戎有蘭

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 背景

背鈍化(PERC)技術是目前光伏行業(yè)的主流技術，可有效降低電池片背表面復合率、提升電池片內(nèi)部光學反射機制等特性。與常規(guī)電池片結(jié)構(gòu)相比，PERC電池在晶體硅電池背表面有一層鈍化介質(zhì)層(多為Al2O3)和保護層(多為SixNy)，常規(guī)電池片鋁背場與硅片完全接觸，而PERC電池Al背場是通過激光開窗的空洞區(qū)域與硅片進行局部接觸[1]。預計在2019年PERC電池產(chǎn)能將進一步擴產(chǎn)到100GW。

硅片從原料到電池片需經(jīng)過制絨-擴散-刻蝕-退火-背鈍化-PECVD鍍膜-激光消融-絲網(wǎng)印刷-燒結(jié)-測試分選等工序。其中PECVD鍍膜主要是在硅片表面沉積一層氮化硅減反射膜，以增加入射在硅片上的光的透射，減少反射，氫原子摻雜在氮化硅中附加了氫的鈍化作用。本文主要研究了單晶PERC管式鍍膜自動化設備提升良品率的措施。在管式鍍膜自動化設備中，吸盤印和劃傷是影響硅片良品率的兩個因素。本文主要通過分析吸盤印和劃傷產(chǎn)生的原因，通過改進機械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化機器人路徑，提升硅片的良品率。

2 管式鍍膜自動化設備的功能介紹

該設備主要是將100片專用籃具中未經(jīng)鍍膜的硅片經(jīng)上料傳輸機構(gòu)、緩存機構(gòu)存入上料變節(jié)距機構(gòu)中，由機器人驅(qū)動真空吸盤將變節(jié)距機構(gòu)中的硅片吸取后放入石墨舟中；待石墨舟進入工藝爐完成PECVD鍍膜后，再由真空吸盤將硅片從石墨舟中取出，經(jīng)下料變節(jié)距機構(gòu)、緩存機構(gòu)、下料傳輸機構(gòu)裝入100片專用籃具中，待進行后續(xù)工藝。

3 吸盤印

在該設備中，主要靠六軸機器人驅(qū)動真空吸盤(圖1所示)實現(xiàn)硅片在石墨舟中的裝卸。在真空吸盤吸取成組硅片時，若吸嘴與硅片發(fā)生相對運動，便會產(chǎn)生吸盤印(圖2所示)。真空吸盤由成組的單個吸盤片組成，吸盤片的數(shù)量跟石墨舟中成組的舟片數(shù)量相對應。每一片單獨的吸盤片安裝有三個吸嘴，分別靠4個彈簧掛在吸盤片上。吸嘴通過氣管與真空發(fā)生器連通，靠負壓將硅片吸起。其中，吸盤片的結(jié)構(gòu)，彈簧，氣管的選擇均會導致吸嘴與硅片產(chǎn)生相對運動。

圖1 吸盤

圖2 吸盤印

◆ 彈簧的選擇：彈簧的線徑、圈數(shù)不同，對吸嘴的作用力也不同。在彈簧直徑和總長度不變的情況下，同樣的線徑，圈數(shù)越多，作用力越?。煌瑯拥娜?shù)，線徑越小，作用力也越小。本設備中對彈簧多次試驗和改進，選用外徑3 mm，線徑0.3 mm，圈數(shù)為20圈的拉伸彈簧，材料為不銹鋼。

◆ 氣管的選擇：氣管前后兩端通過接頭將吸嘴和真空發(fā)生器連通，由于吸嘴靠四個拉伸彈簧互相平衡掛在吸盤片上，因此氣管的材質(zhì)要選用較軟的，太硬的氣管容易對吸嘴產(chǎn)生外力，導致三個吸嘴面不在同一個平面上，影響對硅片的吸取。本設備中改進后的氣管選用軟的透明硅膠材料，內(nèi)徑1 mm，外徑2 mm。

◆ 吸盤片的結(jié)構(gòu)：三個吸嘴分別由四個彈簧掛在吸盤片上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。吸盤片上設置有擋邊，擋邊的間距為16.41 mm(圖3所示)，吸嘴的外徑為16 mm，則吸嘴的左右活動間隙為0.41 mm。當吸嘴吸取硅片，給石墨舟裝卸片時，若硅片碰到舟片上的卡點，彈簧變形較小時，吸嘴與擋邊不會碰到，與硅片無相對運動發(fā)生。若彈簧變形較大，則擋邊將吸嘴擋住，吸嘴會與硅片發(fā)生相對運動，此時便會有吸盤印產(chǎn)生。因此，改進后將吸盤片的擋邊距離加大到18.61 mm，使吸嘴的活動間隙加大為2.61 mm，則硅片的吸盤印概率大大降低。

