CN101431126A - 一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置。该装置包括激光器、支撑台座、自动聚焦控制、自动摄像定位、光学平台、工控机、电源和动态振镜扫描。其特点是，光学平台上设有送料机构，其一侧面设置了支撑台座，自动聚焦控制和自动摄像定位子系统。在支撑台座的横梁内设置了X－Y轴振镜扫描单元、Z轴前聚焦单元和激光器。工控机通过电缆分别与激光器、X－Y轴振镜扫描单元，Z轴前聚焦单元和电源连接。本发明具有结构简洁、工艺规范、生产成本低、易于大批量生产；具有扫描范围宽、聚焦光斑小且一致性好，能自动准确定位、工作效率高等优点，可以广泛地应用于非晶硅薄膜太阳能电池刻膜及打点等生产领域。
Description
一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置 技术领域
本发明涉及一种激光标刻设备，特别是涉及一种用于薄膜太阳能 电池刻膜及打点的新装置。
背景技术
目前，在非晶硅薄膜太阳能电池生产的过程中已广泛的采用了激 光加工技术，以实现电池片的刻膜及打点。中国专利号
ZL200710072812太阳能电池激光标刻设备，所采用的是XY振镜， 加上专用大幅面X…Y工作台的方式来实现电池片的标刻。该种方法 虽然在标刻速度上较原先有一定的提高，并能标刻大幅面及特殊图形 的太阳能薄膜电池，但仍然需要太阳能薄膜电池的基板在移动工作台 上运动，速度必然受到大幅面工作台的运动速度的限制，且由于工作 台在移动过程中的振动会出现刻膜及打点线不均匀，不稳定的现象， 且大幅面精密X…Y移动工作台在整个标刻设备中的成本会占到一 半以上，导致单块基板标刻的成本居高不下，在大幅面工作态下必须 分块来完成标刻，必然会出现重复线，重复点的问题，同时整体结构 相对仍然复杂。而如果依然采用普通聚焦的方法…-即聚焦镜在扫描 镜片的下方（后方），不进行变焦处理，由于聚焦镜直径的限制，目 前只能保证最大幅面在300mm*300mm的幅面，远低于刻膜基板幅面 的要求，且由于不能采用变焦的方法处理，导致远角的位置，和近点 的位置标刻质量不一致，存在激光功率方面的差异和光斑大小的差升°
发明内容
本发明的目的，是为了克服现有技术的不足，完全不使用移动机 械平台，仅采用光学平台（带基座）作为太阳能薄膜电池的基片的承 载装置，通过三维动态振镜扫描技术实现在基片的任意位置标刻，提 供一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置。
本发明以下所说的待刻基片是薄膜太阳能电池基片或简称基片。
本发明是通过以下的技术方案来实现的：
A. 光学平台上的辅助送料机构将基片平稳移动，光学平台上一侧 的自动摄像装置捕捉基片上的定位线标志，待刻基片到达待标刻的区 域时，沿着捕捉到的定位线标志对位，
B. 启动自动聚焦系统根据基片的厚度，软件自动聚焦自动将激光 系统的焦距设置到合适的值。
c.启动动态振镜扫描系统，导入待标刻的图形，在标刻区域内标 刻基片，标刻区域可从100mmX 100mm到2000mmX2000mm在软件
中自如的设置。
在三轴即X-Y-Z轴扫描振镜工作时，激光束首先进入Z轴移动镜 头。透过Z轴移动镜头之后，光束快速分散，直到进入一个或两个聚 焦镜头。工业控制计算机（以下简称工控机）打标控制软件会根据近 点，远点的需要来动态调节Z轴移动镜头的位置，移动镜头同聚焦镜 头之间的位置变化，焦距随之变化，实现了基片上的远点同近点的焦 距的一致性，同时光斑的一致性，经过聚焦镜后汇聚的光束穿过镜头，并由一组X和Y镜片（这些镜片由振镜式扫描电机移动）引导。X
轴和Y轴振镜之间（静止）状态最大夹角为90。 ， 二片向内偏转（0〜 45° )，向下引导光束，由工控机打标控制软件根据待标刻图形或字 符的轨迹移动控制X轴与Y轴扫描振镜之间角度的变化，由X轴和Y 轴电机驱动动器分别驱动X轴和Y轴振镜电机，继而带动X轴、Y 轴方向的扫描振镜旋转完成光扫描，覆盖工作范围的长和宽。
激光振镜扫描系统在基准焦距（由自动聚焦系统设定）的基础上 可以使移动镜头在-21至21腿内动态调节校正。在没有焦点校正的 扫描振镜中，向任一轴向移动工作范围中心聚焦的激光光斑时，都会 划出一个弧形，在工作范围上方产生一个聚焦点的球面。在远离工作 范围中心的位置，激光光束没有聚焦。这是因为当扫描器将光束向远 离工作范围中心的方向引导时，从镜头到工件的距离增加了。
