CN201130670Y - 非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，涉及激光切割技术领域。所述刻划设备包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统、Y轴基座、工装、立柱和光路系统，工装安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，光路系统安装在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，还包括左CCD定位系统、右CCD定位系统、左切割头和右切割头，左切割头和右切割头都位于工装上方且都平行安装在X轴运动系统上，左CCD定位系统和右CCD定位系统分别固定安装在左切割头和右切割头上。本实用新型能够满足工艺要求且刻划精度高，提高了产品的稳定性，节约了成本。

Description

非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备

【技术领域】

本实用新型涉及激光切割技术领域，尤其涉及对非晶硅薄膜太阳能电池的非晶硅(a-Si)和/或后电极进行刻划的激光刻划设备。

【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。

如图1所示，这种非晶硅薄膜太阳能电池在基板1(玻璃)上共有三层：前电极2、非晶硅(a-Si)3和后电极4。非晶硅薄膜太阳能电池的激光刻划是根据这种非晶硅薄膜太阳能电池的制作工艺过程，分别在不同的工艺时段选用不同波长的激光设备进行刻划，非晶硅薄膜太阳能电池共有三层，所以需要进行三次刻划才能完成整个制作过程。按刻划非晶硅薄膜电池的工艺要求，刻划非晶硅电池薄膜，要求精确重复定位的机床、能量均匀的激光器，刻划线宽L1、L2、L3要细，且刻线直线性好、光滑清晰，刻线膜层两侧无粘连短路，为了使单片电池板上能发出较高的功率，L的距离需要尽可能的短。在现有技术中，使用传统的机械的方法或化学溶剂蚀刻很难实现这样的工艺要求，且化学溶剂蚀刻方式要增加污水处理设备，占用厂房面积大，成本高，对环境造成污染，不利环保。

【实用新型内容】

本实用新型要解决的技术问题是提供能够满足工艺要求且刻划精度高的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备。

本实用新型所采用的技术方案是：

非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统、Y轴基座、工装、立柱和光路系统，工装安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，光路系统安装在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，还包括左CCD定位系统、右CCD定位系统、左切割头和右切割头，左切割头和右切割头都位于工装上方且都平行安装在X轴运动系统上，左CCD定位系统和右CCD定位系统分别固定安装在左切割头和右切割头上。

所述光路系统包括激光器和将激光器发出的激光束分别引导到所述左切割头和右切割头的双路引导单元。

所述工装包括工装基板、至少三个分布安装在工装基板表面的不在同一直线上的点支撑柱，以及安装于基板上的用于定位非晶硅薄膜太阳能电池板的二维定位机构。

所述二维定位机构包括两个固定定位点、三个气缸定位点以及一个纠偏调节定位点，其中第一固定定位点和第一气缸定位点同线定位第一维方向，第一固定定位点固定在工装基板上，第一气缸定位点对应第一固定定位点沿第一维方向设置在工装基板上，余下一个固定定位点、纠偏调节定位点和两个气缸定位点定位第二维方向，第二固定定位点和纠偏调节定位点都固定在工装基板上，第二气缸定位点和第三气缸定位点分别对应第二固定定位点和纠偏调节定位点沿第二维方向设置在工装基板上。

所述激光器为波长是532nm的固体激光器。

所述X轴运动系统包括用于调节左切割头和右切割头间距的双头间距调节装置，所述右切割头安装在双头间距调节装置上。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型工作台采用天然大理石进行加工，变形量较小，确保工作台的稳定性；所有的工作轴均采用高精度丝杠和导轨传动，其中X轴运动系统还采用了光栅尺反馈补偿，从而保证了非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划的精度；该设备还采用双切割头刻划，且两个切割头的距离可以通过双头间距调节装置的小丝杆进行调节；由激光器发出的光经过分光镜分成两束光到达左切割头和右切割头，相对单个切割头的效率提高了一倍；在刻划非晶硅(a-Si)及后电极时，用固定在切割头上的CCD定位系统对上道工序激光刻划的线条L1进行检测，进而通过第三气缸定位点和纠偏调节定位点相配合对非晶硅薄膜太阳能电池板进行旋转，以实现纠偏功能，并且根据捕获的线条L1的数据自动偏移后再刻划第二道L2、第三道L3，且由于两个CCD定位系统固定在两个切割头上，可以在线时时监测刻划效果，从而保证了在刻划非晶硅薄膜太阳能电池板非晶硅(a-Si)、后电极时的平行度及L1、L2、L3间距的一致性、稳定性，增加了有效面积的利用，提高了单片太阳能电池板的输出功率。且激光刻划是干刻方式，无需化学溶剂，所以无需水处理设备，占用厂房面积小，成本较低，对环境无污染，有利环保；通过利用激光进行精密刻划，提高了产品的稳定性，节约了成本，增加了效益。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1是非晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图。

