背钝化自动上下料机兼容不同尺寸硅片方法研究

任云星，宋沛毅

(中国电子科技集团公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

近年来，随着大众对环保要求的提高，利用太阳能来改善能源结构，推进新能源的快速发展愈发成为趋势，由此也带动光伏行业的发展[1]。光伏产业中“效率”与“成本”始终是产业发展的关键词，电池背钝化技术可以带来1%以上绝对效率提升，而且不需要大规模更改现有生产线，使得这一技术在光伏领域得到大量应用，对应的背钝化自动上下料机需求也越来越大。背钝化自动上下料机可以完成背钝化工艺托盘上硅片的自动装卸，并与工艺机台对接完成托盘循环传输。

光伏硅片源于半导体材料，早期尺寸规格对标半导体硅片，现阶段大尺寸硅片已经成为光伏行业发展趋势。在制造端，大尺寸硅片可以提升硅片、电池、组件的产量，从而降低单瓦成本。在产品端，大尺寸电池可以有效提高电池功率，从而提高组件效率[2]。硅片尺寸的加大，会促使相应设备的改造升级，现行市场主流还是生产158mm和166mm的硅片，主要是因为这两种尺寸硅片均可通过技术改造进行升级适配，且技改成本较低。不少厂家因为订单需要，要求产线设备可以便捷切换158mm和166mm片源，所以自动化设备对这两种片源的兼容就很有必要。

本文通过研究背钝化自动上下料机中硅片、花篮、托盘的传输过程，分析158mm和166mm两种片源及相应花篮、托盘的传输工况，找到兼容158mm和166mm这两种片源的设计方案，使设备经过最简单的改动和最便捷的程序切换方式，实现两种片源的切换，提升设备的竞争力。

1 背钝化上下料机的结构与流程

1.1 背钝化上下料机的主要结构

背钝化自动上下料机由三个循环系统组成，即花篮循环传送系统，硅片循环传送系统，以及托盘循环传送系统。

1.2 背钝化上下料机的工作流程

背钝化自动上下料机的工作流程如下：

装满硅片的花篮从上料传送入口传送至花篮升降机构，硅片伸缩取片机构将硅片从花篮中取出，传送至硅片上料皮带；托盘从主机台下层传出，并通过托盘传送机构，托盘升降机构，传送到托盘定位机构进行精确定位；硅片传送机构将硅片传送至硅片上料定位机构进行排列并精确定位；硅片搬送机构将托盘上硅片取走并搬送至硅片下料机构，然后将硅片上料定位机构的硅片搬送至托盘对应位置；满花篮中硅片全部取出以后，由空篮循环组件将空花篮输送至篮具下料；下料硅片通过硅片下料传输机构、伸缩装片机构将硅片装入下料花篮内，花篮装满以后，经满花篮传输机构将满花篮取出；硅片搬送机构完成托盘上硅片的取放以后，托盘传送装置将托盘传送至托盘缓存区，收到主设备输入信号后，再将托盘送入主设备进行工艺处理；重复以上流程，完成硅片的背钝化工艺。

2 设备对不同片源的兼容性分析

实际生产中，158mm和166mm两种片源对应的篮具及托盘的外形尺寸是相同的，为了实现不同片源的兼容生产，只需要对硅片循环传送系统进行兼容性设计。涉及到的结构主要有：硅片传输定位组件，硅片缓存组件，硅片矫正组件，硅片二次定位组件。只要这几个部件做最简单的改动，同时切换相应的控制程序，整台自动化设备即可实现不同片源的兼容。

3 结构兼容性设计

3.1 硅片传输定位组件

背钝化自动上下料设备需要对硅片进行准确的平面定位，重新设计的硅片传输定位组件如图1所示，分为三段皮带传送机构，均由伺服电机驱动。第一段传输皮带将硅片从花篮传出，并且硅片间距设为190mm，保证两种尺寸硅片都有足够检测空间，传输皮带末端对硅片进行左右两侧定位。