本发明所称的一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置，它 包括激光发生器、支撑台座、自动聚焦控制子系统、自动摄像定位子 系统、光学平台、工业控制扫描子系统（以下简称工控机），激光电 源和动态振镜扫描子系统。其特征是，在光学平台上设有一个将基片 平稳移动的送料机构，在光学平台的一侧面中间处设置有支撑台座， 在光学平台的同一侧面且在支撑台座两边分别设置有自动聚焦控制 子系统和自动摄像定位子系统，工控机和激光电源设置在控制柜内。 动态振镜扫描子系统由X-Y轴振镜扫描单元和Z轴前聚焦单元组成；X、 Y轴振镜扫描单元，Z轴前聚焦单元和激光发生器依次设置在支撑台座 的上横梁内；工控机通过电缆线分别与激光发生器、X-Y轴振镜扫描单元、Z轴前聚焦单元和激光电源连接。X-Y轴振镜扫描单元由X轴振镜
电机、Y轴振镜电机、X轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、X轴扫描振镜和
Y轴扫描振镜组成；Z轴前聚焦单元由聚焦镜、Z轴移动镜头、移动滑块
和移动镜头的驱动电机单元组成。在三轴（S卩X-Y-Z轴）动态振镜扫描 子系统工作时，由工控机向激光电源发送信号来控制激光发生器开关及 激光功率大小，当激光发生器开启其发出的激光束首先进入Z轴移动镜 头，透过Z轴移动镜头之后，光束快速分散，直接进入聚焦镜汇聚的光 束透过聚焦镜，直至X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜；X轴电机驱动器和Y 轴电机驱动器依照工控机发送信号驱动X轴和Y轴振镜电机运转，进而带 动X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜偏转，X轴扫描振镜和Y轴扫描镜之间的夹 角最大为90。（静止状态下），X轴和Y轴扫描振镜均向夹角内偏转，其 偏转的角度均为O。〜45° ;激光束通过X轴和Y轴扫描振镜全反射后， 再入射到待刻基片表面，受控制的X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜旋转完成 聚焦光束在待刻基片表面长和宽的扫描；依据待刻图形轨迹与X轴扫描 振镜和Y轴扫描振镜之间聚焦激光束的中心直线距离的变化，由工控机 发出的脉冲指令控制移动镜头的驱动电机单元，随着伺服电机的运动， 带动在电机轴上的移动滑块，连接在移动滑块上的Z轴移动镜头随之快 速移动，使得激光束的焦点在整个待刻基片上的每一个位置都能实现光 斑的一致，实现了聚焦补偿可变光斑大小，从而保证待刻基片大幅面刻 膜及打点的均匀性和一致性。Z轴移动镜头可移动直线距离为士21mm。 本发明所述的光学平台是一个有固定座的镜面台。 本发明所述的X轴和Y轴扫描振镜的孔径均为15至35ram。本发明所述的X轴和Y轴扫描振镜的偏转角度均为3(T 。 本发明所述的激光发生器为红外光激光器、泵浦绿光激光器或光 纤激光器。
本发明所述的Z轴移动镜头可移动直线距离为士18mm。
按照本发明的技术方案：由激光器输出激光进入三维激光振镜扫 描系统，先经过移动镜头（动态调焦镜头），再经过前端聚焦镜（前 端聚焦是指在光束未到振镜头前就进行光束的聚焦，区别于光束先到 振镜头，再采用平场聚焦镜后再聚焦的方式）。激光束入射到两反射 镜（扫描振镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜 可分别沿X、 Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密 度的激光聚焦点在基片材料上按所需的要求运动，从而在基片材料表 面上留下永久的标记（由计算机软件设定）。
作为前聚焦扫描系统和机械传送装置的完美结合，三维动态扫描 系统有其特有的优越性，在传统的后聚焦式扫描系统中，扫描振镜放 置于聚焦透镜（比如聚焦透镜或远心聚焦镜头）之前，扫描平面在聚 焦镜的后焦面上。这种扫描系统的成本较低，扫描速度较快，可是扫 描场的尺寸和聚焦光斑的大小严重的受限于镜头的焦距。
在三维动态扫描系统中，扫描振镜放置在聚焦系统之后。激光束 先进入移动透镜，经过放大的光束再经过聚焦镜片组的聚焦，然后通 过扫描振镜，最后到达扫描平面。利用机械传送装置移动透镜，会改 变移动透镜和聚焦镜片组之间的距离，导致聚焦光斑在二维/三维空 间内移动，我们定义为"三维扫描"。我们集成的三维动态扫描系统具有以下优点：
