石墨舟上下料機良品率分析與優(yōu)化設計

朱江江，王志宏

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

PERC電池最早起源于上世紀八十年代，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電池的轉化效率更高，因此，隨著PERC電池產(chǎn)能的擴張，常規(guī)電池的市場份額在逐年下降。

與常規(guī)電池不同，在進行PECVD工藝之前，PERC電池需要先在其表面進行介質鈍化[1]。進行表面介質鈍化后的薄膜十分脆弱，因此在自動化設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，其被表面的復合速度會提高，光反射則下降，嚴重降低太陽能電池的轉化效率，更會直接影響到太陽能電池的經(jīng)濟價值。同時，如果電池片在石墨舟內位置不當，還會引起工藝設備放電高頻，嚴重影響產(chǎn)線產(chǎn)量。

為了適應技術與市場的變化、提高設備競爭力，研究如何提高石墨舟上下料機的良品率顯得十分關鍵。本文以問題為導向，企業(yè)的實際需求為依托，理論計算與實際調試經(jīng)驗相結合為手段，有效的提高了設備良品率。

1 常見問題分析

石墨舟上下料機的結構如圖1所示，其主要由藍具傳輸、硅片傳輸、中轉定位、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鍵部件。

圖1 石墨舟上下料機的結構示意圖

硅片在石墨舟內的姿態(tài)如圖2所示。隨著近年來PECVD工藝方法的不斷改進，其精細化的運轉方式，逐漸影響到了石墨舟結構的變化。時至今日，石墨舟內三個卡點內的余量基本控制在1 mm之內，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。

圖2 硅片在石墨舟內姿態(tài)

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行兩次旋轉，但由于卡點內空間余量極小，在旋轉過程中常會發(fā)生硅片與石墨舟葉接觸，從而產(chǎn)生了硅片劃傷。

圖3 三種常見的的不良品

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)生了吸盤印[3]。

3) 還有一種常見的不良品，是由于工藝設備放電高頻導致，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)化設計的考慮范圍內。

2 優(yōu)化設計

2.1 六軸工業(yè)機器人算法優(yōu)化

在石墨舟上下料機的設計中，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)機器人的運行效果。機器人的穩(wěn)定運行將直接影響設備的穩(wěn)定性以及產(chǎn)品的合格率。因此，為了保證機器人的高效運行，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)機器人具有直交坐標以及工具坐標兩個坐標系。機器人在直交坐標系下直線插補動作時，控制點沿著機器人坐標系的XYZ軸動作。此時，機器人的動作方向與機器人的姿勢(法蘭的朝向)無關。機器人在工具坐標系下直線插補動作時，控制點沿著法蘭前端的工具坐標系的XYZ軸動作。此時，機器人的動作方向根據(jù)機器人的姿勢(法蘭的朝向)不同而改變。

在設備實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，對于不同的設備，機器人、吸盤以及石墨舟三者的位置關系均會發(fā)生不同程度的偏移。在偏移量未知的情況下，使用單一坐標系無法精準的對運行路徑進行設計。因此，在進行硅片吸附組件位置矯正之前，首先進行坐標系的建立。

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作為坐標建立的參考點；其次，移動機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，建立X、Y軸，并定義與該平面垂直90°方向為Z軸，從而完成坐標系的建立。在此基礎之上，再進行吸附組的位置矯正。

圖4 吸盤定位裝置設計

圖5 坐標系建立點選取

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。

圖6 硅片穩(wěn)定裝置設計

3 良品率測試實驗

與石墨舟上下料機搭配使用的是416片石墨舟，石墨舟規(guī)格為8*26，共有A、B兩面可以進行硅片的放置。為了提高設備使用效率，共設計了兩個工作位置，此處簡稱為“一工位”、“二工位”。從兩個工位中各隨機選擇1000片做EL檢測，通過得到的數(shù)據(jù)對運行軌跡進行細微調整直至達到理想狀態(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.

表1 一工位良品率測試結果

表2 二工位良品率測試結果

4 總結

隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展以及PERC技術的日臻成熟，研究如何提高石墨舟上下料機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，提出重新建立機器人坐標系，以完成吸附組位置的準確矯正。同時，配合硅片穩(wěn)定裝置，以求達到更好的效果。最后使用理論分析與實際調試經(jīng)驗相結合的辦法逐步調整，直至達到最佳運行狀態(tài)。結合企業(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)濟價值。