CN101417370B - 太阳能薄膜电池激光蚀刻设备及蚀刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能薄膜电池激光蚀刻设备及蚀刻方法。设备包括2套蚀刻系统，相向布置在Y轴基座上，每套蚀刻系统包括X轴运动系统、Y轴运动系统和激光器系统。X轴运动系统和Y轴运动系统，形成十字滑台结构；工件夹具位于Y轴基座中部的上方，工件夹具的周边夹紧装置安装在机架上，工件夹具的中央支承装置安装在由位于Y轴基座中部的支柱上；激光器系统安装在X轴运动系统上，激光器系统的蚀刻头伸向工件夹具的下方。本发明Y轴方向的进给距离小，2套蚀刻系统同时工作，分别沿U字形路径作蚀刻运动，联合蚀刻掉工件周边10毫米带状区域的镀膜层，简化了生产工艺，提高了生产效率，成品率和产品质量。

Description

太阳能薄膜电池激光蚀刻设备及蚀刻方法

[技术领域]

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备及蚀刻方法。

[背景技术]

随着现代工业的高速发展，技术快速的更新换代以及对能源的需求，现在能源结构正在发生着根本性的变革，传统的能源：煤炭、石油、天然气使用量将在2020年—2040年到达高峰，而在2050年后将会逐渐枯竭，替代能源，可再生能源(主要是太阳能)从2000年开始迅猛发展，到2050年使用量将达到高峰。传统太阳能电池是使用单晶硅或多晶硅薄片，其硅用料较多，浪费严重，硅元素提纯工艺复杂且成本太高。非晶硅薄膜太阳能电池使用硅元素量很少所以无原料瓶颈，成本低，且工艺成熟，所以发展很快，成为目前薄膜太阳能电池最成熟的产品。

这种非晶硅薄膜太阳能电池镀膜容易产生周边的镀膜不完整的缺陷，影响电池板的性能和最终的成品封装。激光蚀刻能在非晶硅薄膜太阳能电池的四周10毫米带状区域用激光蚀刻掉，以保证太阳能电池片大小统一完整封装，保证良好的绝缘性与成品制作。

现有的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统、Y轴基座、工件夹具、立柱和激光器系统。工件夹具安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，激光器系统安装在X轴运动系统上，X轴运动系统安装在X轴机座上，X轴机座通过安装于Y轴机座的立柱横跨安装于Y轴机座上方。

现有的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备存在以下不足：

1.生产效率低：即使采用双激光蚀刻头，也只能在Y轴方向对工件两侧边同时进行蚀刻，在X轴方向，工件两侧边不可能同时进行蚀刻，生产效率较低。

2.Y轴方向的进给距离大，Y轴运动系统的长度过长。

3.工件夹具在工作过程中随Y轴运动系统沿Y轴方向作进给运动，给安装进料输送系统和出料输送系统带来困难，不便于自动化生产。

4.X轴机座通过安装于Y轴机座的立柱横跨安装于Y轴机座上方，难以安装排尘系统，蚀刻产生的粉尘无法排除，难以改善工位的空气质量。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能够采用双激光蚀刻头同步进行蚀刻，生产效率较高，Y轴方向的进给距离小，Y轴运动系统的长度较短的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备。

本发明进一步要解决的技术问题是提供一种能够自动进料和出料，自动化程度高的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备。

本发明更进一步要解决的技术问题是提供一种能够安装排尘系统，以改善操作环境的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备。