1) 可调整的扫描范围，从100mmX100mm到2mX2m;
2) 可得到比后聚焦式扫描系统更小的聚焦光斑；
3) 在整个扫描面内，聚焦光斑大小具有更好的一致性； 按照本发明的技术方案是自动聚焦控制子系统能够根据薄膜太
阳能电池基片材料的厚度自动调整激光系统的焦距，激光束采用自动 聚焦控制。激光系统直线轴可沿光轴或任意轴定位，以保持光束聚焦； 焦点位置任何时刻都精确可知。
按照本发明的技术方案有一套精确的自动摄像定位子系统，捕捉 到薄膜太阳能电池基片上的基准线，精确的按照基准线停止，实现自 动准确对位。
按照本发明的技术方案是：所述的光学平台是指可容纳最大幅面 薄膜太阳能基板的固定镜面台，在整个过程中是静止不动的。
本发明的积极效果表现在，用于太阳能基片承载的光学平台可以 完全静止，避免了标刻过程中由于移动平台的运动振动导致的标刻误 差，在整个过程中，都由三维振镜动态系统来实施激光标刻的工作， 在超大的幅面上也就相当于小幅面激光标刻的速度，标刻标准线速为 600m/min，工作效率非常高。且由于三维振镜动态系统可动态调整焦 距，在整个标刻范围内光斑都能保证良好的一致性，通常这只有在小 范围的标刻应用中才能做到。
在成本上由于节约了精密移动平移台的成本，结构变得简单，即 使三维动态扫描子系统成本增加，在总体成本上仍能够降低三分之而且由于该系统简洁的结构，完全可以安放在非晶硅薄膜太阳能 电池镀膜的流程之后，实现生产线上的在线刻膜及打点，由于相关的 厂家一般都采用的是专门的刻膜生产车间，这样就节省了完整的一个 车间，且其中的运输成本也没有了，这样一来，节省了大量的人力， 物力，使得基片的刻膜及打点单位成本大幅降低，在当前能源，环保 成本飙涨的情形下，本发明可完全改变现有的工艺方法，具有非常重 大的经济价值。
附图说明
图1: 一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置的结构示意图。
图2:本发明所述的动态振镜扫描子系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明结合附图1至2，对其技术方案的具体实施方式详细叙述
如下：
本发明所称的新装置，它包括激光发生器1-3、支撑台座1-4、 自动聚焦控制子系统1-5、自动摄像定位子系统l-6、光学平台1-9、 工业控制计算机1-10 (以下简称工控机），激光电源1-ll和动态振 镜扫描子系统。在光学平台1-9上设有一个将薄膜太阳能电池基片 1-8 (以下简称基片）平稳移动的送料机构1-7，在光学平台1-9的 一侧面中间处设有支撑台座1-4，在光学平台1-9的同一侧面且在支 撑台座1-4的两边分别设置有自动聚焦控制子系统1-5和自动摄像定位子系统1-6;工控机1-10和激光电源1-11设置在控制柜内。动态
振镜扫描子系统由X-Y轴振镜扫描单元1-1和Z轴前聚焦单元1-2组 成；X-Y轴振镜扫描单元1-1、 Z轴前聚焦单元1-2和激光发生器1-3
依次设置在支撑台座1-4上横梁内；工控机1-10通过电缆线分别与
激光发生器1-3、 X-Y轴振镜扫描单元1-1、 Z轴前聚焦单元1-2和激 光电源1-11连接。X-Y轴振镜扫描单元1-1由X轴振镜电机2-1、 Y 轴振镜电机2-2、 X轴电机驱动器2-3、 Y轴电机驱动器2-4、 X轴扫 描振镜2-5和Y轴扫描振镜2-6组成。Z轴前聚焦单元1-2由聚焦镜 2-7、 Z轴移动镜头2-8、移动滑块2-9和Z轴移动镜头的驱动电机单 元2-10组成。在三轴动态振镜扫描子系统工作时，激光发生器l-3 发出的激光束2-13首先进入Z轴移动镜头2-8,透过Z轴移动镜头 2-8之后，光束快速分散，直接进入聚焦镜2-7，经过聚焦镜2-7汇 聚的光束透过聚焦镜2-7，直至X轴扫描振镜2-5和Y轴扫描振镜2-6; X轴电机驱动器2-3和Y轴振镜电机2-4依照工控机1-10发送信号 驱动X轴振镜电机2-1和Y轴振镜电机2-2运转，进而带动X轴扫描 振镜2-5和Y轴扫描振镜2-6偏转，X轴扫描振镜2-5和Y轴扫描振 镜2-6之间的夹角最大为90° ， X轴扫描振镜2-5和Y轴扫描振镜 2-6均向夹角内偏转，其偏转的角度均为30。。激光束2-13通过X 轴扫描振镜2-5和Y轴扫描振镜2-6全反射后，再入射到待标刻的基 片1-8的表面，受控制的X轴扫描振镜2-5和Y轴扫描振镜2-6旋转 完成聚焦激光束2-13在基片1-8表面的长和宽的扫描。