作者 | 徐　兵 1*，李　燕 2

單位 | 1 江蘇科技大學 2 浙江大學昆山創新中心

　　在光伏組件生產(chan) 過程中，由於(yu) 晶體(ti) 矽或非晶矽太陽電池的內(nei) 阻較大，因此需要采用電路並聯的方式來降低光伏組件的內(nei) 阻，此時需要將太陽電池劃裂成多個(ge) 小片，然後焊接成太陽電池串，由此可拚接成任意尺寸的光伏組件，且該方式的通用性好。光伏組件的生產(chan) 工藝流程如圖 1 所示。

在劃裂太陽電池時，一般采用激光劃裂的方式。以太陽電池的激光劃裂技術為(wei) 基礎，可以生產(chan) 出不同尺寸、種類繁多的光伏組件產(chan) 品，例如：半片光伏組件、尺寸為(wei)  210 mm 的太陽電池三分片光伏組件、多片疊瓦光伏組件、板塊互聯光伏組件、無縫焊接多主柵光伏組件等。由此可知，太陽電池的激光劃裂技術已成為(wei) 光伏組件產(chan) 品迭代升級不可或缺的工藝環節。

常規的太陽電池激光劃裂技術原理圖如圖 2所示。常規技術是以電子放電作為(wei) 供給能源，通過 He、N2、CO2 等混合氣體(ti) 作為(wei) 激發激光發射器發射激光的媒介，利用激光振鏡聚焦激光以形成激光光束，並通過改變激光光束的路徑使其照射到太陽電池上，此時激光光束的光能轉換為(wei) 熱能，且其產(chan) 生的熱量大幅超過被太陽電池反射、傳(chuan) 導或擴散的那部分熱量，導致太陽電池中被照射位置的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，從(cong) 而使該位置被刺穿並形成小孔；由於(yu) 激光光束與(yu) 太陽電池是沿一定的相對線性軌跡移動，使這些小孔連起來形成切縫，從(cong) 而在太陽電池上形成切割道，然後沿此切割道對太陽電池進行掰片。

　　由於(yu) 沿著切割道對太陽電池掰片時，利用的是外界力，因此在太陽電池切割道處會(hui) 有明顯的毛刺，如圖 3 所示。

　　隨著太陽電池之間超小間距、大尺寸矽片和超低溫太陽電池等工藝的出現，常規的太陽電池激光劃裂技術已無法滿足光伏組件高質量的需求。因此，無損傷(shang) 激光劃裂機因需而生，且正推向太陽電池的主流市場，可解決(jue) 常規激光劃裂設備不可避免地給太陽電池造成熱損傷(shang) 的問題。

1 無損傷(shang) 激光劃裂技術的原理

　　無損傷(shang) 激光劃裂技術主要是利用激光誘發的熱應力來控製太陽電池斷裂的技術。該技術利用激光對太陽電池進行局部快速加熱，通常是使用近紅外頻率的激光光束。由於(yu) 激光器功率和激光光斑尺寸與(yu) 激光熱裂速度相關(guan) ，若從(cong) 經濟效益的角度考慮，一般使用功率為(wei)  500 W 的激光器對太陽電池進行快速激光熱裂，激光熱裂速度設置在 400～500 mm/s，當激光光斑直徑小於(yu)  1mm 時，激光光斑內(nei) 部溫度一般不會(hui) 超過 200 ℃。由於(yu) 無損傷(shang) 激光劃裂技術會(hui) 配備以純淨水作為(wei) 冷卻介質且可精確微調的噴水冷卻裝置對太陽電池進行局部冷卻，因此此時會(hui) 在太陽電池表麵產(chan) 生一個(ge) 不均勻的溫度場，該溫度場會(hui) 使太陽電池表麵形成溫度梯度，從(cong) 而誘發產(chan) 生熱應力。當激光光斑處於(yu) 壓應力狀態，而激光光斑的斑點在太陽電池正麵和背麵處於(yu) 拉應力狀態時，由於(yu) 太陽電池是脆性材料，其抗壓剛度遠大於(yu) 抗拉強度，當熱應力達到太陽電池的斷裂強度時，太陽電池會(hui) 發生斷裂，且斷裂會(hui) 隨著激光光斑及後續冷卻裝置的移動軌道而穩定擴展；但無損傷(shang) 激光劃裂技術的前提是先要在太陽電池邊緣加工一個(ge) 超小槽口，如圖 4 所示，然後斷裂會(hui) 從(cong) 槽口開始並穩定擴張。

