CN110052702A - 双光路激光装置、电池片加工设备及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双光路激光装置、电池片加工设备及其控制方法，其中双光路激光装置包括激光器（1），所述激光器发射的激光束经过转轴振镜（8）择一反射到A光路或B光路中，并通过两条光路轮流射向两个加工平台；所述A光路和B光路结构相同、皆包括第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、扩束和整形器（4）、扫描振镜（5）和场镜（9）；所述激光束经第一和第二反射镜的反射、再经过扩束和整形器、扫描振镜和场镜射向加工平台；本专用一个激光器发出的激光束通过两条光路轮流射向两个加工平台，轮流加工位于两个加工平台上的晶圆，降低了整套设备的总成本，减少激光加工等待的时间，提升激光的使用率，增加激光设备产能至8000‑8500片每小时。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏行业中PERC/SE技术的电池片的加工设备，尤其涉及一种双光路激光装置、以及具有该激光装置的电池片加工设备及其控制方法。
背景技术
自20世纪70年代全球爆发石油危机以来，太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视，各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发，纷纷制定政策鼓励和支持太阳能光伏发电技术，光伏行业在全球迅速发展，除结晶硅太阳能电池、非结晶硅太阳能电池外，还出现了各种化合物半导体太阳能电池，以及由两种太阳能电池构成的层积型太阳能电池等新型太阳能电池。太阳能因其具有清洁性和可再生性，成为了替代传统能源的最佳方案之一。随着多年来的研究和技术开发，太阳能光伏组件价格已大幅下降，且太阳能转化效率也得以提高使得太阳能光伏发电的商业化开发与应用成为可能。
目前，光伏行业正在由粗放式向精细化发展的新阶段，由拼规模、拼速度、拼价格向拼质量、拼技术、拼效益转变的新阶段，由补贴依赖向逐渐实现平价转变的新阶段。天合光能董事长兼首席执行官高纪凡也指出，未来十年，我国的光伏行业应该追求高质量发展，用更少的资源投入，创造更高的价值。
种种迹象表明，随着“高质量”发展的推进，光伏产业前景可观。光伏行业纵然历经波折，但其规模在持续增长，应用范围在持续扩大，全球几乎任何一个地区都在使用，这说明光伏本身所具有的光明特质，使其在每一次的波折中都能不断发展和壮大。高效太阳能电池激光加工设备市场情况
光伏发电平价上网趋势明显，电价不断下降，将进一步加快光伏发电行业增长速度，光伏发电企业面临市场机遇；与此同时竞价上网带来光伏发电电费中标价格持续下降，行业竞争压力增大。在此背景下光伏发电企业需通过应用更加高效的电池组件等方式进一步降低发电成本； 光伏电池生产企业则针对性地推出 PERC 电池等高效太阳能电池产品，通过新建及改建原有产线等方式迅速扩张高效太阳能电池产能。具体情况如下：
1、高效太阳能电池技术能够显著提升电池发电效率
目前高效太阳能电池技术工艺主要包括 PERC、SE、MWT 等，上述三种工艺可以在同一产线上进行叠加，效率提升效果如下表所示：
2、高效太阳能电池技术可为光伏电站带来可观收益
以 PERC 工艺为例，在目前市场条件下，光伏电站应用 PERC 电池组件将较运用传统光伏电池组件产生较大收益， 可使度电成本降幅达到 0.01-0.02元的水平。2018 年 3 月最新公布的中标的领跑者光伏发电项目，中标企业全部都采用了 PERC 技术，上网电价为0.41-0.45 元/度，中位数为 0.43 元/度，体现了 PERC 技术的优势。
3、高效太阳能电池技术可为电池厂商带来可观收益
以 PERC 工艺为例，在目前市场环境下，将传统电池产线改造为 PERC电池产线收益可观， 1 年内即可收回设备投资，光伏电池厂商对 PERC 电池激光加工设备的需求由此快速增长。此外使用 PERC 等先进工艺有利于光伏电池生产企业提升产品性能， 增加入选“领跑者计划”的机会，有利于提升光伏电池生产企业的品牌价值。
4、高效太阳能电池技术市场规模测算
