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摘要:在PERC(PassivatedEmitterRearContact)電池的生產(chǎn)過程中,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition,PECVD)的氮化硅(SiNx)薄膜是提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。在石墨舟上下料機(jī)生產(chǎn)過程中,由于設(shè)備運行精度要求高,調(diào)試難度大,常會出現(xiàn)吸盤印、劃傷等問題。同時,由于機(jī)械手插片不到位,再與工藝設(shè)備配合的過程中,還會造成放電高頻,不僅影響良品率,對設(shè)備的產(chǎn)能也會出現(xiàn)不同程度的影響。本文通過分析機(jī)臺產(chǎn)生的幾種不良品,對六軸工業(yè)機(jī)器人的運行路徑進(jìn)行了算法優(yōu)化,同時在外部加裝了穩(wěn)定裝置,使得硅片與石墨舟進(jìn)行更加緊密的貼合。通過后續(xù)試驗證明,該方法可以有效提高產(chǎn)品的良品率,設(shè)備的穩(wěn)定性也得以提升。
關(guān)鍵詞:PERC電池;六軸工業(yè)機(jī)器人;算法優(yōu)化
引言
PERC電池最早起源于上世紀(jì)八十年代,但直到近幾年才逐漸引起重視。經(jīng)過短短幾年的發(fā)展,PERC電池可量產(chǎn)效率逐年攀升,多晶PERC量產(chǎn)效率可達(dá)20%~20.5%,單晶PERC效率更可提高到21%~21.5%。與常規(guī)電池相比PERC電池的轉(zhuǎn)化效率更高,因此,隨著PERC電池產(chǎn)能的擴(kuò)張,常規(guī)電池的市場份額在逐年下降。與常規(guī)電池不同,在進(jìn)行PECVD工藝之前,PERC電池需要先在其表面進(jìn)行介質(zhì)鈍化[1]。進(jìn)行表面介質(zhì)鈍化后的薄膜十分脆弱,因此在自動化設(shè)備的運行過程中極易產(chǎn)生劃傷、吸盤印。產(chǎn)生劃傷、吸盤印的PERC電池,其被表面的復(fù)合速度會提高,光反射則下降,嚴(yán)重降低太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率,更會直接影響到太陽能電池的經(jīng)濟(jì)價值。同時,如果電池片在石墨舟內(nèi)位置不當(dāng),還會引起工藝設(shè)備放電高頻,嚴(yán)重影響產(chǎn)線產(chǎn)量。為了適應(yīng)技術(shù)與市場的變化、提高設(shè)備競爭力,研究如何提高石墨舟上下料機(jī)的良品率顯得十分關(guān)鍵。本文以問題為導(dǎo)向,企業(yè)的實際需求為依托,理論計算與實際調(diào)試經(jīng)驗相結(jié)合為手段,有效的提高了設(shè)備良品率。
1常見問題分析
石墨舟上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由藍(lán)具傳輸、硅片傳輸、中轉(zhuǎn)定位、硅片吸附、石墨舟定位、石墨舟傳輸六個部件組成[2]。在這六個部件中,利用六軸工業(yè)機(jī)器人控制的硅片吸附組件是與硅片、石墨舟接觸最多,也是能否有效完成硅片插取的最關(guān)鍵部件。硅片在石墨舟內(nèi)的姿態(tài)如圖2所示。隨著近年來PECVD工藝方法的不斷改進(jìn),其精細(xì)化的運轉(zhuǎn)方式,逐漸影響到了石墨舟結(jié)構(gòu)的變化。時至今日,石墨舟內(nèi)三個卡點內(nèi)的余量基本控制在1mm之內(nèi),精度要求極高,因此在硅片的插取過程中也常會出現(xiàn)以下幾種問題。1)硅片劃傷不良品如圖3(a)所示,可以看到經(jīng)EL測試,硅片上方出現(xiàn)不規(guī)則的斜向細(xì)紋。這是由于在硅片放置入石墨舟的過程中,需要通過硅片吸附組件進(jìn)行兩次旋轉(zhuǎn),但由于卡點內(nèi)空間余量極小,在旋轉(zhuǎn)過程中常會發(fā)生硅片與石墨舟葉接觸,從而產(chǎn)生了硅片劃傷。2)如圖3(b)所示,吸盤印的不良品在經(jīng)過EL測試后,硅片正面中間與上方均出現(xiàn)了小圓圈。與劃傷不良類似,吸盤印也是在硅片旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生的。但與之不同的是,吸盤印是由于真空吸嘴與硅片產(chǎn)生了相對位移。依次推定可以判斷,是由于在硅片放置過程中,硅片與石墨舟卡點發(fā)生了碰撞,從而產(chǎn)生了吸盤?。?]。3)還有一種常見的不良品,是由于工藝設(shè)備放電高頻導(dǎo)致,其常見形態(tài)如圖3(c)所示。這種不良品外觀變化較為明顯,極易判斷。在硅片的放置過程中,如若硅片與石墨舟無法完全貼合,存在一定的縫隙,就有可能會產(chǎn)生此種不良品。除了以上三種常見的問題之外,如何在運行過程中減少碎片,降低碎片率,也在優(yōu)化設(shè)計的考慮范圍內(nèi)。