图2是本实用新型的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备的正面视图。

图3是本实用新型的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备的侧截面视图。

图4是本实用新型中工装的结构示意图(一)。

图5是本实用新型中工装的结构示意图(二)。

图6是本实用新型的光路平面图。

图7是本实用新型的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备的控制柜视图。

【具体实施方式】

本实用新型的刻划设备用于对非晶硅薄膜太阳能电池的非晶硅(a-Si)和/或后电极进行刻划，如图1所示的L2、L3部分，即在完成第一道刻划L1之后再使用本实用新型的刻划设备。

如图2至图7所示，本实用新型的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，包括X轴运动系统15、X轴基座10、Y轴运动系统7、Y轴基座5、工装8、立柱14和光路系统16，工装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5上，光路系统16安装在X轴运动系统15上，X轴运动系统15安装在X轴机座10上，X轴机座10通过安装于Y轴机座5的立柱14横跨安装于Y轴机座5上方，还包括左CCD定位系统11、右CCD定位系统11’、左切割头9和右切割头9’，左切割头9和右切割头9’都位于工装8上方且都平行安装在X轴运动系统15上，左CCD定位系统11和右CCD定位系统11’分别固定安装在左切割头9和右切割头9’上。其中，光路系统16包括激光器17和将激光器17发出的激光束分别引导到所述左切割头9和右切割头9’的双路引导单元，光路系统16采用分光结构，激光器17发出的光通过偏振镜片29，由分光镜30分出两束能量均匀的激光，其中一束激光经第一光束模式整形器32后，进入第一扩束镜33扩束，再经过第一45度全反射镜片40反射，导引到另一片相对反射镜片间距可调的45度全反射镜片34后，到达右切割头9’，并由右切割头9’聚焦到非晶硅薄膜太阳能电池板的膜层表面，另一束激光经过第二45度全反射镜片37反射90度后，经第二光束模式整形器38整形后，进入第二扩束镜39扩束，再由第三45度全反射镜片41反射 90度后，导引到左切割头9，并由左切割头9聚焦到非晶硅薄膜太阳能电池板的膜层表面，实现双头切割，效率提高一倍。整个激光器由Q-开关控制，当刻划X方向线条时，振镜31遮挡掉通往右切割头9’的光路，只用左切割头刻划；其中左切割头9固定在X轴运动系统15的光路底板13上，成为固定不动的切割头9，所述X轴运动系统15包括用于调节左切割头9和右切割头9’间距的双头间距调节装置18，所述右切割头9’安装在双头间距调节装置18上，右切割头9’相对左切割头9通过双头间距调节装置18进行自动调节，双头间距调节装置18由伺服电机带动，使用精密丝杆传动，加光栅尺全闭环控制系统实时反馈补偿，调节方便。

本实用新型中的激光器为波长是532nm的固体激光器。

本实用新型的刻划机采用龙门式结构，Y轴机座5、立柱14、X轴机座10，都是采用优质天然大理石。Y轴运动系统7沿Y方向运动，即为划线方向，X轴运动系统带动左切割头9和右切割头9’沿X轴方向运动，即为进给运动；在本实施例中，Y轴运动系统7采用伺服电机带动，由大导程、高扭矩丝杆传动；X轴运动系统15由伺服电机带动，使用高精密丝杆副传动，加光栅尺全闭环控制系统实时反馈补偿。

本实用新型中的工装8包括工装基板、至少三个分布安装在工装基板表面的不在同一直线上的点支撑柱20，以及安装于基板8上的用于定位非晶硅薄膜太阳能电池板的二维定位机构。