至2020年， 光伏电池产能将达到138吉瓦， PERC电池产能预计为73吉瓦左右，占比约53%。考虑新增PERC产能对应的激光设备包括PERC、裂片机等设备， 按照至2020年PERC电池的产能73吉瓦计算，相关激光加工设备市场总量将超过19亿元。 其它高效太阳能电池加工工艺也在培育发展中，包括MWT、 SE等， MWT、 SE工艺可与PERC工艺叠加，预计至2020年，MWT、 SE及其他激光加工设备市场总量将超过18亿元。
5、市场竞争格局
在高效太阳能电池激光加工设备行业，目前能够提供具有竞争力的高效太阳能电池激光加工设备仅有少数几家企业，包括德国罗芬、德国 InnoLas Solutions、武汉帝尔、常州雷射激光、苏州迈为、大族、友晁能源等，目前已经形成了以武汉帝尔为主的几家厂商的竞争格局。
设备是半导体技术之魂，我国光伏产业之所以能取得极其快速的发展，与设备的技术进步与国产化密不可分。2018年，我国PERC电池片生产能力进一步提升，生产线设备也逐渐被国产设备替代，生产工艺更加成熟。
在PERC技术生产已经成熟化后，性价比高的选择性发射电极(SE)技术也将成为光伏企业的首选，预计SE将稳定成长至2020年，占有50%以上PERC电池市场份额。
随着光伏产业的不断快速发展，各大太阳能电池片生产的厂商对于产能提升的需求也不断提高。2016年PERC激光设备的产能是4500片每小时，2017年底提升到5500片每小时，到2018年提升到6000片每小时，2019年初，武汉帝尔提供了产能6500片每小时，后期改造升级可提升至7500片每小时的离线设备机型。从行业的趋势来看，与PERC激光设备匹配的丝网印刷设备的产能也在不断提高，各大太阳能电池片生产的厂商对于激光设备产能的提升的需求也是越来越大。目前，丝网印刷设备双轨的产能已达到8000片每小时，而与丝网印刷设备匹配的激光在线/离线设备还未得到完全的匹配，制约着整体设备产能的提升。
太阳能电池片的生成过程中，有一道工序是将晶圆放到PERC激光设备中，用激光对晶圆进行加工。现有的加工方式是一个激光装置对应一个加工平台和一个上下料的流道，流道将晶圆逐片移入加工平台中进行激光加工，待加工后用未加工过的晶圆替换已加工过的晶圆。此种加工方式，激光设备在晶圆替换过程中要停止工作，导致整台设备产能不高，并且购置成本较高。
因此，如何提升激光设备的产能是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种双光路激光装置、以及具有该激光装置的电池片加工设备及其控制方法。
本发明采用的技术方案是设计一种双光路激光装置，包括激光器，所述激光器发射的激光束经过转轴振镜择一反射到A光路或B光路中，并通过两条光路轮流射向两个加工平台；所述A光路和B光路结构相同、皆包括第一反射镜、第二反射镜、扩束和整形器、扫描振镜和场镜；所述激光束经第一和第二反射镜的反射、再经过扩束和整形器、扫描振镜和场镜射向加工平台；工控机控制所述激光器、转轴振镜和扫描振镜工作。
本发明还设计了一种电池片加工设备，包括上述双光路激光装置，在双光路激光装置的下方分别设有A平台和B平台，以及用未加工的晶圆替换A平台上已加工的晶圆的A流道，用未加工的晶圆替换B平台上已加工的晶圆的B流道；所述双光路激光装置轮流加工位于A平台和B平台上的晶圆。
所述A平台和B平台下方分别设有定位相机模块，所述定位相机模块将晶圆位置信息发给所述工控机。
所述激光加工台采用透明材料。
所述A流道和B流道采用相同结构，皆包括依次衔接的上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带，所述晶圆可置于三段传输带上表面进行传输；加工位传输带安装在顶升装置上；加工位传输带在顶升装置的驱动下可上升至与上料侧传输带和下料侧传输带保持平齐、或下降没入所述A平台或B平台中。
所述A平台和B平台采用相同结构，皆包括避让所述加工位传输带的避让槽，平台上还分布多个真空吸孔，所述真空吸孔连接真空发生装置，当加工位传输带沉入所述避让槽中时，所述晶圆被搁置在平台上，所述真空吸孔可以吸住所述晶圆。
所述上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带这三段传输带都是由两条平行的皮带构成，所述晶圆放在皮带上进行传输；相应的所述避让槽亦包括两条平行的长槽，以避让所述皮带。
