石墨舟上下料機良品率與優化設計分析
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摘要:在PERC(PassivatedEmitterRearContact)電池的生產過程中，等離子體增強化學氣相沉積(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)的氮化硅(SiNx)薄膜是提高太陽能電池光電轉換效率的關鍵。在石墨舟上下料機生產過程中，由于設備運行精度要求高，調試難度大，常會出現吸盤印、劃傷等問題。同時，由于機械手插片不到位，再與工藝設備配合的過程中，還會造成放電高頻，不僅影響良品率，對設備的產能也會出現不同程度的影響。本文通過分析機臺產生的幾種不良品，對六軸工業機器人的運行路徑進行了算法優化，同時在外部加裝了穩定裝置，使得硅片與石墨舟進行更加緊密的貼合。通過后續試驗證明，該方法可以有效提高產品的良品率，設備的穩定性也得以提升。
關鍵詞:PERC電池;六軸工業機器人;算法優化
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。經過短短幾年的發展，PERC電池可量產效率逐年攀升，多晶PERC量產效率可達20%～20．5%，單晶PERC效率更可提高到21%～21．5%。與常規電池相比PERC電池的轉化效率更高，因此，隨著PERC電池產能的擴張，常規電池的市場份額在逐年下降。與常規電池不同，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生劃傷、吸盤印。產生劃傷、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，嚴重影響產線產量。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，企業的實際需求為依托，理論計算與實際調試經驗相結合為手段，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。硅片在石墨舟內的姿態如圖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1mm之內，精度要求極高，因此在硅片的插取過程中也常會出現以下幾種問題。1)硅片劃傷不良品如圖3(a)所示，可以看到經EL測試，硅片上方出現不規則的斜向細紋。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生硅片與石墨舟葉接觸，從而產生了硅片劃傷。2)如圖3(b)所示，吸盤印的不良品在經過EL測試后，硅片正面中間與上方均出現了小圓圈。與劃傷不良類似，吸盤印也是在硅片旋轉的過程中產生的。但與之不同的是，吸盤印是由于真空吸嘴與硅片產生了相對位移。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生了碰撞，從而產生了吸盤印［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，也在優化設計的考慮范圍內。
2優化設計
2．1六軸工業機器人算法優化
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機器人的運行效果。機器人的穩定運行將直接影響設備的穩定性以及產品的合格率。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。一般的工業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現，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。
2．2硅片位置矯正
在生產過程中，隨著石墨舟使用次數的增加，會不可避免的出現一定程度的變形。因此，也有一定幾率出現硅片與石墨舟無法完全貼合的情況，從而導致出現放電高頻現象。為了避免此類現象的發生，生產現場常使用人工檢查、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生了浪費。針對這種情況，設計了硅片穩定裝置，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。
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，通過得到的數據對運行軌跡進行細微調整直至達到理想狀態。一工位實驗數據如表1，二工位實驗數據如表2.
4總結
隨著光伏行業的快速發展以及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驗相結合的辦法逐步調整，直至達到最佳運行狀態。結合企業實際生產情況，將不良品比例控制在了0．1%以下，取得了較好的經濟價值。
參考文獻
［1］岳軍．石墨舟上下料機的研制［J］．電子工藝技術，2015，36(6):361－363，369．
［2］康冬妮．機器人在光伏太陽能行業PECVD工序的應用［J］．山東工業技術，2017(14):65．(6):123－124．
［3］張海，陳嘉榮．降低石墨舟上下料機碎片率方法分析［J］．山西電子技術，2019(3):36－38．
作者：朱江江 王志宏 單位：中國電子科技集團公司第二研究所