下料的碎片率不超過千分之一。目前主流的設(shè)備主要有德國的RENA及SCHMID，工位數(shù)有5工位和8工位，由于工藝的改進(jìn)，目前5工位的速度更快，產(chǎn)能更大，可以達(dá)到每小時4 000片以上，并且由于設(shè)備的寬度減小，溶液的均勻性更好，5工位已被越來越多的用戶認(rèn)可。

設(shè)備特點：上料機(jī)通常是將一摞硅片放置于專用料盒中，通過吸盤將硅片吸附并放置傳送帶上進(jìn)入到制絨設(shè)備中，圖2為制絨段全自動硅片上料機(jī)。與制絨設(shè)備接駁的皮帶速度需要設(shè)計自動速度匹配裝置，從而達(dá)到上料皮帶速度與主工藝設(shè)備速度一致的要求。

關(guān)鍵技術(shù)：吹氣結(jié)構(gòu)的好壞會直接影響到設(shè)備的碎片率，如果吹氣結(jié)構(gòu)中的夾縫不均勻，對射傳感器安裝位置偏高或偏低，均有可能造成不易吸片或最后幾片不易吸上來的現(xiàn)象。由于尼龍材料在加工過程中會變形翹曲，所以在花籃的制作過程中也需要考慮立板的加工工藝。硅片之間的表面張力原因，難免會出現(xiàn)吸盤同時吸附兩片進(jìn)入到工藝設(shè)備中，這樣會導(dǎo)致在下料過程中重合的兩硅片中會有酸堿溶液積留，有些自身無法被烘干，溶液還會流到下方的硅片，導(dǎo)致多個硅片成為廢品，因此在上料前端加裝一個雙片檢測傳感器是此設(shè)備必不可少的配置，可以有效降低吸雙片帶來的廢品率。

在進(jìn)口設(shè)備中我們可以看到在上料過程中還帶有硅片的檢測，測出隱裂片并進(jìn)行剔除。在抓取硅片使用了蛛蛛手機(jī)器人，快速拾取進(jìn)行視覺檢測然后放到相應(yīng)的工位。另外，應(yīng)有些廠家的要求，上下料機(jī)中分別增加了稱重功能，將硅片在制絨前后的重量分別進(jìn)行測試作為工藝數(shù)據(jù)調(diào)整的重要參考，這也是未來設(shè)備結(jié)合大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢。制絨段全自動硅片上料機(jī)如圖2所示。

圖2　制絨段全自動硅片上料機(jī)

下料機(jī)完成的是從5道/8道工藝設(shè)備出來后自動裝載到50片籃具中。為了保證最終產(chǎn)品的美觀，廠家要求硅片在傳送前后進(jìn)入籃具的方向不能改變，這就要求硅片在傳送中增加一組換向機(jī)構(gòu)，這在早期的自動化設(shè)備中是沒有的，也說明了終端客戶對產(chǎn)品的外觀要求越來越嚴(yán)格。此外，在傳送過程中防止故障發(fā)生時的大量堵片，下料機(jī)需要在出片端設(shè)計應(yīng)急收片盒，在出現(xiàn)故障時能夠自動傳送至應(yīng)急收片盒中。圖3為全自動硅片下料機(jī)。

圖3　全自動硅片下料機(jī)

2.2擴(kuò)散工藝段的主要設(shè)備及其特點

2.2.1擴(kuò)散工藝

硅片的單/雙面液態(tài)源磷擴(kuò)散，制作N型發(fā)射極區(qū)，以形成光電轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)。

2.2.2擴(kuò)散上下料設(shè)備特點

上料時將50或100片籃具中的硅片自動裝載到石英舟中，以進(jìn)行下一道擴(kuò)散工序；下料時將滿載石英舟中的硅片自動裝載到50或100片籃具中。由于進(jìn)入擴(kuò)散爐中硅片的盛載器具是石英舟，所以通常業(yè)內(nèi)稱此工序的上下料機(jī)為石英舟上下料機(jī)。圖4為全自動石英舟上下料機(jī)。