所述真空发生装置、上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带由可变程序控制器控制，可变程序控制器与所述工控机进行信号交互。
本发明还设计了一种上述电池片加工设备的控制方法：通过A流道用未加工的晶圆替换A平台上已加工的晶圆，通过B流道用未加工的晶圆替换B平台上已加工的晶圆；用双光路激光装置轮流加工位于A平台和B平台上的晶圆。
包括以下具体步骤：
第一步、A流道中的升降装置带动加工位传输带上升，上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带转动，用未加工的晶圆替换A平台上的已加工的晶圆，而后三条传输带皆停止转动，升降装置带动加工位传输带下沉将未加工的晶圆搁置在A平台上，真空吸孔吸住晶圆，A平台下方的定位相机模块拍摄晶圆位置；同时，转轴振镜偏转将激光束切换至B光路，扫描振镜根据晶圆位置引导激光束加工B平台上的晶圆；
第二步、B流道中的升降装置带动加工位传输带上升，上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带转动，用未加工的晶圆替换B平台上的已加工的晶圆，而后三条传输带皆停止转动，升降装置带动加工位传输带下沉将未加工的晶圆搁置在B平台上，真空吸孔吸住晶圆，B平台下方的定位相机模块拍摄晶圆位置；同时，转轴振镜偏转将激光束切换至A光路，扫描振镜根据晶圆位置引导激光束加工A平台上的晶圆。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本专用一个激光器发出的激光束通过两条光路轮流射向两个加工平台，轮流加工位于两个加工平台上的晶圆，降低了整套设备的总成本，节省了用未加工晶圆替换已加工晶圆的时间，减少激光加工等待的时间，提升激光的使用率，增加激光设备产能至8000-8500片每小时。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是双光路激光装置原理示意图；
图2是电池片加工设备原理示意图；
图3是本发明较佳实施例流道俯视图；
图4是本发明较佳实施例控制电路原理框图；
图5是本发明较佳实施例控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种双光路激光装置，参看图1示出的原理示意图，其包括一个激光器1，该激光器发射的激光束经过转轴振镜8择一反射到A光路或B光路中，并通过两条光路轮流射向两个加工平台；所述A光路和B光路结构相同、皆包括第一反射镜2、第二反射镜3、扩束和整形器4、扫描振镜5和场镜9；所述激光束经第一和第二反射镜的反射、再经过扩束和整形器、扫描振镜和场镜射向加工平台，轮流的加工位于加工平台上的电池片（也就是晶圆）。
工控机控制所述激光器、转轴振镜和扫描振镜工作。激光器在工控机的控制下产生激光束。转轴振镜在工控机的控制下转动，选择将激光束射向A光路或B光路。扫描振镜在工控机的控制下做振动，引导激光束进行加工。藉此结构，用一个激光器、两条光路可以对两处轮流进行加工，节约了激光器设置，节约了整机的生产成本。在本专利的较佳实施例中，该激光装置用于电池片的加工设备，应当了解到这是举例，双光路激光装置也可以使用到其他设备中。
本发明还公开了一种电池片加工设备，参看图2示出的电池片加工设备原理示意图，其包括上述双光路激光装置，在双光路激光装置的下方分别设有A平台6和B平台7，以及用未加工的晶圆替换A平台上已加工的晶圆的A流道，用未加工的晶圆替换B平台上已加工的晶圆的B流道；所述双光路激光装置轮流加工位于A平台和B平台上的晶圆。用未加工的晶圆替换已加工的晶圆需要上下料的时间，上下料的时间与激光加工一片晶圆的时间基本相当，这样双光路激光装置可以一直工作。相比现有技术中一个激光装置对应一个加工平台和一个上下料的流道，本发明可以节省一个激光装置，减少设备成本，减少激光加工等待的时间，提升激光的使用率，增加激光设备产能至8000-8500片每小时。
所述A平台6和B平台7下方分别设有定位相机模块10，所述定位相机模块将晶圆位置信息发给所述工控机，工控机获得晶圆的准确位置，可控制扫描振镜的晶圆进行精密加工。在一些实施例中，晶圆的尺寸要大于A平台（或B平台）的尺寸，故此定位相机模块虽然安装在平台的下方，也能拍摄晶圆，向工控机反馈晶圆的位置。在较佳实施例中，为更好的反映晶圆的位置，所述激光加工台采用透明材料。
