背鈍化自動上下料機兼容不同尺寸硅片方法研究

任云星，宋沛毅

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

近年來，隨著大眾對環保要求的提高，利用太陽能來改善能源結構，推進新能源的快速發展愈發成為趨勢，由此也帶動光伏行業的發展[1]。光伏產業中“效率”與“成本”始終是產業發展的關鍵詞，電池背鈍化技術可以帶來1%以上絕對效率提升，而且不需要大規模更改現有生產線，使得這一技術在光伏領域得到大量應用，對應的背鈍化自動上下料機需求也越來越大。背鈍化自動上下料機可以完成背鈍化工藝托盤上硅片的自動裝卸，并與工藝機臺對接完成托盤循環傳輸。

光伏硅片源于半導體材料，早期尺寸規格對標半導體硅片，現階段大尺寸硅片已經成為光伏行業發展趨勢。在制造端，大尺寸硅片可以提升硅片、電池、組件的產量，從而降低單瓦成本。在產品端，大尺寸電池可以有效提高電池功率，從而提高組件效率[2]。硅片尺寸的加大，會促使相應設備的改造升級，現行市場主流還是生產158mm和166mm的硅片，主要是因為這兩種尺寸硅片均可通過技術改造進行升級適配，且技改成本較低。不少廠家因為訂單需要，要求產線設備可以便捷切換158mm和166mm片源，所以自動化設備對這兩種片源的兼容就很有必要。

本文通過研究背鈍化自動上下料機中硅片、花籃、托盤的傳輸過程，分析158mm和166mm兩種片源及相應花籃、托盤的傳輸工況，找到兼容158mm和166mm這兩種片源的設計方案，使設備經過最簡單的改動和最便捷的程序切換方式，實現兩種片源的切換，提升設備的競爭力。

1 背鈍化上下料機的結構與流程

1.1 背鈍化上下料機的主要結構

背鈍化自動上下料機由三個循環系統組成，即花籃循環傳送系統，硅片循環傳送系統，以及托盤循環傳送系統。

1.2 背鈍化上下料機的工作流程

背鈍化自動上下料機的工作流程如下：

裝滿硅片的花籃從上料傳送入口傳送至花籃升降機構，硅片伸縮取片機構將硅片從花籃中取出，傳送至硅片上料皮帶；托盤從主機臺下層傳出，并通過托盤傳送機構，托盤升降機構，傳送到托盤定位機構進行精確定位；硅片傳送機構將硅片傳送至硅片上料定位機構進行排列并精確定位；硅片搬送機構將托盤上硅片取走并搬送至硅片下料機構，然后將硅片上料定位機構的硅片搬送至托盤對應位置；滿花籃中硅片全部取出以后，由空籃循環組件將空花籃輸送至籃具下料；下料硅片通過硅片下料傳輸機構、伸縮裝片機構將硅片裝入下料花籃內，花籃裝滿以后，經滿花籃傳輸機構將滿花籃取出；硅片搬送機構完成托盤上硅片的取放以后，托盤傳送裝置將托盤傳送至托盤緩存區，收到主設備輸入信號后，再將托盤送入主設備進行工藝處理；重復以上流程，完成硅片的背鈍化工藝。

2 設備對不同片源的兼容性分析

實際生產中，158mm和166mm兩種片源對應的籃具及托盤的外形尺寸是相同的，為了實現不同片源的兼容生產，只需要對硅片循環傳送系統進行兼容性設計。涉及到的結構主要有：硅片傳輸定位組件，硅片緩存組件，硅片矯正組件，硅片二次定位組件。只要這幾個部件做最簡單的改動，同時切換相應的控制程序，整臺自動化設備即可實現不同片源的兼容。

3 結構兼容性設計

3.1 硅片傳輸定位組件

背鈍化自動上下料設備需要對硅片進行準確的平面定位，重新設計的硅片傳輸定位組件如圖1所示，分為三段皮帶傳送機構，均由伺服電機驅動。第一段傳輸皮帶將硅片從花籃傳出，并且硅片間距設為190mm，保證兩種尺寸硅片都有足夠檢測空間，傳輸皮帶末端對硅片進行左右兩側定位。