本发明更另一个要解决的技术问题是提供一种生产效率较高的太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，包括机架、Y轴基座、工件夹具和蚀刻系统，机架与Y轴基座固定连接，所述的蚀刻系统为2套，相向布置在Y轴基座上；每套蚀刻系统包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统和激光器系统；所述的X轴运动系统安装在X轴机座上，X轴机座安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，形成十字滑台结构；所述的工件夹具位于Y轴基座中部的上方，工件夹具的周边夹紧装置安装在机架上，工件夹具的中央支承装置安装在由位于Y轴基座中部的支柱上；所述的激光器系统安装在X轴运动系统上；激光器系统的蚀刻头伸向工件夹具的下方。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，所述的工件夹具的周边夹紧装置包括二维定位机构，所述的二维定位机构包括3个固定定位点和3个气缸夹紧点；其中第一固定定位点固定在机架的一个横梁上，第一气缸夹紧点沿Y轴方向对应第一固定定位点设置在机架的另1个横梁上；第二固定定位点和第三固定定位点分别固定在机架的1个纵梁上，第二气缸夹紧点和第三气缸夹紧点沿X轴方向分别对应第二固定定位点和第三固定定位点设置在机架的另1个纵梁上。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，所述的第一固定定位点和第一气缸分别安装在2个垂直升降气缸上，所述的2个垂直升降气缸分别安装在机架的横梁上。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，包括进料输送系统和出料输送系统，所述的进料输送系统和出料输送系统沿Y轴方向分别布置在工件夹具的两侧。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，所述的进料输送系统和出料输送系统安装在蚀刻系统上方的机架上，进料输送系统、出料输送系统和工件夹具中央支承装置都安装有输送皮带，3套输送皮带的上工作平面齐平，沿Y轴方向传输工件，构成工件输送系统。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，所述激光器系统包括半导体泵浦模块、声光Q开关、激光谐振腔膜片、扩束镜、光学扫描振镜、＂F-θ＂镜组。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，在工件夹具的上方的机架上装有吸尘罩。

本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法的技术方案是，采用2套蚀刻系统，2套激光蚀刻系统的激光器蚀刻头相向布置，同时工作，分别沿U字形路径作蚀刻运动，联合完成对工件周边的蚀刻工作。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法，2套激光蚀刻系统的激光器蚀刻头同时作顺时针的蚀刻运动，或同时作逆时针的蚀刻运动。

以上所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法，工件的镀膜面朝上，激光由下向上透过基板照射到镀膜层，去除工件表面的镀膜层。

本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备采用了2套蚀刻系统，相向布置在Y轴基座上。每套蚀刻系统都包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统和激光器系统；所述的X轴运动系统安装在X轴机座上，X轴机座安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，形成十字滑台结构。本发明Y轴方向的进给距离小，Y轴运动系统的长度短，有利于降低设备成本；2套蚀刻系统同时工作，分别沿U字形路径作蚀刻运动，联合完成对工件周边的蚀刻工作，简化了生产工艺，提高了生产效率，成品率和产品质量。本发明的结构还便于安装排尘系统，有利于改善操作环境。

本发明如进一步采用进料输送系统和出料输送系统，便可以实现进料和出料自动化，极大地提高生产效率，降低操作者的劳动强度。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备的正截面视图。

图2是图1中的A向视图。

图3是图1中的B向视图。

图4是本发明非晶硅薄膜太阳能电池的蚀刻区域和蚀刻路径示意图。

图5是本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备的左视图

图6是本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备控制柜主视图

图7是本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备的光学系统的主截面视图

图8是本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备的光学系统的俯截面视图

[具体实施方式]

本发明的激光蚀刻设备用于对非晶硅薄膜太阳能电池的边缘进行蚀刻去膜处理，图4所示的阴影部分是非晶硅薄膜太阳能电池的边缘需要蚀刻的部分。

如图1至图8所示本发明太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备实施例包括机架30、大理石的Y轴基座6、大理石的Y轴基座6安装在机架30之上。在Y轴基座6上安装了2套同样的蚀刻系统，2套蚀刻系统在Y轴基座6上相向布置。每套蚀刻系统有X轴运动系统8、X轴基座8’、Y轴运动系统7和激光器系统9。X轴运动系统8安装在X轴机座8’上，X轴机座8’安装在Y轴运动系统7上，Y轴运动系统7安装在Y轴基座6上，形成十字滑台结构。工件夹具位于Y轴基座6中部的上方，其中，工件夹具包括周边夹紧装置12a和中央支承装置12b。周边夹紧装置12a安装在机架的中部，中央支承装置12b由安装在Y轴基座6中部的支柱20支承。激光器系统9安装在X轴运动系统上，激光器系统的蚀刻头9a沿Y轴方向伸向工件夹具的下方，可以达到工件的中心。本发明的激光器为波长1064nm的固体激光器。