参看图3示出的较佳实施例，所述A流道和B流道采用相同结构，皆包括依次衔接的上料侧传输带21、加工位传输带22和下料侧传输带23，所述晶圆可置于三段传输带上表面进行传输；加工位传输带安装在顶升装置24上；加工位传输带在顶升装置的驱动下可上升至与上料侧传输带和下料侧传输带保持平齐、或下降没入所述A平台6或B平台7中。
所述A平台6和B平台7采用相同结构，皆包括避让所述加工位传输带的避让槽，平台上还分布多个真空吸孔，所述真空吸孔连接真空发生装置，当加工位传输带沉入所述避让槽中时，所述晶圆被搁置在平台上，所述真空吸孔可以吸住所述晶圆。
所述上料侧传输带21、加工位传输带22和下料侧传输带23这三段传输带都是由两条平行的皮带20构成，所述晶圆放在皮带上进行传输；相应的所述避让槽亦包括两条平行的长槽，以避让所述皮带20。
参看图4示出的较佳实施例控制电路原理框图，所述真空发生装置、上料侧传输带21、加工位传输带22和下料侧传输带23由可变程序控制器控制（图中的PLC），可变程序控制器与所述工控机进行信号交互。通过两者的信号交互，整机协同控制形成一个整体。
本发明还公开了一种上述电池片加工设备的控制方法：通过A流道用未加工的晶圆替换A平台上已加工的晶圆，通过B流道用未加工的晶圆替换B平台上已加工的晶圆；用双光路激光装置轮流加工位于A平台和B平台上的晶圆。
参看图5示出的较佳实施例控制的流程图，所述电池片加工设备的控制方法包括以下具体步骤：
第一步、A流道中的升降装置带动加工位传输带上升，上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带转动，用未加工的晶圆替换A平台上的已加工的晶圆，而后三条传输带皆停止转动，升降装置带动加工位传输带下沉将未加工的晶圆搁置在A平台上，真空吸孔吸住晶圆，A平台下方的定位相机模块拍摄晶圆位置；同时，转轴振镜偏转将激光束切换至B光路，扫描振镜根据晶圆位置引导激光束加工B平台上的晶圆；
第二步、B流道中的升降装置带动加工位传输带上升，上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带转动，用未加工的晶圆替换B平台上的已加工的晶圆，而后三条传输带皆停止转动，升降装置带动加工位传输带下沉将未加工的晶圆搁置在B平台上，真空吸孔吸住晶圆，B平台下方的定位相机模块拍摄晶圆位置；同时，转轴振镜偏转将激光束切换至A光路，扫描振镜根据晶圆位置引导激光束加工A平台上的晶圆。
通过上述流程描述可知，在双光路激光装置下装配两个流道和两个加工平台，双流道传送晶圆至加工平台不是同步传送的。加工模式开始后，A流道运送晶圆至A平台，这时开始处于低位的加工位传输带在升降装置的工作下升高，使得加工位传输带与上料侧传输带和下料侧传输带平齐，已加工的晶圆从加工位传输带运送至下料侧传输带，升降装置下降，未加工的晶圆落在A平台上，A平台真空发生装置工作，吸附固定晶圆，定位相机模块拍照定位，然后双光路激光装置开始加工A平台上的晶圆。在激光加工A平台晶圆的同时，B流道中的加工位传输带在升降装置的工作上升，未加工的晶圆从上料侧传输带被传送至加工位传输带，升降装置下降，晶圆落在B平台上，吸真空，相机拍照，完成定位，在A平台上的晶圆激光加工完成后，激光在转轴振镜的调整下，激光由A光路偏转至B光路，激光转至B平台，激光器无需过多停止出光等待上下料耗时的时间差，光路偏转后就可以立刻对B平台上的晶圆进行加工，在同一时间，A平台破真空，升降装置上升，已加工晶圆从加工位传输带传送至下料侧传输带，然后晶圆由A流道传送出去。同时从上料侧传输带传送进来新的晶圆至加工位传输带，升降装置下降，未加工晶圆落在A平台上，随后完成固定，相机定位；B平台台面的晶圆加工完成后，激光转至A平台进行激光加工。B平台破真空，升降装置上升，已加工晶圆从加工位传输带传送至下料侧传输带，然后由B流道传送出去；同时传送新的晶圆从上料侧传输带传送至加工位传输带，升降装置下降，晶圆落至B平台，完成固定和相机定位，以此往复。