第二段傳輸皮帶長度為1.5倍硅片尺寸，傳輸皮帶上方安裝高精度檢測傳感器，當高精度傳感器檢測到硅片時，伺服電機控制皮帶開始走一個固定節距后停止，硅片實現準確定位，定位誤差小于0.5mm。

硅片在第三段傳輸皮帶上進行排列，此段皮帶采用節拍控制的方式，通過控制第三段皮帶的單次傳輸距離，可以控制排列中每張硅片之間的間距，通過控制最后節拍距離，可以改變整列硅片在皮帶的位置。

圖1 硅片傳送定位組件

在切換片源的時候，只需要改變第三段皮帶的步距值，即可改變片間距，以及硅片整體位置。實際生產中，根據客戶托盤尺寸，設備中預先設置兩種不同片源的步進參數值，客戶只需要在屏幕進行切換參數即可，不需要重新調試。

3.2 硅片緩存組件

在背鈍化上下料機空花籃與滿花籃切換過程中，為了保持設備硅片循環系統可以正常工作，自動化設備配備硅片緩存組件。硅片緩存組件用來對上下料的硅片進行臨時存儲，一般需要25片緩存數量，設備設計緩存數量為30片。

為了滿足不同尺寸片源的緩存需要，對緩存側板進行重新設計，如圖2所示。原有多齒側板側齒間距小，為了保證各齒之間的平行度，側齒長度不能大于10mm，否則因為側板變形太大，會引起大量堵片。更改后的設計將側齒板換為側齒條，并加大齒間距，齒長可以做到18mm，安裝后齒的平行度依然可以滿足硅片傳輸存片需求。緩存兩側板間距設計為172mm，最小存片尺寸為154mm，最大存片為166mm，客戶切換片源的時候，硅片緩存組件可以不做任何改動。

圖2 硅片緩存組件

3.3 硅片矯正組件

原有自動化設備采用雙向氣缸夾緊的方式對皮帶上的硅片進行定位。這種定位方式硅片與皮帶之間相對位移較大，一方面會增加硅片表面劃傷、皮帶印等缺陷，另一方面氣缸行程固定，不利于設備兼容不同尺寸硅片。

改進后的硅片矯正組件如圖3所示，采用步進電機驅動，同步帶輪兩側同步帶運動方向相反，且位移相等。利用這一特點，在帶輪兩側同步帶上分別加裝矯正機構，通過控制步進電機的脈沖數量，來控制矯正機構的矯正行程，實現不同尺寸硅片的矯正。

在設備操作屏中提前設置好不同尺寸硅片的矯正參數，客戶直接選擇相應的硅片參數即可。

3.4 硅片二次定位組件

背鈍化自動上下料機需要將硅片放入托盤內，托盤內硅片單邊間隙最小為0.5mm，而硅片經過皮帶傳輸以后定位精度為2mm，所以設計硅片二次定位組件，如圖4所示。

圖3 硅片矯正組件

圖4 硅片二次定位組件

硅片在排片皮帶上排列完成以后，頂起氣缸驅動定位塊組件抬起，將排片皮帶上的硅片頂起，使整列硅片落入每組定位塊內，實現硅片的二次定位，定位精度可以達到單邊0.3mm。等定位塊組件上的硅片被放入托盤后，定位塊組件由分離氣缸驅動打開，定位塊打開寬度大于硅片寬度，然后頂起氣缸縮回定位塊組件落到傳輸皮帶下方，準備頂起下一組硅片。

通過切換不同的定位塊，以及對應的定位塊安裝板，可以實現不同尺寸規格硅片的二次定位。通過提前將定位塊組件裝好，客戶直接整套組件切換，可以很方便完成切換。

4 設備改進效果

根據上述方法改進設備，并跟蹤新一代設備在客戶現場實際生產情況，客戶切換片源方便，單臺設備停機切換時間縮短到2小時之內，設備獲得客戶好評。

5 結束語

針對現有背鈍化上下料機的工作流程，分析158mm和166mm兩種尺寸硅片傳輸機構的區別，設計合理結構，并升級相應的控制程序，在成本增加不多的情況下，快速方便實現兩種片源的切換，提升設備競爭力。