圖3 吸盤擋邊間距

4 劃傷

硅片與石墨舟片產(chǎn)生相對運動時，便會發(fā)生劃傷(圖4所示)。產(chǎn)生劃傷的因素有石墨舟定位不精確、真空吸盤零件的加工精度及裝配精度不夠、機器人裝卸硅片路徑未優(yōu)化等。

4.1 石墨舟定位不精確

石墨舟類似于一個長方體，前后左右的定位精度必須達到一定的值才能保證每次裝片和卸片時，硅片不會與舟片發(fā)生摩擦。在石墨舟長度方向上，石墨舟前端設置有固定的定位零件，通過石墨舟末端的氣缸將舟向前推靠到定位零件的平面上，完成前后方向的定位；在寬度方向上，兩條傳輸通道的石墨舟共用一個固定的整體焊接機構(gòu)作為定位零件，該零件的兩個定位平面的平面度、平行度以及與安裝底面的垂直度公差都小于0.1mm，保證每次真空吸盤裝卸片時，硅片不與舟片發(fā)生摩擦。

圖4 劃傷

4.2 真空吸盤零件的加工精度不夠

真空吸盤由多個零件螺接而成，每一個零件的加工精度至關重要，它會影響到整個吸盤最終的精度，從而影響硅片劃傷的產(chǎn)生。

1) 吸嘴是與硅片直接接觸的非金屬零件，因此吸附面加工時必須足夠光滑平整，不得有毛刺。

2) 吸盤片承載三個吸嘴，由于它的厚度只有4 mm，因此加工時必須采用特殊的裝夾方式，保證加工后兩個平面的平面度及平行度都小于0.1 mm。

3) 吸盤片底座與吸盤片靠四個螺釘螺接，成組的吸盤片底座又安裝到一個安裝板上，螺接面的平面度及底座安裝面的垂直度要小于0.1 mm。

4)安裝板兩個面的平面度及平行度都小于0.1 mm。

4.3 真空吸盤的裝配精度不夠

1) 零件加工好后，要用三坐標測量儀測試每一個零件的精度是否達標。

2) 將吸嘴安裝到吸盤片上。

3) 將每個吸盤片安裝到底座上，用三坐標測量儀測試吸盤片的平面度與底座面的垂直度是否達標。

4) 將成組的底座螺接到安裝板上，把第一組吸盤片作為基準，后續(xù)安裝每一組時，都要分別測試該組吸盤片與它的前一組及第一組的精度是否達標。

5) 安裝好的吸盤要輕拿輕放，不得碰撞，防止影響精度。

4.4 機器人裝卸硅片路徑未優(yōu)化

機器人裝卸片的路徑至關重要，是整個設備的核心，它的優(yōu)化對吸盤印和劃傷的降低起著很大的作用。

圖5 機器人裝卸路徑

優(yōu)化后的路徑如下：

◆ 裝片路徑：

1) 真空吸盤吸取硅片后沿著Y負方向向下深入到石墨舟片的間隙內(nèi)，硅片下邊緣距離石墨舟舟葉下邊緣約21 mm；

2) 真空吸盤沿著A方向旋轉(zhuǎn)一個小角度，約0.7°～1°；

3) 真空吸盤沿Z負方向貼近石墨舟片，硅片表面距離舟片約為0.1 mm～0.2 mm；

4) 真空吸盤沿A反方向旋轉(zhuǎn)大角度，約3.7°～4°，且沿Y負方向向下5.5 mm；

5) 真空發(fā)生器松氣，硅片掉落于卡點1,2,3的范圍內(nèi)，完成石墨舟的裝片動作。

◆卸片路徑：

1) 真空吸盤沿著Y負方向向下深入到石墨舟片的間隙內(nèi)；

2) 真空吸盤沿著A負方向旋轉(zhuǎn)一個大角度，約3°；

3) 真空吸盤沿Z負方向貼近硅片，開啟真空發(fā)生器，吸取硅片；

4) 真空吸盤吸著硅片沿Z方向脫離舟片，硅片表面距離舟片距離約0.3 mm；

5) 真空吸盤沿A方向旋轉(zhuǎn)大角度，約3.7°～4°，且沿Y方向向上5.5 mm；

6) 真空吸盤沿Z方向運行約2.5～3mm，再沿A負方向旋轉(zhuǎn)小角度約0.7°～1°；

7) 真空吸盤沿Y方向向上運行，完成石墨舟卸片動作。

5 改進后的良品率對比

設備經(jīng)機械結(jié)構(gòu)改進，機器人路徑優(yōu)化后，吸盤印和劃傷的對比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后良品率對比

從表中可看出，良品率大幅提升，若日產(chǎn)量20萬張硅片，A級片和B級片的價格差按0.5元計算，每日可節(jié)約大約450元。

6 總結(jié)

管式鍍膜自動化設備經(jīng)機械結(jié)構(gòu)改進，機器人路徑優(yōu)化后，硅片的吸盤印和劃傷大幅下降，良品率提高，設備的穩(wěn)定性提升，為客戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。在此基礎上，我們將繼續(xù)研發(fā)大產(chǎn)量、高性能的設備。