本发明中，激光加工晶圆的时间约为0.85秒，晶圆从传送至平台，固定和相机定位的时间也要达到0.85秒左右，因此控制流程中两个步骤交替循环，激光加工一直在进行，减少了激光加工的等待时间，大大的增加了激光的利用率，单片晶圆的加工时间也得到了大大缩减。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。
Claims (10)
1.一种双光路激光装置，包括激光器（1），其特征在于，所述激光器发射的激光束经过转轴振镜（8）择一反射到A光路或B光路中，并通过两条光路轮流射向两个加工平台；所述A光路和B光路结构相同、皆包括第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、扩束和整形器（4）、扫描振镜（5）和场镜（9）；所述激光束经第一和第二反射镜的反射、再经过扩束和整形器、扫描振镜和场镜射向加工平台；工控机控制所述激光器、转轴振镜和扫描振镜工作。
2.一种电池片加工设备，其特征在于，包括权利要求1所述的双光路激光装置，在双光路激光装置的下方分别设有A平台（6）和B平台（7），以及用未加工的晶圆替换A平台上已加工的晶圆的A流道，用未加工的晶圆替换B平台上已加工的晶圆的B流道；所述双光路激光装置轮流加工位于A平台和B平台上的晶圆。
3.如权利要求2所述的电池片加工设备，其特征在于，所述A平台（6）和B平台（7）下方分别设有定位相机模块（10），所述定位相机模块将晶圆位置信息发给所述工控机。
4.如权利要求3所述的电池片加工设备，其特征在于，所述激光加工台采用透明材料。
5.如权利要求2所述的电池片加工设备，其特征在于，所述A流道和B流道采用相同结构，皆包括依次衔接的上料侧传输带（21）、加工位传输带（22）和下料侧传输带（23），所述晶圆可置于三段传输带上表面进行传输；加工位传输带安装在顶升装置（24）上；加工位传输带在顶升装置的驱动下可上升至与上料侧传输带和下料侧传输带保持平齐、或下降没入所述A平台（6）或B平台（7）中。
6.如权利要求5所述的电池片加工设备，其特征在于，所述A平台（6）和B平台（7）采用相同结构，皆包括避让所述加工位传输带的避让槽，平台上还分布多个真空吸孔，所述真空吸孔连接真空发生装置，当加工位传输带沉入所述避让槽中时，所述晶圆被搁置在平台上，所述真空吸孔可以吸住所述晶圆。
7.如权利要求6所述的电池片加工设备，其特征在于，所述上料侧传输带（21）、加工位传输带（22）和下料侧传输带（23）这三段传输带都是由两条平行的皮带（20）构成，所述晶圆放在皮带上进行传输；相应的所述避让槽亦包括两条平行的长槽，以避让所述皮带（20）。
8.如权利要求6所述的电池片加工设备，其特征在于，所述真空发生装置、上料侧传输带（21）、加工位传输带（22）和下料侧传输带（23）由可变程序控制器控制，可变程序控制器与所述工控机进行信号交互。
9.一种权利要求2至8任一项所述电池片加工设备的控制方法，其特征在于，通过A流道用未加工的晶圆替换A平台上已加工的晶圆，通过B流道用未加工的晶圆替换B平台上已加工的晶圆；用双光路激光装置轮流加工位于A平台和B平台上的晶圆。
10.如权利要求9所述的电池片加工设备的控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
第一步、A流道中的升降装置带动加工位传输带上升，上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带转动，用未加工的晶圆替换A平台上的已加工的晶圆，而后三条传输带皆停止转动，升降装置带动加工位传输带下沉将未加工的晶圆搁置在A平台上，真空吸孔吸住晶圆，A平台下方的定位相机模块拍摄晶圆位置；同时，转轴振镜偏转将激光束切换至B光路，扫描振镜根据晶圆位置引导激光束加工B平台上的晶圆；
第二步、B流道中的升降装置带动加工位传输带上升，上料侧传输带、加工位传输带和下料侧传输带转动，用未加工的晶圆替换B平台上的已加工的晶圆，而后三条传输带皆停止转动，升降装置带动加工位传输带下沉将未加工的晶圆搁置在B平台上，真空吸孔吸住晶圆，B平台下方的定位相机模块拍摄晶圆位置；同时，转轴振镜偏转将激光束切换至A光路，扫描振镜根据晶圆位置引导激光束加工A平台上的晶圆。
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