刻蝕工序吸盤印的有效解決措施

呂 沫

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(guó)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(wú)噪聲、無(wú)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(guó)對(duì)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(jìng)爭(zhēng)也進(jìn)入了白熱化。除了成本以外，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率成了各光伏廠商不斷競(jìng)爭(zhēng)的另一高地。

根據(jù)最新行業(yè)統(tǒng)計(jì)，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(dá)22%以上。之所以存在這樣的差距，主要是由太陽(yáng)能電池片的成品率決定的。在太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)過(guò)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(duì)太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)過(guò)程中的刻蝕工序，以自主研發(fā)的刻蝕工序自動(dòng)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(kuò)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(kuò)散工藝產(chǎn)生的N型硅去除，以免產(chǎn)生漏電及短路。太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)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(dòng)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刻蝕下料機(jī)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(jī)的縱傳皮帶上。當(dāng)硅片刻蝕面與縱向皮帶接觸時(shí)，由于刻蝕面具有的特殊性質(zhì)，極易因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)、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(dòng)化設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力，針對(duì)這一難題我們?cè)O(shè)計(jì)了硅片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理：

1) 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)帶動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(shí)，被吸盤上安裝的傳感器檢測(cè)到時(shí)，吸盤真空打開。

3) 待5張硅片全部吸附好以后，伺服電機(jī)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至刻蝕下料機(jī)皮帶上方。經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)后，硅片的刻蝕面朝上，不接觸皮帶傳輸。

4) 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)吸附硅片距離下料機(jī)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(cè)不到上方有硅片后，在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下自動(dòng)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(jī)構(gòu)

大量檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，翻轉(zhuǎn)機(jī)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(lái)吸盤印的新問題，如圖4所示。本文通過(guò)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(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)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(guò)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(jī)構(gòu)的使用情況。在吸片位，五個(gè)吸盤與硅片的相對(duì)高度或多或少存在著差異，為了保證吸片效果，五個(gè)吸盤進(jìn)氣壓力大小也調(diào)節(jié)的不同。有的吸盤吸片時(shí)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(shí)，有的硅片貼住皮帶，有的硅片離皮帶有一點(diǎn)距離。在吸盤真空沒有完全釋放時(shí)，貼住皮帶的硅片會(huì)與皮帶產(chǎn)生微量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shí)有的輕柔，有的聲音大。通過(guò)這些分析，我們發(fā)現(xiàn)吸盤印的多少與吸盤的相對(duì)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(shí)與硅片相對(duì)高度的調(diào)整

通過(guò)修改翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的目標(biāo)位置來(lái)調(diào)整吸盤與硅片的相對(duì)高度，在確保五個(gè)吸盤高度良好的一致性的前提下，為了找到一個(gè)最優(yōu)的相對(duì)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(cè)結(jié)果。當(dāng)相對(duì)高度大時(shí)，為了保證正常吸片，需要調(diào)大吸盤的真空壓力，此時(shí)吸盤印相對(duì)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(shí)，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(shì)。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(guò)調(diào)節(jié)減壓閥的壓力值可以控制總的進(jìn)氣流量；通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥可以控制每個(gè)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(duì)高度和吸盤吸力的大小是需要同步調(diào)整的，隨著相對(duì)高度的降低，首先將減壓閥的進(jìn)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(shí)不要出現(xiàn)過(guò)大的聲音，同時(shí)吸力不能過(guò)小，防止翻轉(zhuǎn)過(guò)程中甩片。通過(guò)調(diào)整與跟蹤測(cè)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(shí)效果最好。在設(shè)定好總的氣源壓力后，再通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥去調(diào)整單個(gè)吸盤的吸力，確保五個(gè)吸盤的一致性。

3.3 吸盤放片時(shí)機(jī)的調(diào)整

翻轉(zhuǎn)吸盤帶動(dòng)硅片到達(dá)刻蝕下料機(jī)的放片位，開始關(guān)閉真空進(jìn)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(shí)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(shí)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(xiǎn)。將放片位設(shè)置于皮帶之上，逐步降低吸盤與皮帶的相對(duì)高度，當(dāng)降低至2 mm時(shí)，解決效果最優(yōu)。

4 工藝驗(yàn)證

吸盤印用肉眼是無(wú)法判斷的，在用戶現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)吸盤印有無(wú)的方法是采用EL缺陷檢測(cè)儀。為了保證電池片的成品合格率，需要使用EL檢測(cè)儀對(duì)所有硅片進(jìn)行全檢。通過(guò)對(duì)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(kuò)散長(zhǎng)度，硅片表面產(chǎn)生吸盤印的部分因具有較少的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，會(huì)發(fā)出較弱的光，從而形成較暗的影像，因此得以判斷。

通過(guò)反復(fù)的調(diào)整及大量跟蹤測(cè)試，結(jié)果表明：隨著吸盤與硅片之間相對(duì)高度的降低，吸盤印的比率在隨之下降。當(dāng)相對(duì)高度降至2 mm時(shí)，吸盤印的解決效果最優(yōu)；當(dāng)相對(duì)高度降低至2 mm以下時(shí)，吸盤印的比率又隨之增加。同時(shí)，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(shí)，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(shí)，會(huì)影響吸盤的吸片效果，將隨之帶來(lái)新的問題。

通過(guò)跟蹤EL檢測(cè)結(jié)果，我們看到對(duì)吸盤結(jié)構(gòu)采取的調(diào)整措施，達(dá)到了對(duì)吸盤印的有效消除，如圖4所示對(duì)比。

圖4 調(diào)整前后吸盤印EL檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(dòng)化設(shè)備廠商的大問題，有效地提升了我們?cè)O(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力，也為后續(xù)合作的開展提供了堅(jiān)實(shí)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(huì)繼續(xù)提升設(shè)備的各項(xiàng)性能，為日后開辟出一條更為廣闊的發(fā)展市場(chǎng)。