所述二维定位机构包括两个固定定位点、三个气缸定位点以及一个纠偏调节定位点，其中第一固定定位点2201和第一气缸定位点1901同线定位第一维方向，第一固定定位点2201固定在工装基板上，第一气缸定位点1901对应第一固定定位点2201沿第一维方向设置在工装基板上，余下一个固定定位点、纠偏调节定位点和两个气缸定位点定位第二维方向，，第二固定定位点2202和纠偏调节定位点2203都固定在工装基板上，第二气缸定位点1902和第三气缸定位点1903分别对应第二固定定位点2202和纠偏调节定位点2203沿第二维方向设置在工装基板上。其中，两个固定定位点为两个定位轮。

在本实用新型中，非晶硅薄膜太阳能电池基板采用点支撑，点支撑柱20与非晶硅薄膜太阳能电池板点接触，避免了刻划的线出现短路，且点支撑柱20高度可调。

为了消除非晶硅薄膜太阳能电池板的定位误差，该工装中的纠偏调节定位点2203和第三气缸定位点1903相配合实现自动纠偏功能，纠偏调节定位点2203由伺服电机带动，使用精密丝杆传动，当CCD定位系统监视出非晶硅薄膜太阳能电池板上道工序已经刻划好的线与Y轴运动系统不平行，就可以将非晶硅薄膜太阳能电池板旋转一定角度自动进行纠正，提高了刻划精度及工作效率。

在刻划机中，左CCD定位系统11和右CCD定位系统11’分别固定在左切割头9和右切割头9’上，CCD定位系统通过图象数据采集卡把捕获的信息反映在显示器25上，来精确定位使用532nm激光划线的第二道和第三道膜层线路，确保与使用1064nm激光划线的第一道膜层线路偏移的距离，保证了第二道和第三道膜层刻线的精度。

在本实用新型中，所有轴的电机驱动器、控制卡、其他电器元件、气路元件安装在电气柜6中，布局紧凑合理；键盘鼠标抽屉26、显示器25、运动控制系统27，激光发生器控制箱28安装在控制柜24中，通过线缆波纹套管与电气柜6控制器件连接。

该非晶硅薄膜太阳能电池成套设备，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28、激光器17、X轴运动系统15、Y轴运动系统7、双头间距调节装置18的工作速度、图形刻线长度、调节位置进行有效协调及联动控制。

另外，在工装8上安装有非晶硅薄膜太阳能电池参数检测组件36，可随时检测产品参数的变化，以监测非晶硅薄膜太阳能电池参数，保证产品质量的一致性。

在上述实施例中，仅对本实用新型进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本实用新型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 (6)

1.非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，包括X轴运动系统、X轴基座、Y轴运动系统、Y轴基座、工装、立柱和光路系统，工装安装在Y轴运动系统上，Y轴运动系统安装在Y轴基座上，光路系统安装在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V轴机座上方，其特征在于：

还包括左CCD定位系统、右CCD定位系统、左切割头和右切割头，左切割头和右切割头都位于工装上方且都平行安装在X轴运动系统上，左CCD定位系统和右CCD定位系统分别固定安装在左切割头和右切割头上。

2.根据权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，其特征在于：所述光路系统包括激光器和将激光器发出的激光束分别引导到所述左切割头和右切割头的双路引导单元。

3.根据权利要求1或2所述的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，其特征在于：所述工装包括工装基板、至少三个分布安装在工装基板表面的不在同一直线上的点支撑柱，以及安装于基板上的用于定位非晶硅薄膜太阳能电池板的二维定位机构。

4.根据权利要求3所述的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，其特征在于：所述二维定位机构包括两个固定定位点、三个气缸定位点以及一个纠偏调节定位点，其中第一固定定位点和第一气缸定位点同线定位第一维方向，第一固定定位点固定在工装基板上，第一气缸定位点对应第一固定定位点沿第一维方向设置在工装基板上，余下一个固定定位点、纠偏调节定位点和两个气缸定位点定位第二维方向，第二固定定位点和纠偏调节定位点都固定在工装基板上，第二气缸定位点和第三气缸定位点分别对应第二固定定位点和纠偏调节定位点沿第二维方向设置在工装基板上。

5、根据权利要求2所述的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，其特征在于：所述激光器为波长是532nm的固体激光器。

6、根据权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池激光刻划设备，其特征在于：所述X轴运动系统包括用于调节左切割头和右切割头间距的双头间距调节装置，所述右切割头安装在双头间距调节装置上。

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