一种晶硅太阳能电池片自动制绒设备

摘要：本文简要介绍了太阳能电池行业的现状和晶硅太阳能电池片的制绒工艺原理。分项阐述了太阳能电池片自动制绒清洗机的主要结构和功能设计。重点说明了设备的重要组成部件制绒槽和机械手的设计要点。通过解决工艺生产实践中遇到的问题，将设备改进得更加完善。

关键词：太阳能电池;表面织构;制绒设备;机械手

Research and Development of an Automatic Equipment for Solar Cell Surface Texturing

ZHAO Yongjin,ZHU Fusheng,FENG Xiaoqiang

(The 45th Research Institute of CETC,Beijing 101601,China)

Abstract:This paper briefly introduces the current status of Photovoltaic industry and the principle of solar cell surface Texturing . The mechanical structure and function divisions of this automatic texturing &cleaning equipment were respectively described in detail. Detailed introduction emphasizes on the design method and keypoint technique of the two important buildup components-texturing bank and manipulator. By solving the technical problems encountered in the production process, it makes the epuipment more improved and excellent.

Key Words: Solar Cell;Texturization; Texturing Equipment;Manipulator

1.引言

随着全球社会经济的发展,每年常规化石能源的消耗量巨大且不断增加，世界范围内的能源紧缺问题和环境污染问题日益严重。人类迫切的需要寻找洁净的可再生的新能源,以逐步缓解和解决社会经济可持续发展中的能源问题。太阳能是人类利用已久的能源,具有取之不尽用之不竭的特点。通常人类利用太阳能的途径是将太阳能转换成热能,这大大限制了太阳能的应用范围。从人类发现光伏效应,制造出能将太阳光能直接转换成电能的太阳能电池,太阳能的利用揭开了新的篇章。太阳能光伏发电以其无污染、无噪声、安全可靠、维护简便、资源永不枯竭等优点,被认为是21世纪最重要的新能源发展方向。

太阳能光伏技术的日趋成熟，使其应用领域不断拓宽，商业推广应用也有了长足的进展。许多发达国家和地区纷纷制定了光伏发展规划。各种太阳能光伏应用的鼓励政策和庞大的光伏工程计划,给太阳能电池产业的发展提供前所未有的发展机遇,为太阳能光伏产业创造了巨大的市场空间。全球光伏行业进入了一个飞速发展的阶段,整个光伏行业从源头产品的硅片到太阳能电池片,到终端产品组件都出现了供不应求的局面,而且未来若干年整个太阳能光伏行业仍将继续高速发展。太阳能光伏制造设备是光伏产业高速发展的保障,全球光伏装机容量的大幅增长将拉动全球市场对光伏设备的需求，也为生产和加工太阳能电池的设备制造商提供了快速发展的大好机遇。

2.工艺原理

从现有的光伏行业市场发展来看，单晶硅和多晶硅太阳能电池占据了光伏市场的主导地位。在世界光伏市场的电池和组件中,单晶硅和多晶硅的比例超过80%,而且预计在未来的10年内,高效晶硅材料太阳能电池的主导地位不会改变。如何优化生产工艺,制造出高效的晶体硅太阳能电池是生产企业不断追求的目标。

晶硅太阳能电池片的生产工艺质量直接影响到成品太阳能电池的发电效率、断路电压、短路电流、使用寿命等性能。在其生产工艺中,太阳能电池片表面织构化(又称“制绒”)技术是太阳能电池片生产工艺中的第一道关键工艺。太阳能电池表面织构化是指在一定的工艺条件下,在太阳能电池片表面形成众多凹凸起伏的角锥状“金字塔”形的微结构,其作用可以降低电池片表面的反射率,还可以在电池片的内部形成光陷阱,从而显著的提高太阳能电池的光电转换效率。处理后的表层绒面如图1所示。

