CN108091722A - 一种自动上下料及自动翻片系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自动上下料及自动翻片系统及其工作方法，该系统与PECVD设备的无缝对接，为双面异质结太阳能电池的PECVD设备上下料过程及两台PECVD系统之间的自动翻片过程提供了一个高洁净度、低湿度、低氧气含量的工作环境，解决了双面异质结太阳能电池制备过程中产能和电池转换效率不能同时兼顾的困难。
Description
技术领域：
本发明涉及制备薄膜/晶硅异质结太阳能电池的量产PECVD设备领域，特别涉及其中的一种自动上下料及自动翻片系统及其工作方法。
背景技术：
薄膜/晶硅异质结太阳能电池(以下简称异质结太阳能电池)属于第三代高效太阳能电池技术，它结合了第一代晶硅与第二代硅薄膜的优势，具有转换效率高、温度系数低等特点，特别是双面的异质结太阳能电池转换效率可以达到26%以上，具有广阔的市场前景。
在制备双面异质结太阳能电池的PECVD工艺段，为避免交叉污染，需要2台PECVD设备，一台用于硅片一面的I/N覆膜，另一台用于硅片另一面I/P的覆膜。两台PECVD设备之间的衔接，传统方法是采用人工传递及翻面，然而这种方法有诸多缺点，一是会增加碎片率及不稳定性；二是由于异质结太阳能电池本身的制备条件相对于其它电池要严格很多，其工艺制程对硅片表面的洁净程度要求极高，而硅片在高温时又极易被氧化和污染，所以当硅片从PECVD设备出片腔出来时应使硅片温度降至室温，否则电池效率就会下降。显然，降温过程会耗费较长时间，影响设备的产能。
另一方面，由于异质结太阳能电池晶硅部分的作用是吸收光能，所以通常会在硅片表面制备绒面结构以增强光吸收能力；而异质结太阳能电池的薄膜部分包括了用于构建内电场的N或P层和用于补偿悬挂键的钝化层I层，所以薄膜部分厚度通常只有3-15nm，特别是I层非晶硅膜厚度一般小于10nm，这远小于普通薄膜太阳能电池的百纳米量级厚度。非常薄的膜厚必然要求很短的覆膜工艺时间，如I层非晶硅薄膜的工艺时间为10-60s。很短的工艺时间使工业产能的提高成为可能，但这要求电池其他步骤的耗时必须很好的匹配工艺时间。此时，前段所述因降温等待而耗费的时间显然成为提升产能的瓶颈。因此，若能省略硅片降温过程使其直接高温传输且不被氧化和污染，就会实现高产能高转换效率的目的，带来巨大商业价值。
发明内容：
为了解决上述问题，本发明提供了一种自动上下料及自动翻片系统及其工作方法，该系统与PECVD设备的无缝对接，为双面异质结太阳能电池的PECVD设备上下料过程及两台PECVD系统之间的自动翻片过程提供了一个高洁净度、低湿度、低氧气含量的工作环境，解决了双面异质结太阳能电池制备过程中产能和电池转换效率不能同时兼顾的困难。
为此，本发明提供了一种自动上下料及自动翻片系统，应用于两台含有独立的进片腔、出片腔以及反应腔的PECVD设备中，所述系统包括：氮气房，用于提供洁净度小于等于0.5微米颗粒物100级、氧气含量低于5%、相对湿度小于10%的氮气环境；两套自动上料装置，分别与所述两台PECVD设备的进片腔对接，用于完成对所述PECVD设备的硅片上料工作；两套自动下料装置，分别与所述两台PECVD设备的出片腔对接，用于完成对所述PECVD设备的硅片下料工作；
自动翻片装置，设置于相邻的两台PECVD设备之间，用于完成所述硅片的翻转工作；所述自动上料装置、自动下料装置、自动翻片装置均位于所述氮气房内；所述PECVD设备用于制备双面的薄膜/晶硅异质结太阳能电池。
可选地，所述PECVD设备的反应腔工艺温度为160-280℃。
可选地，所述自动上料装置进行硅片上料工作的温度高于60℃。
可选地，所述自动下料装置进行硅片下料工作的温度高于80℃。
可选地，所述氮气房从初始充氮气开始至达到所述氮气环境的时间小于15分钟，所述氮气房从排出氮气开始至达到氧气含量为20%的时间小于10分钟。
可选地，所述PECVD设备的硅片上料或者下料工作中含有皮带传输过程，所述皮带传输的通道数为1-10，所述自动翻片装置个数与所述皮带传输的通道数保持一致。
此外，本发明还提供了一种自动上下料及自动翻片系统的工作方法，该方法应用于制备双面的薄膜/晶硅异质结太阳能电池过程中，所述自动上下料及自动翻片系统位于洁净度小于等于0.5微米颗粒物100级，氧气含量低于5%，相对湿度小于10%的氮气环境中，所述工作方法包括以下步骤：
第一步，第一套自动上料装置完成对第一台PECVD设备进片腔的硅片上料工作；
第二步，在所述第一台PECVD设备的反应腔内完成所述硅片一面的I层N层或者I层P层的非晶硅薄膜覆膜；