在本实施例中Y轴运动系统7和X轴运动系统8采用伺服电机带动，由大导程、高扭矩丝杆传动。

本发明中的输送系统包括进料输送系统11，工件夹具的中央支承装置12b和出料输送系统13。进料输送系统11和出料输送系统13，沿Y轴方向分别布置在工件夹具的两侧，安装在激光器系统上方的机架上.进料输送系统11、出料输送系统13和中央支承装置12b都安装有输送皮带14，3套输送皮带的上工作平面齐平，沿Y轴方向传输工件，构成工件输送系统。输送皮带14采用防止跑偏的多楔带，由步进电机16驱动。进料输送系统11，工件夹具和出料输送系统13沿输送皮带14的两侧都有引导工件的软材料导向轮15。工件夹具的导向轮15安装在机架的2个纵梁上。

工件4由进料输送系统11流进工件夹具的中央支承装置12b，然后由周边夹紧装置12a夹紧。周边夹紧装置12a以机架30作为框架，对工件4采用二维定位机构三点定位。二维定位机构包括3个固定定位点和3个气缸夹紧点；其中第一固定定位点1903通过1个垂直升降气缸18固定在机架右侧的一个横梁上，第一气缸夹紧点2003沿Y轴方向对应第一固定定位点1903通过另1个垂直升降气缸18设置在机架的另1个横梁上。第二固定定位点1901和第三固定定位点1902分别固定在机架的1个纵梁上，第二气缸夹紧点2001和第三气缸夹紧点2002沿X轴方向分别对应第二固定定位点2001和第三固定定位点2002设置在机架对面的另1个纵梁上。工件4流进工件夹具的中央支承装置12b前，2个垂直升降气缸18将第一固定定位点1903和第一气缸夹紧点2003提起，便于工件4进入工件夹具；工件4进入夹具后，2个垂直升降气缸18将第一固定定位点1903和第一气缸夹紧点2003放下，3夹紧气缸将工件4夹紧。蚀刻完成后，3气缸将工件4松开，2个垂直升降气缸18再次将第一固定定位点1903和第一气缸夹紧点2003提起，中央支承装置12b的输送皮带将工件输往出料输送系统13。

激光器系统包括半导体泵浦模块25、声光Q开关24、激光谐振腔膜片23；振镜系统(激光头)9a的作用是使照射在其上的激光束发生偏转，通过控制光学扫描振镜的运动，从而达到控制激光光束运动的目的。振镜头装在激光器头部＂F-θ＂镜组27下方，其驱动器装在激光器头部，驱动器电源由主控箱提供。＂F-θ＂镜组27为光学聚焦系统，用于将激光束聚焦于工件表面，且在垂直光轴的二维平面上的工作区域内均能获得良好的聚焦效果。该镜组安装在激光器的头部。本实施例采用后聚焦方式，这种聚焦方式将聚焦透镜安装在振镜扫描器的后面。它采用的聚焦透镜是专门设计的F-θ平场透镜，不管光束如何移动，它的焦点位置始终保持在一个平面上，保证了在一定区域内光斑大小与能量密度一致，提高了蚀刻的质量。另外，这种方式能够通过调聚焦镜的倍数来改变焦点的位置，起到调焦的目的。

在本发明中，所有轴的电机驱动器、控制卡、其他电器元件、气路元件通过电气底板安装在机架30中，布局紧凑合理；键盘鼠标抽屉31、显示器21、工控机，激光发生器控制箱安装在控制柜22中，通过线缆波纹套管与安装在电气底板上电器控制器件连接。本实例中控制部分采用电脑工控系统控制，该系统能对激光发生器控制箱、激光器系统9、X轴运动系统8、Y轴运动系统7、和图形蚀刻范围、位置进行有效协调及联动控制。