依据待标刻 图形轨迹与X轴扫描振镜2-5和Y轴扫描振镜2-6之间聚焦激光束2-13的中心直线距离的变化由工控机1-10发出的脉冲指令控制Z轴 移动迎头镜头的驱动电机单元2-6，随着伺服电机的运动，带动在电 机轴上的移动滑块2-9，连接在移动滑块2-9上的Z轴移动镜头2-8 随之快速移动，使得激光束2-3的焦点根据待标刻图形轨迹的不同位 置不断变化，致使整个基片1-8上的每一个位置都能实现光斑的一 致，实现了聚焦补偿可变光斑大小，保证了基片1-8大幅面刻膜及打 印的均匀性和一致性。Z轴移动镜头2-8沿着光轴可移动直线距离为 -18至18mm。所述的X轴扫描振镜2_5和Y轴扫描振镜2-6的孔径为 30mm。
实施例l:标刻生产单元电池间距为长20mm，宽10mm的长方 块，幅面的外形尺寸为1000mmX 1000X0.8mm的薄膜太阳能电池基 片l-8。前电极图形制作：将尺寸1000mmX 1000X0.8mm的ITO，ZNO 或SN02透明导电膜面朝上放置到图1的第一号标刻区域内，镜面 台1-9上的辅助滚轮送料机构l-7，在工控机1-10的控制下缓缓前行， 我们采用康耐视公司（COGNEX)的ln-Sight5400系列视觉传感器 作为独立的视觉系统部署于此应用环境，配合其视觉软件实施自动对 位的功能，工控机1-10数据分析让激光发生器1-3能够精确的定位 物件。在标准的应用环境下，图像评价的整个响应时间大约为180 豪秒，其分辨率为640*480像素单位。
自动摄像定位子系统1-6实现找寻透明导电膜面上的定位线，当 找到后马上控制停下送料机构1-7，由此精确对位，这样薄膜太阳能 电池基片精确的在指定范围内定位，定位好后，我们采用的曰本KEYENCE公司的GV-130数字激光传感器来检测当前的薄膜太阳能
电池板面到振镜头的高度，通过相应的接口直接到打标软件中修改当 前的基准焦距长度。同时进行计数。
GV130计数和检查高度能用一个传感器来执行，能参照背景执行 DATUM调整（参考面校准），从而可靠地检测有光泽和曲面的目标。反 射型传感器在上方检测，同时确保对目标进行计数。
工控机I-IO自动启动三维振镜扫描系统，由操作员导入电池薄膜 标刻图形，并将动态扫描范围设置为lOOOmmXlOOOmm，启动泵浦绿 光激光器1-3，按照设计图形的要求，刻除薄膜层，露出前电极引出 图形。设备采用绿光标刻系统，激光波长为532nm，激光功率为35W 以上，激光声光调制频率为5KHZ以下。
标刻完成后，启动辅助送料机构1-7将标刻完好后的薄膜太阳能 电池基片1-8送出即可。
实施例2:标刻生产单元电池间距为长30mm，宽lOmm的长方块， 幅面的外形尺寸为1200mmX800X0.6mm的薄膜太阳能电池基片。
前电极图形制作：将尺寸1200mmX800X0.6mm的透明导电膜 面朝下放置到图1的第一号标刻区域内，镜面台l-9上的辅助滚轮送 料机构l-7，在工控机1-10的控制缓缓前行，同上步骤，待太阳能薄 膜基片到达指定位置后，自动摄像定位子系统l-6实现找寻透明导电 膜面上的定位线，当找到后马上控制停下送料机构1-7。定位好后， 我们采用的数字激光传感器来检测当前的薄膜太阳能电池板面到振 镜头的高度，通过相应的接口直接到打标软件中修改当前的基准焦距长度，同时进行计数。
工控机i-io自动启动三维振镜扫描系统，由操作员导入电池薄 膜标刻图形，并将动态扫描范围设置为1200mmX800mm，启动红外光 激光器l-3，按照设计图形的要求，刻除薄膜层，露出前电极引出图 形。设备采用红外光标刻系统，激光波长为1064nm，激光功率为25W 以上，激光声光调制频率为5KHZ以下。
标刻完成后，启动辅助送料机构1-7将标刻完好后的薄膜太阳能 电池基片l-8送出即可。
Claims (6)