第三步，第一套自动下料装置完成对所述第一台PECVD设备出片腔的硅片下料工作；
第四步，自动翻片装置完成所述硅片的翻转工作；
第五步，第二套自动上料装置完成对第二台PECVD设备进片腔的硅片上料工作；
第六步，在所述第二台PECVD设备的反应腔内完成所述硅片另一面的I层P层或者I层N层的非晶硅薄膜覆膜；
第七步，第二套自动下料装置完成对所述第二台PECVD设备出片腔的硅片下料工作。
可选地，所述第一台和第二台PECVD设备的反应腔工艺温度均为160-280℃，所述第一套和第二套自动上料装置进行硅片上料工作的温度均高于60℃，所述第一套和第二套自动下料装置进行硅片下料工作的温度均高于80℃。
相对于现有技术，本发明所披露的技术手段具有以下的技术效果：
1，通过将自动上下料及自动翻片系统设置在低氧、低湿、高洁净度的氮气房内，能够避免高温硅片在上下料、翻面等过程中与空气直接接触，从而克服了硅片高温遇到氧气、水汽被氧化及被杂质污染的问题，同时又实现高温硅片的直接传输，避免硅片因温度变化需要而造成的时间浪费，经济效益明显。
2，自动翻片装置一方面能够减少硅片的碎片率和降低不稳定性，同时也可以在某片或者某些片硅片出现破损等故障时，无需停止整个制程，起到较好的缓冲，不影响整个异质结太阳能电池的生产。
3，装载有自动上下料及自动翻片系统的氮气房内充满纯度为99.9%的洁净、干燥氮气，并通过氮气房内气体的自循环系统使得氮气房内的洁净度达到0.5微米颗粒物100级，会使得氮气房内的空气污染物降到最低，进而使得氮气房内的空气污染物与各地区不同的污染状况无关，仅与充填的氮气纯度相关。因此生产企业不必改造生产车间，经济效果明显。
4，与自动上、下料装置相对应的传输皮带设计成多通道结构以降低皮带的传输速度，使皮带在满足运载能力要求的同时克服了硅片与皮带因相对运动而产生的不良影响，极大地降低了制绒面损坏程度。
5，将氮气房初始充氮气至达到所要求氮气环境的时间控制在15分钟以内，氮气房排出氮气至氧气含量为20%的时间控制在10分钟以内，能够有效地缩短设备维护、检修、保养的时间，提高设备运行效率。
附图说明：
图1：本发明一实施例中生产双面异质结太阳能电池产线上PECVD工艺段的结构示意图
图2：本发明一实施例中第一套自动上料装置的结构示意图
图3：本发明一实施例中第一套自动下料装置的结构示意图
图4：本发明中自动翻片装置工作示意图
图5：本发明中的自动上下料及自动翻片系统工作方法流程示意图
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方法来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1所示为本发明一实施例中生产双面异质结太阳能电池产线上PECVD工艺段的结构示意图，其中涉及了第一台PECVD设备100、第二台PECVD设备200和自动上下料及自动翻片系统。该自动上下料及自动翻片系统系统包括了氮气房500、两套自动上料装置301和401、两套自动下料装置302和402、自动翻片装置601。其中，自动上料装置301和401、自动下料装置302和402、自动翻片装置601均处于氮气房500中，为了最大程度地降低污染物，氮气房内氮气纯度要求高于99.9%，所述氮气房内提供洁净度小于等于0.5微米颗粒物100级、氧气含量低于5%、相对湿度小于10%的氮气环境，氮气房内的压力略高于外部压力，如压差为10mbar。在本发明中，氮气房初始充氮气至达到所述动平衡的时间设置为小于15分钟，排出氮气至氧气含量为20%的时间设置为小于10分钟，这样的时间设置能能够有效地缩短设备维护、检修、保养的时间，提高设备运行效率。
图1中自动上料装置301、401分别与第一台PECVD设备100的进片腔101、第二台PECVD设备200的进片腔201对接，用于完成对硅片上料工作；自动下料装置302、402分别与第一台PECVD设备100的出片腔102、第二台PECVD设备200的出片腔202对接，用于完成对硅片的下料工作；自动翻片装置601设置于相邻的第一台PECVD设备100与第二台PECVD设备200之间，用于翻转硅片。
第一台PECVD设备100与第二台PECVD设备200可实现I层P层或I层N层的覆膜，例如可使第一台PECVD设备中的反应腔103用于I层覆膜，反应腔104用于N层覆膜；可使第二台PECVD设备中的反应腔203用于I层覆膜，反应腔204用于P层覆膜，当然也可以有其他的覆膜安排。第一台PECVD设备100与第二台PECVD设备200的反应腔工艺温度范围为160-280℃。本发明中两台PECVD设备的结构并不做特殊要求，可以为U型，可以为簇式多边型，甚至可以为直列式，只要保证PECVD设备具有独立的真空进片腔和真空出片腔即可。