图1 电子显微镜下的单晶硅表层绒面

单晶硅太阳能电池片与多晶硅太阳能电池片的制绒的方法是不同的。通常单晶硅电池片制绒是利用碱性溶液对单晶硅的各向异性腐蚀,在单晶硅片表面形成“金字塔”状的微结构。目前单晶硅的制绒腐蚀大都采NaOH 或 KOH 、水、异丙醇、添加剂的混合溶液,制绒成本较低,腐蚀效果好、可重复性和可操作性好。多晶硅制绒面则一般采用酸腐蚀的方法。

3.自动制绒清洗机主要结构和功能设计

3.1 概述

针对市场的需求，中国电子科技集团公司第四十五研究所研制开发出了适应于工业化生产、高效率、高可靠性的SFQ-1508ZT型单/多晶硅太阳能电池片自动制绒清洗机。单台设备即可满足20MW太阳能电池生产线的需求。本文以单晶硅太阳能电池片制绒生产线为例，介绍一下自动制绒清洗机主要结构功能的设计。目前槽式制绒设备，仍然是太阳能电池生产厂家广泛使用的，本设备也采用槽式的制绒工艺。操作人员在上料位手动上料后全过程由程序控制,自动完成硅片的预清洗、制绒、酸洗等工艺过程。设备的外型如图2所示

3.2 机架

由于制绒工艺过程需采用湿法化学方法，其所用溶液具有不同程度的腐蚀性还伴有加热等功能，极易造成工作环境的污染。因此,需要设备提供既能保证工艺过程的洁净度要求,又耐腐蚀、易清理的工艺环境。本设备主体框架采用碳钢型材,外部包覆工程塑料PP（聚丙烯,具有良好的耐化学腐蚀性能和物理性能）板材的结构。设备除观察窗口处需使用透明材料PVC(聚氯乙稀)外,其他造型构件也均使用PP板材焊接而成。此外由于设备尺寸较长,整体采用分段结构,最后组装在一起。设备的内部功能结构如图3所示。

图3 自动制绒清洗机内部结构示意图

3.3 工艺槽体

（1）制绒设备的工艺槽中，制绒槽是最关键的。作为太阳能电池片制绒化学反应的容器，其工艺处理质量直接影响到整个太阳能电池片生产线产品的质量和成品率。在制绒的工艺过程中，溶液成分配比、反应温度、反应时间、添加剂等因素对太阳电池片绒面的形成质量都有较大影响。制绒工艺对于制绒槽的要求主要是对反应温度和溶液均匀性的控制。设备的制绒槽结构如图4所示。

图4 单晶硅制绒槽结构示意图

制绒槽为内外双层结构，内槽材料为316L不锈钢板材，外壳材料为PP（聚丙烯）板材，中间夹层添加保温材料，可降低热能的损耗。槽体配有气缸驱动的折叠式自动盖，可减少槽内水份和化学药剂的挥发，利于保持槽内溶液成分的稳定。折叠式的自动盖还能有效的减少工艺槽所占用的工作空间，从而减少机械手臂的移动距离，缩短工艺篮在工艺槽体间移动的时间，提高电池片处理效率和质量。槽体底部安装有若干独立的易拆卸的加热管，保证加热功能的可靠和易维护性。加热管上部安装有匀流隔板，起混流和支撑工艺篮的作用。侧壁安装有高精度的铂电阻温度传感器以及浮球式的液位传感器。槽体的废液排放口设置在后下部，底面向后稍倾斜，易于槽内废液废渣的清理排放。

