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
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异。
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100mm×100mm到2000mm×2000mm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21mm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(即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0°～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±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35mm。
本发明所述的X轴和Y轴扫描振镜的偏转角度均为30°。
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±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100mm X 100mm到2m X 2m；
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1-6、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1-11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1：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1000mm×1000×0.8mm的薄膜太阳能电池基片1-8。前电极图形制作：将尺寸1000mm×1000×0.8mm的ITO，ZNO或SNO2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1-7，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In-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，我们采用的日本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1-10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1000mm×1000mm，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10mm的长方块，幅面的外形尺寸为1200mm×800×0.6mm的薄膜太阳能电池基片。
前电极图形制作：将尺寸1200mm×800×0.6mm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1-9上的辅助滚轮送料机构1-7，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。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1-10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1200mm×800mm，启动红外光激光器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1-8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)可移动直线距离为±18mm。
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