图2所示为第一套自动上料装置301的结构示意图，其承担了将硅片从花篮311搬运至进片腔101的任务，花篮311可以承载多片待处理硅片，例如承载100片156mm*156mm的硅片，所述第一套自动上料装置301包括了伸缩机构（图未示），用于将硅片从花篮311中取出放置在传输皮带312上，经皮带传输后送至进片腔101附近处，再由吸盘机械手313将硅片依次搬运至托盘上，然后进入进片腔101内。当承载硅片的托盘依次经过反应腔103、传输腔、反应腔104后，会再经过出片腔102，最后由第一套自动下料装置302搬出至第一台PECVD设备100外。上述过程为连贯过程，并不需特别留出硅片降温或者升温的时间。由于异质结太阳能电池工艺中反应腔覆膜温度一般为160-280℃，托盘传送过程中存在一定热量损失，所以当托盘从出片腔102取出时，托盘的温度范围高于80℃，如常见的为80-180℃。图3所示为第一套自动下料装置302的结构示意图，与图2中第一套自动上料装置301结构刚好相反，用于将硅片从出片腔102中搬出并放置在花篮312中，在这个过程中，吸盘机械手313首先将硅片从托盘中取出并放至传输皮带322上，再经皮带传输后被装入送至花篮321中。而取空后的托盘则被运回至第一套自动上料装置301处（可参见图1），以重复进行后续硅片的承载和运输工作。由于托盘传送过程中存在热量损失，所以当托盘在下一循环进入到进片腔101时的温度一般高于60℃，如常见的为70-90℃。需要说明的是，本申请对自动上料装置和自动下料装置的具体结构并不做限制，除了上述皮带传输、真空吸附的方式外，也可以采取其他的方式。
至此，花篮321中的硅片仅完成了一面的覆膜，例如已经完成I层和N层的覆膜，还需要进行另一面的I层和P层的覆膜，自动翻片装置601实现了将花篮321翻转的功能，图4为自动翻片装置601的工作示意图，可以看出，经过翻转，硅片501和510的位置发生颠倒，上下表面也随之改变，使得硅片在第二台PECVD设备200中能够进行另一面的镀膜。这种针对整个花篮进行翻面的设计，可以在某片或者某些片硅片出现破损故障时灵活检修，无需停止整个制程，而只要去除装有问题硅片的花篮即可，能起到较好的缓冲作用，不影响整个异质结太阳能电池的生产。
硅片被翻面后，第二套自动上料装置401会将硅片送入到第二台PECVD设备200中进行覆膜，然后由第二套自动下料装置421将其取出。这个过程与硅片在第一台PECVD设备100中的完全一致，前文已有详细记载，此处不再赘述。
本发明还提供了一种自动上下料及自动翻片系统的工作方法，该方法应用于制备双面的异质结太阳能电池过程中，图5示出了此工作方法的流程示意图，结合图1，所述方法包括以下步骤：
第一步，第一套自动上料装置301完成对第一台PECVD设备100进片腔101的硅片上料工作；
第二步，在所述第一台PECVD设备100的反应腔103、104内完成所述硅片一面的I层N层或者I层P层的非晶硅薄膜覆膜；
第三步，第一套自动下料装置302完成对所述第一台PECVD设备100出片腔102的硅片下料工作；
第四步，自动翻片装置601完成所述硅片的翻转工作；
第五步，第二套自动上料装置401完成对第二台PECVD设备200进片腔201的硅片上料工作；
第六步，在所述第二台PECVD设备200的反应腔203、204内完成所述硅片另一面的I层P层或者I层N层的非晶硅薄膜覆膜；
第七步，第二套自动下料装置402完成对所述第二台PECVD设备200出片腔202的硅片下料工作。
在此工作方法中，所述自动上下料及自动翻片系统应位于洁净度小于等于0.5微米颗粒物100级，氧气含量低于5%，相对湿度小于10%的氮气环境中。上述第二步中反应腔103、104和第六步中反应腔203、204的工艺温度范围为160-280℃。由于托盘传送过程中存在一定热量损失，所以在第三步中当托盘从出片腔102取出时，托盘及硅片的温度范围基本保持在80-180℃，在完成硅片下料之后，空托盘会被运回至自动上料装置301处以进行下一批硅片的承载和传输，当托盘再次进入进片腔101时的温度范围一般在60-160℃。同样的道理，在第五步自动上料装置401给硅片进行上料工作时，承载硅片托盘的温度范围也为60-160℃。