要实现电池片绒面工艺质量的可控性和稳定性，要求制绒槽在结构的设计上利于实现较高精度的温度控制和溶液均匀性控制，保证工艺试验条件的重复性。在实际生产中，由于槽体尺寸较大且一次性处理的硅片数量很多，如何使槽内各处的溶液温度和溶液成分均匀一致是制绒槽能否应用于大批量生产的关键。为满足这个要求，本设备制绒槽有三项独特的设计。第一，每个制绒槽都配有外循环泵。通过循环管路的多个注入管在底部均匀注入溶液，通过槽体上部吸出口导出溶液，加速槽内溶液的循环流动，消除加热管区域溶液温度较高而槽面溶液温度较低的现象。第二，在加热管上方区域设置匀流隔板，使底部加热后的循环溶液通过匀流隔板散布混合均匀后再向槽面上方流动。第三，在槽体的底面上安装有可产生大量均匀细密气泡的鼓氮气装置，增加槽内溶液的搅动，利于槽内溶液与电池片的化学反应。根据实际生产中工艺人员的实测结果显示，槽内各处溶液温度的偏差不超过±0.3 ℃。制绒后的电池片绒面效果很好，一致性也很好。制绒槽完全满足大批量、高质量的制绒生产线要求。

（2）按照制绒工艺过程的要求，除制绒槽外设备还应配有超声槽、溢流槽、快排槽、酸槽等。槽体的数量由设计产能决定。由于采用的是湿法化学处理方法，其他工艺槽体与传统工艺槽结构相似，就不再赘述了。

3.4 机械手的设计

设备配置有3套独立运行的机械手，它们担负着抓取料篮并按照工艺流程将料篮在工艺槽体间依次转移的任务。本设备对于机械手的要求主要是高速、平稳、安全可靠。机械手的外形结构如图5所示。

3.4.1机械手的结构 机械手主体采用厚铝板组装而成。电机、导轨、丝杠、传感器等元件固定在主体上。机械手的横向平移机构采用齿轮齿条方式。设备底部框架上铺设有长尺寸的铝型材支架。由于设备尺寸较长，齿条和直线导轨通过多根拼接成一根的方式分别固定在型材上。齿轮则安装在机械手底部与齿条啮合。运行后，齿轮运转带动机械手实现在设备长度方向上较长距离的移动。机械手的上下升降机构则使用滚珠丝杠和直线导轨机构，可执行快速平稳的抬升、下放动作。机械手臂的开合采用汽缸驱动，结构简单，工作可靠。

3．4.2机械手的防护

设备的工艺槽中放有多种化学溶液，部分酸液有强烈的腐蚀性且容易挥发扩散在设备内部。机械手要长期工作在这种恶劣的环境中，要保证它们可靠稳定的运行，必须解决其防腐蚀的问题。对于前下部区域的机械手主体采用的是负压保护的方式。对于手臂的保护，采用在不锈钢手臂上喷涂特氟龙材料的方法。手爪则使用PP材料制做，具有良好的耐腐蚀性能。

3．4.3手部喷淋装置

在实际生产中，机械手将料篮从工艺槽体中提升出来后，应尽快进入下一道工艺槽，减少料篮暴露在空气中的时间。否则电池片表面的水份挥发，极易出现水纹印和“边缘花片”的现象。为解决这个问题，在机械手臂上安装了DI水喷淋装置。当料篮从槽内提升出来后，DI水以雾状喷射的方式喷淋到电池片的表面，保持电池片表面的润泽，有效的消除了这些质量隐患。

3.5 料篮

料篮用做承载多个片盒同时进行工艺处理。由于处理过程中需要长时间浸入在多种化学溶液中，需要其即耐强酸又耐强碱。本设备的料篮采用聚四氟乙烯材料做侧边框架，连接杆和片盒支撑杆则采用不锈钢管外喷覆聚四氟乙烯的结构，使其具有轻质、高强度、耐腐蚀的优点。同时为满足设备兼容性的需要，料篮结构采用独特的设计，可以兼容常见的125mm×125mm或者156mm×156mm尺片硅片的片盒。该料篮可同时承载8盒-12盒电池片，每次200片-300片。单晶硅和多晶硅工艺处理时均可使用。其外形结构如图6所示。