本发明的设备在工作时，工件以基板向下，镀膜面朝上的方位进入夹具，在传输过程中，镀膜面不会拉伤。工件进入夹具后中部由中央支承装置支承，周边由周边夹紧装置定位夹紧，两者在工件周边的边缘处有一圈空隙，便于激光头工作对工件进行蚀刻。激光头产生的激光由下向上透过基板照射到镀膜层，去除工件表面的镀膜层。

本发明的2套蚀刻系统安装在2套能分别作X、Y方向运动的十字滑台结构上。2套激光蚀刻系统的激光器蚀刻头相向布置，同时工作。如图3和图4所示，2套激光蚀刻系统的蚀刻头以Y轴为对称轴，分别位于工件2个侧边的中点开始工作时，同时沿各自的U字形路径顺时针或逆时针地作蚀刻运动。1个激光器沿1、2、3的路径顺时针进行蚀刻，另1个激光器沿1’、2’、3’的路径也顺时针地进行蚀刻。两个U字形蚀刻路径合成工件的矩形蚀刻周边，联合完成对工件周边的蚀刻工作。

为了改善操作环境，及时地将蚀刻产生的粉尘抽吸掉，本实施例在工件夹具的上方的机架上装有吸尘罩17。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。

Claims (9)

1.一种太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，包括机架、Y轴基座、工件夹具和蚀刻系统，机架与Y轴基座固定连接，其特征在于，所述的蚀刻系统为2套，相向布置在Y轴基座上；每套蚀刻系统包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统和激光器系统；所述的X轴运动系统安装在X轴机座上，X轴机座安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，形成十字滑台结构；所述的工件夹具位于Y轴基座中部的上方，工件夹具的周边夹紧装置安装在机架上，工件夹具的中央支承装置安装在由位于Y轴基座中部的支柱上；所述的激光器系统安装在X轴运动系统上；激光器系统的蚀刻头伸向工件夹具的下方；所述的工件夹具的周边夹紧装置包括二维定位机构，所述的二维定位机构包括3个固定定位点和3个气缸夹紧点；其中第一固定定位点固定在机架的一个横梁上，第一气缸夹紧点沿Y轴方向对应第一固定定位点设置在机架的另1个横梁上；第二固定定位点和第三固定定位点分别固定在机架的1个纵梁上，第二气缸夹紧点和第三气缸夹紧点沿X轴方向分别对应第二固定定位点和第三固定定位点设置在机架的另1个纵梁上。

2.根据权利要求1所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，其特征在于，所述的第一固定定位点和第一气缸分别安装在2个垂直升降气缸上，所述的2个垂直升降气缸分别安装在机架的横梁上。

3.根据权利要求1所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，其特征在于，包括进料输送系统和出料输送系统，所述的进料输送系统和出料输送系统沿Y轴方向分别布置在工件夹具的两侧。

4.根据权利要求3所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，其特征在于，所述的进料输送系统和出料输送系统安装在蚀刻系统上方的机架上，进料输送系统、出料输送系统和工件夹具中央支承装置都安装有输送皮带，3套输送皮带的上工作平面齐平，沿Y轴方向传输工件，构成工件输送系统。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，其特征在于，所述激光器系统包括半导体泵浦模块、声光Q开关、激光谐振腔膜片、扩束镜、光学扫描振镜、″F-θ″镜组。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备，其特征在于，在工件夹具的上方的机架上装有吸尘罩。

7.一种采用如权利要求1所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻设备的太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法，其特征在于，采用2套蚀刻系统，2套激光蚀刻系统的激光器蚀刻头相向布置，同时工作，分别沿U字形路径作蚀刻运动，联合完成对工件周边的蚀刻工作。

8.根据权利要求7所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法，其特征在于，2套激光蚀刻系统的激光器蚀刻头同时作顺时针的蚀刻运动，或同时作逆时针的蚀刻运动。

9.根据权利要求7所述的太阳能薄膜电池的激光蚀刻方法，其特征在于，工件的镀膜面朝上，激光由下向上透过基板照射到镀膜层，去除工件表面的镀膜层。

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