擴(kuò)散工序?qū)崈舳鹊囊蠛芨?，目前的上下料方式是通過人工使用專用攝子夾取硅片實現(xiàn)石英舟的上下料。人工操作的強(qiáng)度大、效率低、碎片率較高。擴(kuò)散工序的專用載體為石英舟。石英舟硅片放置槽的間隙很小，且齒槽中心線與垂直方向有3°的傾角，因此擴(kuò)散工序的上下料對吸盤的精度要求高，由于吸盤之間的間距小(4.76 mm)，一次至少吸50片，這就要求吸盤要薄并且是非金屬材質(zhì)，吸盤的剛性及平面度必須保證才能使吸附效果達(dá)到最佳。通過反復(fù)的試驗，最終選用陶瓷材料加工成吸盤。陶瓷材料無論在硬度、平面度、耐溫性上都有很好的性能。

石英舟上下料機(jī)[2]運用了六軸機(jī)器人，它的使用使整體的布局更加緊湊，并且能夠充分發(fā)揮機(jī)器人的“柔性”特點，穩(wěn)定性高。與其它傳統(tǒng)多坐標(biāo)軸式擴(kuò)散工序上下料設(shè)備相比，機(jī)器人的使用使得設(shè)備占地面積更小、更易調(diào)節(jié)和維護(hù)。

圖4　全自動石英舟上下料機(jī)

擴(kuò)散層薄層電阻(方塊電阻)是反映擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計要求的重要工藝指標(biāo)之一。方塊電阻也是標(biāo)志進(jìn)入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量的一個重要參數(shù)，在石英舟上下料中在線測試方塊電阻也是設(shè)備的選配之一，當(dāng)然在許多進(jìn)口連線設(shè)備中方阻的測試也是必不可少的配置。在線式石英舟上下料設(shè)備的機(jī)體與主工藝設(shè)備融為一體，在擴(kuò)散工藝后的硅片取走后同時放入未擴(kuò)散的硅片。國內(nèi)設(shè)備離線式往往是單臺設(shè)備完成上料或下料一種功能，優(yōu)點是產(chǎn)能高，能夠達(dá)到7 000片/小時以上，但自動化程度略低，還需要人工取放石英舟。

2.3刻蝕工藝段的主要設(shè)備及其特點

2.3.1刻蝕工藝

去除擴(kuò)散后硅片周邊形成的短路環(huán)。

2.3.2上下料設(shè)備特點

目前主流使用的濕法刻蝕設(shè)備與制絨設(shè)備的結(jié)構(gòu)基本相同，在上料機(jī)中通常由于工藝的需要將硅片由籃具中傳送至刻蝕設(shè)備中。

刻蝕上料機(jī)和制絨上料機(jī)相同，與工藝設(shè)備接駁安裝速度匹配裝置，以保證當(dāng)主工藝設(shè)備的傳輸速度改變時，上料機(jī)皮帶的傳送速度也能實時相應(yīng)變化，從而達(dá)到速度的一致匹配。此外，客戶如果對于工藝要求片間距一致的話，上料機(jī)也需要增加緩存裝置，這樣可以保證在換籃時硅片的傳輸不會中斷。下料機(jī)設(shè)備與制絨設(shè)備的下料機(jī)完全相同。

2.4PECVD工藝段的主要設(shè)備及其特點

2.4.1PEVCD工藝

制作減少硅片表面反射的SiN薄膜，提升光電轉(zhuǎn)換率。

2.4.2設(shè)備特點

將籃具中的硅片通過6軸機(jī)器人及整體吸盤搬運至石墨舟內(nèi)。上料時將50或100片籃具中的硅片自動裝載到石墨舟中，以進(jìn)行下一道鍍膜工藝；下料時將滿載石墨舟中的硅片自動裝載到50或100片籃具中。圖5為全自動石墨舟上下料機(jī)。

圖5　全自動石墨舟上下料機(jī)