图6 料篮

3.6 上下料台

设备的上下料台与主机分离独立设计。安装时将其从主机的接口插入固定好，形成设备内、外两部分。上料工作时，操作人员将料篮放置在料台的外部塑料拖链上。按动上料确认按钮后，拖链带动料篮移动至设备内部的上料位，等待机械手的抓取。下料工作时，传感器检测到料篮被机械手放置在下料位。拖链启动，带动料篮移出设备，移动方向与上料方向相反。上下料台工作可靠，独特的设计使其耐腐蚀，不漏液，易维护。其外形结构如图7所示。

图7 上下料台外形结构示意图

3.7 废气废液处理

设备在运行过程中,工艺处理时的化学反应和加热等功能会导致大量的化学药剂蒸腾和挥发,产生大量的有害气体。需要及时清除，防止其扩散对操作人员及设备环境产生不良影响。本设备的废气处理是由厂房的循环抽风系统产生负压，再通过槽体后上方的夹层引风板把有害气体导入专用废气管道来完成的。酸槽和碱槽的废液含有较多有害化学药剂，需通过专用的排放管道集中回收再处理后排放。其余废液则通过设备底部的主排液管道直接排放至废液池。

3.8 安全与防护

设备设置有较为完善的故障报警功能和安全保护装置。针对设备在实际运行过程中出现的问题，对关键部位设有安全检测和监控功能，例如气路报警、漏液报警、风压报警、维修状态报警、超温报警等功能，保证设备的运行安全稳定。对于运动的机械部件，如机械手、折叠槽盖、上下料门等则设有位置检测和保护装置，防止设备在误动作时发生破坏性的事故，避免造成不可挽回的损失。

3.9 高级功能

可以按照用户独有的生产工艺要求，为设备提供包括自动补液、配液功能、制冷恒温功能、浓度在线检测、工艺模拟等高级功能。

4.电控系统

本设备使用可编程控制器PLC结合触摸显示屏的方式实现整机系统的控制及自动化运行。设备配有专用的电气柜，安装有PLC、空气开关、电磁阀、继电器、电机驱动器等电气元件，设置在设备的后部。工艺人员的操作控制部分包括触摸显示屏、电源开关、照明开关、手/自切换按钮等则设置在设备前部的控制面板上。同时在设备相关部位设置有安全开关、工艺操作按钮、温控器和手动操作接口等。

整机控制系统以高性能的PLC为核心。设备的多个传感器、控制按钮、电机驱动器、温控器、电磁阀等均接入PLC的I/O口。触摸显示屏与PLC的通讯接口相连接。设备启动运行后，PLC扫描接入的电气元件的状态信号和触摸屏通讯信号。按照编制的软件程序进行逻辑运算，输出整机系统的控制信号，控制执行元件的动作，实现整机的自动化运行生产。

设备的人机界面采用可图形化设计编程的液晶触摸显示屏。工艺人员可通过触摸屏上的图形菜单对设备的相应工艺参数和功能进行设置。在设备运行过程中，触摸屏与PLC保持实时通讯，可以直观形象的实时显示设备的工艺进程和运行状态。

5.结束语

制绒设备是太阳能电池片生产线的关键设备。SFQ-1508ZT型单/多晶硅太阳能电池片自动制绒清洗机已经成功的应用在国内多条太阳能电池片生产线上。通过与用户实际生产工艺相结合，进行不断的技术改进和完善,设备在整体性能上表现出色。与国产同类设备相比,具有技术先进、生产效率高、工艺质量好、性能稳定可靠、兼容性好等优势。随着中国太阳能光伏产业的高速发展，该设备有着巨大的市场应用空间。

参考文献：

[1] 熊绍珍,朱美芳. 太阳能电池基础与应用[M].北京：科学技术出版社，2009.

[2] 席珍强，杨德仁等. 单晶硅太阳电池的表面织构化[J].太阳能学报,2002,23:285-289.

[3] 卢泽生,王伟杰等. 机械系统自动化技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.

作者简介:

毕业于哈尔滨工业大学，目前在中国电子科技集团公司第四十五研究所工作，从事太阳能电池制绒清洗设备的研制工作。