1. 一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置，它包括激光发生器(1-3)、支撑台座(1-4)、自动聚焦控制子系统(1-5)、自动摄像定位子系统(1-6)、光学平台(1-9)、工业控制计算机(1-10)、激光电源(1-11)和动态振镜扫描子系统，其特征是，在光学平台(1-9)上设有一个将薄膜太阳能电池基片(1-8)平稳移动的送料机构(1-7)，在光学平台(1-9)一侧面中间处设置有支撑台座(1-4)，在光学平台(1-9)的同一侧面且在支撑台座(1-4)两边分别设置有自动聚焦控制子系统(1-5)和自动摄像定位子系统(1-6)，工业控制计算机(1-10)和激光电源(1-11)设置在控制柜内；动态振镜扫描子系统由X-Y轴振镜扫描单元(1-1)和Z轴前聚焦单元(1-2)组成；X-Y轴振镜扫描单元(1-1)、Z轴前聚焦单元(1-2)和激光发生器(1-3)依次设置在支撑台座(1-4)的上横梁内；工业控制计算机(1-10)通过电缆线分别与激光发生器(1-3)、X-Y轴振镜扫描单元(1-1)，Z轴前聚焦单元(1-2)和激光电源(1-11)连接；X-Y轴振镜扫描单元(1-1)由X轴振镜电机(2-1)、Y轴振镜电机(2-2)、X轴电机驱动器(2-3)、Y轴电机驱动器(2-4)，X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)组成；Z轴前聚焦单元(1-2)由聚焦镜(2-7)、Z轴移动镜头(2-8)，移动滑块(2-9)和移动镜头的驱动电机单元(2-10)组成；在三轴动态振镜扫描子系统工作时，激光器发生器(1-3)发出的激光束(2-13)首先进入Z轴移动镜头(2-8)，透过Z轴移动镜头(2-8)之后，光束快速分散，直接进入聚焦镜(2-7)，经过聚焦镜(2-7)汇聚的光束透过聚焦镜(2-7)，直至X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)；X轴电机驱动器(2-3)和Y轴电机驱动器(2-4)依照工业控制计算机(1-10)发送信号驱动X轴振镜电机(2-1)和Y轴振镜电机(2-2)运转，进而带动X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)偏转，X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)之间的夹角最大为90°，X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)均向夹角内偏转，其偏转的角度均为0°至45°，激光束(2-13)通过X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)全反射后，再入射到待标刻的薄膜太阳能电池基片(1-8)表面，受控制的X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)旋转完成聚焦激光束(2-13)在薄膜太阳能电池基片(1-8)表面的长和宽的扫描；依据待标刻图形轨迹与X轴扫描振镜(2-5)和Y轴扫描振镜(2-6)之间聚焦激光束(2-13)的中心直线距离的变化由工业控制计算机(1-10)发出的脉冲指令控制移动镜头的驱动电机单元(2-10)，随着伺服电机的运动，带动在电机轴上的移动滑块(2-9)，连接在移动滑块(2-9)上的Z轴移动镜头(2-8)随之快速移动，使得激光束(2-3)的焦点根据待标刻图形轨迹不同的位置不断变化，致使整个薄膜太阳能电池基片(1-8)上的每一个位置都能实现光斑的一致，Z轴移动镜头(2-8)可移动直线距离为±21mm。
2. 根据权利要求所述的一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新 装置，其特征是，所述的光学平台（1-9)是一个有固定座的镜面台。
3. 根据权利要求1或2所述的一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打点的新装置，其特征是，所述的X轴扫描振镜（2-5)和Y轴扫描振镜（2-6)的孔径均为15至35mm。
4. 根据权利要求1或2所述的一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打 点的新装置，其特征是，所述的X轴扫描振镜（2-5)和Y轴扫描振 镜（2-6)的偏转角度为30° 。
5. 根据权利要求1或2所述的一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打 点的新装置，其特征是，所述的激光发生器（1-3)为红外光激光器、 泵浦绿光激光器或光纤激光器。
6. 根据权利要求1或2所述的一种用于薄膜太阳能电池刻膜及打 点的新装置，其特征是，所述的Z轴移动镜头（2-8)可移动直线距
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