在本申请中，由于自动上下料及自动翻片系统是设置在低氧（低于5%）、低湿（相对湿度小于10%）、高洁净度（小于等于0.5微米颗粒物100级）的氮气房内，所以即使是硅片从出片腔取出时的温度为较高温度（80℃以上），也能够避免硅片与空气直接接触，克服了硅片高温遇到氧气、水汽被氧化及被杂质污染的一系列问题，同时，又由于硅片保持高温直接传输，使之节省了因温度变化而造成的时间浪费，所以可以大幅提高产能。
另外，由于异质结太阳能电池的I层非晶硅膜覆膜厚度一般小于10nm，对应的工艺时间很短（约10-60s），为了提高产能，必须使得电池其他步骤的耗时能够匹配工艺时间。于是，工业上会试图提高皮带的传输速度，然而，提高皮带传输速度会导致电池光电转换效率下降，为此，在优选方案中，可以传输皮带设计成多通道结构并降低其传输速度，例如可设计成1-10通道的皮带传输，使皮带在满足运载能力要求的同时克服了硅片与皮带因相对运动而产生的不良影响，极大地降低了制绒面损坏程度。需要指出的是，此时自动翻片装置的个数、载板机构的个数都应与皮带的通道个数保持一致。
虽然本法明已以较佳的实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本法明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种自动上下料及自动翻片系统，应用于两台含有独立的进片腔、出片腔以及反应腔的PECVD设备中，其特征在于：所述系统包括：
氮气房，用于提供洁净度小于等于0.5微米颗粒物100级、氧气含量低于5%、相对湿度小于10%的氮气环境；
两套自动上料装置，分别与所述两台PECVD设备的进片腔对接，用于完成对所述PECVD设备的硅片上料工作；
两套自动下料装置，分别与所述两台PECVD设备的出片腔对接，用于完成对所述PECVD设备的硅片下料工作；
自动翻片装置，设置于相邻的两台PECVD设备之间，用于完成所述硅片的翻转工作；
所述自动上料装置、自动下料装置、自动翻片装置均位于所述氮气房内；
所述PECVD设备用于制备双面的薄膜/晶硅异质结太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种自动上下料及自动翻片系统，其特征在于：所述PECVD设备的反应腔工艺温度为160-280℃。
3.根据权利要求2所述的一种自动上下料及自动翻片系统，其特征在于：所述自动上料装置进行硅片上料工作的温度高于60℃。
4.根据权利要求2所述的一种自动上下料及自动翻片系统，其特征在于：所述自动下料装置进行硅片下料工作的温度高于80℃。
5.根据权利要求4所述的一种自动上下料及自动翻片系统，其特征在于：所述氮气房从初始充氮气开始至达到所述氮气环境的时间小于15分钟，所述氮气房从排出氮气开始至达到氧气含量为20%的时间小于10分钟。
6.根据权利要求1所述的一种自动上下料及自动翻片系统，其特征在于：所述PECVD设备的硅片上料或者下料工作中含有皮带传输过程，所述皮带传输的通道数为1-10，所述自动翻片装置个数与所述皮带传输的通道数保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种自动上下料及自动翻片系统的工作方法，该方法应用于制备双面的薄膜/晶硅异质结太阳能电池过程中，其特征在于：所述自动上下料及自动翻片系统位于洁净度小于等于0.5微米颗粒物100级，氧气含量低于5%，相对湿度小于10%的氮气环境中，所述工作方法包括以下步骤：
第一步，第一套自动上料装置完成对第一台PECVD设备进片腔的硅片上料工作；
第二步，在所述第一台PECVD设备的反应腔内完成所述硅片一面的I层N层或者I层P层的非晶硅薄膜覆膜；
第三步，第一套自动下料装置完成对所述第一台PECVD设备出片腔的硅片下料工作；
第四步，自动翻片装置完成所述硅片的翻转工作；
第五步，第二套自动上料装置完成对第二台PECVD设备进片腔的硅片上料工作；
第六步，在所述第二台PECVD设备的反应腔内完成所述硅片另一面的I层P层或者I层N层的非晶硅薄膜覆膜；
第七步，第二套自动下料装置完成对所述第二台PECVD设备出片腔的硅片下料工作。
8.根据权利要求7所述的一种自动上下料及自动翻片系统的工作方法，其特征在于：所述第一台和第二台PECVD设备的反应腔工艺温度均为160-280℃，所述第一套和第二套自动上料装置进行硅片上料工作的温度均高于60℃，所述第一套和第二套自动下料装置进行硅片下料工作的温度均高于80℃。
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