第二段传输皮带长度为1.5倍硅片尺寸，传输皮带上方安装高精度检测传感器，当高精度传感器检测到硅片时，伺服电机控制皮带开始走一个固定节距后停止，硅片实现准确定位，定位误差小于0.5mm。

硅片在第三段传输皮带上进行排列，此段皮带采用节拍控制的方式，通过控制第三段皮带的单次传输距离，可以控制排列中每张硅片之间的间距，通过控制最后节拍距离，可以改变整列硅片在皮带的位置。

图1 硅片传送定位组件

在切换片源的时候，只需要改变第三段皮带的步距值，即可改变片间距，以及硅片整体位置。实际生产中，根据客户托盘尺寸，设备中预先设置两种不同片源的步进参数值，客户只需要在屏幕进行切换参数即可，不需要重新调试。

3.2 硅片缓存组件

在背钝化上下料机空花篮与满花篮切换过程中，为了保持设备硅片循环系统可以正常工作，自动化设备配备硅片缓存组件。硅片缓存组件用来对上下料的硅片进行临时存储，一般需要25片缓存数量，设备设计缓存数量为30片。

为了满足不同尺寸片源的缓存需要，对缓存侧板进行重新设计，如图2所示。原有多齿侧板侧齿间距小，为了保证各齿之间的平行度，侧齿长度不能大于10mm，否则因为侧板变形太大，会引起大量堵片。更改后的设计将侧齿板换为侧齿条，并加大齿间距，齿长可以做到18mm，安装后齿的平行度依然可以满足硅片传输存片需求。缓存两侧板间距设计为172mm，最小存片尺寸为154mm，最大存片为166mm，客户切换片源的时候，硅片缓存组件可以不做任何改动。

图2 硅片缓存组件

3.3 硅片矫正组件

原有自动化设备采用双向气缸夹紧的方式对皮带上的硅片进行定位。这种定位方式硅片与皮带之间相对位移较大，一方面会增加硅片表面划伤、皮带印等缺陷，另一方面气缸行程固定，不利于设备兼容不同尺寸硅片。

改进后的硅片矫正组件如图3所示，采用步进电机驱动，同步带轮两侧同步带运动方向相反，且位移相等。利用这一特点，在带轮两侧同步带上分别加装矫正机构，通过控制步进电机的脉冲数量，来控制矫正机构的矫正行程，实现不同尺寸硅片的矫正。

在设备操作屏中提前设置好不同尺寸硅片的矫正参数，客户直接选择相应的硅片参数即可。

3.4 硅片二次定位组件

背钝化自动上下料机需要将硅片放入托盘内，托盘内硅片单边间隙最小为0.5mm，而硅片经过皮带传输以后定位精度为2mm，所以设计硅片二次定位组件，如图4所示。

图3 硅片矫正组件

图4 硅片二次定位组件

硅片在排片皮带上排列完成以后，顶起气缸驱动定位块组件抬起，将排片皮带上的硅片顶起，使整列硅片落入每组定位块内，实现硅片的二次定位，定位精度可以达到单边0.3mm。等定位块组件上的硅片被放入托盘后，定位块组件由分离气缸驱动打开，定位块打开宽度大于硅片宽度，然后顶起气缸缩回定位块组件落到传输皮带下方，准备顶起下一组硅片。

通过切换不同的定位块，以及对应的定位块安装板，可以实现不同尺寸规格硅片的二次定位。通过提前将定位块组件装好，客户直接整套组件切换，可以很方便完成切换。

4 设备改进效果

根据上述方法改进设备，并跟踪新一代设备在客户现场实际生产情况，客户切换片源方便，单台设备停机切换时间缩短到2小时之内，设备获得客户好评。

5 结束语

针对现有背钝化上下料机的工作流程，分析158mm和166mm两种尺寸硅片传输机构的区别，设计合理结构，并升级相应的控制程序，在成本增加不多的情况下，快速方便实现两种片源的切换，提升设备竞争力。