2.4.3設(shè)備難點

石墨舟內(nèi)卡硅片的三個扣，左右只有1.5 mm間隙，精度要求非要高，需要反復(fù)多次模擬各個方向旋轉(zhuǎn)角度，找出最佳脫扣軌跡，才能保證石墨舟內(nèi)的硅片全部取出。

石墨舟放片縫隙寬度約為0.4 mm，硅片一般厚度為0.18~0.2 mm。在設(shè)計中為保證吸盤精度，具體實現(xiàn)方式有以下幾種：單片吸盤采用4 mm免銑進(jìn)口鋁板，保證6級平面度精度，關(guān)鍵部位尺寸公差采用5級精度保證部件尺寸穩(wěn)定；固定吸盤嘴的固定采用定制不銹鋼長鉤拉伸彈簧，既保證了吸盤嘴處于同一平面，又保證了整體吸盤在石墨舟中取放硅片有一定緩沖；吸盤嘴采用耐高溫PEEK材質(zhì)，保證了吸取硅片的牢靠度。整體吸盤的每片吸板上的真空氣路都是相互獨立的，獨立氣路保證了在機(jī)器人高速運動時整體吸盤上的每個硅片都能吸附穩(wěn)定、牢靠。

2.5絲網(wǎng)印刷工藝段的主要設(shè)備及特點

2.5.1絲網(wǎng)印刷工藝

給硅片表面印刷一定圖形的銀漿或鋁漿，通過燒結(jié)后形成歐姆接觸，使電流有效輸出。

2.5.2設(shè)備特點

印刷上下料設(shè)備相對比較簡單，我們可以把它看成是單道的上下料機(jī)?；诔杀镜目紤]籃具的自動切換結(jié)構(gòu)也會有所不同，目前通常采用雙工位切換，成本較低。

3結(jié)束語

國外電池生產(chǎn)線早已實現(xiàn)了全線自動化，從制絨前的硅片檢測到電池的測試分選全部實現(xiàn)各個工序間的自動化，在各個工藝設(shè)備之間除了設(shè)置相應(yīng)的緩存結(jié)構(gòu)之外，同時配置了相應(yīng)的檢測設(shè)備，整個生產(chǎn)線幾乎不需要人去進(jìn)行干預(yù)，當(dāng)然這也需要設(shè)備具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。相比而言，國內(nèi)目前設(shè)備只是實現(xiàn)了單機(jī)的自動化。目前光伏組件生產(chǎn)線已基本實現(xiàn)了整線自動化，電池生產(chǎn)線的整線自動化必然是未來的發(fā)展趨勢?！吨袊圃?025》中提到，“到2020年，制造業(yè)重點領(lǐng)域智能化水平顯著提升，運營成本降低30%，不良品率30%，到2025年，制造業(yè)重點領(lǐng)域全面實現(xiàn)智能化，試點示范項目運營成本降低50%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短50%，不良品率降低50%。”隨著國家智能制造以及工業(yè)2025的推廣實施，光伏行業(yè)作為重點領(lǐng)域也將會從中不斷提升裝備制造水平，達(dá)到自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，最終成為智能化的高端裝備生產(chǎn)線。

參考文獻(xiàn)

[1]王鴻飛.我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及解決對策[J].資源開發(fā)與市場,2013(8):840-843.

[2]苗澤志，范新麗，戎有蘭.機(jī)器人在光伏擴(kuò)散工序上下料中的應(yīng)用[J].工藝與裝備，2013(4)：29-30.

Application and Development Trend of Photovoltaic Cell Production Line Automation Equipment

Yue Jun

(TheSecondResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:Solar energy, as a kind of new energy and pollution-free energy, has been more and more widely used. The various process automation equipment in photovoltaic cell production line is also developing to the direction of automation, informationization and intelligentization continuously with the rapid development of industry. In future, the whole line of intelligent high-end photovoltaic cell production line must be the industry development direction.

Key words:photovoltaic; automation; intelligentize

中圖分類號：TM914；TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674- 4578(2016)01- 0094- 03

作者簡介：岳軍(1976- )，男，高級工程師，工程碩士，主要從事電子專用設(shè)備的研制。

收稿日期：2015-11-18