2優(yōu)化設(shè)計
2.1六軸工業(yè)機(jī)器人算法優(yōu)化
在石墨舟上下料機(jī)的設(shè)計中,硅片吸附組件是最重要的部件之一,而其能否高效運行則在很大程度上取決于與其配合的六軸工業(yè)機(jī)器人的運行效果。機(jī)器人的穩(wěn)定運行將直接影響設(shè)備的穩(wěn)定性以及產(chǎn)品的合格率。因此,為了保證機(jī)器人的高效運行,確定其運行方式就成為了十分重要的一環(huán)。一般的工業(yè)機(jī)器人具有直交坐標(biāo)以及工具坐標(biāo)兩個坐標(biāo)系。機(jī)器人在直交坐標(biāo)系下直線插補(bǔ)動作時,控制點沿著機(jī)器人坐標(biāo)系的XYZ軸動作。此時,機(jī)器人的動作方向與機(jī)器人的姿勢(法蘭的朝向)無關(guān)。機(jī)器人在工具坐標(biāo)系下直線插補(bǔ)動作時,控制點沿著法蘭前端的工具坐標(biāo)系的XYZ軸動作。此時,機(jī)器人的動作方向根據(jù)機(jī)器人的姿勢(法蘭的朝向)不同而改變。在設(shè)備實際運行過程中發(fā)現(xiàn),對于不同的設(shè)備,機(jī)器人、吸盤以及石墨舟三者的位置關(guān)系均會發(fā)生不同程度的偏移。在偏移量未知的情況下,使用單一坐標(biāo)系無法精準(zhǔn)的對運行路徑進(jìn)行設(shè)計。因此,在進(jìn)行硅片吸附組件位置矯正之前,首先進(jìn)行坐標(biāo)系的建立。如圖4所示,首先在吸附組件上附加一個定位裝置,將石墨舟固定好后,選取石墨舟中的三個點A、B、C作為坐標(biāo)建立的參考點;其次,移動機(jī)器人以保證定位裝置與參考點相重合,三個參考點選取完成后,以這三個點的坐標(biāo),建立X、Y軸,并定義與該平面垂直90°方向為Z軸,從而完成坐標(biāo)系的建立。在此基礎(chǔ)之上,再進(jìn)行吸附組的位置矯正。
2.2硅片位置矯正
在生產(chǎn)過程中,隨著石墨舟使用次數(shù)的增加,會不可避免的出現(xiàn)一定程度的變形。因此,也有一定幾率出現(xiàn)硅片與石墨舟無法完全貼合的情況,從而導(dǎo)致出現(xiàn)放電高頻現(xiàn)象。為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生,生產(chǎn)現(xiàn)場常使用人工檢查、拍打的方法進(jìn)行處理。但是這種方法不僅耗時,且對于人力資源也產(chǎn)生了浪費。針對這種情況,設(shè)計了硅片穩(wěn)定裝置,如圖6所示,利用石墨舟從定位部件到運輸部件傳輸過程中的時間,將穩(wěn)定裝置以0.5s/次的速率進(jìn)行勻速運動,以保證石墨舟每個槽位均能受到有效拍擊。通過滾輪與軸承的有效配合,既能有效的對硅片位置進(jìn)行矯正,使其與石墨舟葉貼合更緊密,又不會對石墨舟造成損傷。提高良品率的同時,也減少了對人力資源的浪費。
3良品率測試實驗
與石墨舟上下料機(jī)搭配使用的是416片石墨舟,石墨舟規(guī)格為8*26,共有A、B兩面可以進(jìn)行硅片的放置。為了提高設(shè)備使用效率,共設(shè)計了兩個工作位置,此處簡稱為“一工位”、“二工位”。從兩個工位中各隨機(jī)選擇1000片做EL檢測,通過得到的數(shù)據(jù)對運行軌跡進(jìn)行細(xì)微調(diào)整直至達(dá)到理想狀態(tài)。一工位實驗數(shù)據(jù)如表1,二工位實驗數(shù)據(jù)如表2.
4總結(jié)
隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展以及PERC技術(shù)的日臻成熟,研究如何提高石墨舟上下料機(jī)的良品率成為了極具現(xiàn)實意義的課題。通過對幾種常見不良品的分析,提出重新建立機(jī)器人坐標(biāo)系,以完成吸附組位置的準(zhǔn)確矯正。同時,配合硅片穩(wěn)定裝置,以求達(dá)到更好的效果。最后使用理論分析與實際調(diào)試經(jīng)驗相結(jié)合的辦法逐步調(diào)整,直至達(dá)到最佳運行狀態(tài)。結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)情況,將不良品比例控制在了0.1%以下,取得了較好的經(jīng)濟(jì)價值。
參考文獻(xiàn)
[1]岳軍.石墨舟上下料機(jī)的研制[J].電子工藝技術(shù),2015,36(6):361-363,369.
[2]康冬妮.機(jī)器人在光伏太陽能行業(yè)PECVD工序的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(14):65.(6):123-124.
[3]張海,陳嘉榮.降低石墨舟上下料機(jī)碎片率方法分析[J].山西電子技術(shù),2019(3):36-38.
作者:朱江江 王志宏 單位:中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所