　　采用無損傷(shang) 激光劃裂技術時，太陽電池斷裂麵幾乎無毛刺與(yu) 熱損傷(shang) ，如圖 5 所示。

2 全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機的總體(ti) 設計

　　基於(yu) 無損傷(shang) 激光劃裂技術，本文設計了一套全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機。

　　通過對市場上相關(guan) 設備的參數進行研究，將本文所設計的全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機的技術要求設定為(wei) ：1) 實現對現今市場上常見的不同規格的太陽電池的上料、檢測、激光熱裂加工、下料；2) 產(chan) 能達到 3000 片 /h，激光熱裂精度達到±0.05 mm。

　　全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機主要由上料輸送係統、太陽電池四爪旋轉上料裝置、太陽電池旋轉上料裝置，視覺檢測係統、激光開槽模塊、激光熱裂工位模塊、旋轉下料 ( 分片 ) 機構、烘幹輸送裝置、光學檢測輸送係統、旋轉下料裝置、設備機架和設備控製係統等組。成全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機的總體(ti) 結構布局如圖6所示。

該設備的上料輸送係統由料盒皮帶輸送線、風刀裝置、頂料裝置及料盒定位機構等組成，可實現太陽電池的自動上料功能；為(wei) 了減少設備運行時因機械振動導致的誤差，設備機架采用減振措施；設備控製係統可實現對太陽電池的自動上下料、激光槽口切割、激光熱裂、視覺識別處理和太陽電池烘幹等過程的控製。

全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機的整體(ti) 操作流程如圖 7 所示。

該設備的整體(ti) 操作流程為(wei) ：裝滿太陽電池的料盒經料盒皮帶輸送線傳(chuan) 遞到太陽電池頂料裝置所在位置時，料盒定位機構開始動作，料盒皮帶輸送線停止動作，頂料裝置開始動作並頂起料盒中的太陽電池；太陽電池四爪旋轉上料裝置開始動作，並將吸取的太陽電池向下放置在視覺檢測係統的定位平台上，由視覺檢測係統判斷太陽電池是否完好，檢測合格的太陽電池由太陽電池四爪旋轉上料裝置吸取，並向下放置在直驅 (DD)馬達四工位旋轉裝置的上料位置處；當太陽電池被判斷為(wei) “不合格”(即“NG”) 時，由太陽電池四爪旋轉上料裝置將 NG 太陽電池放進 NG 料盒中；判斷為(wei) “合格”的太陽電池由視覺檢測係統獲取其姿態坐標參數，然後激光發射器發射激光，經過激光振鏡後切割出太陽電池兩(liang) 側(ce) 的豁口；DD 馬達四工位旋轉裝置將已豁口的太陽電池旋轉至激光熱裂工位模塊，激光發射器發射激光照射在太陽電池表麵，形成溫度梯度，從(cong) 而誘發產(chan) 生熱應力，太陽電池沿豁口裂開；裂開的太陽電池可能會(hui) 因為(wei) 殘留冷卻水而需要進行烘幹輸送，通過加熱來蒸發太陽電池表麵的殘留水分；將烘幹好的太陽電池輸送至下料區，旋轉下料裝置將太陽電池放置在下料盒中。

2.1 設備的硬件設計

2.1.1 太陽電池四爪旋轉上料裝置的設計

　　太陽電池四爪旋轉上料裝置用於(yu) 吸取料盒皮帶輸送線上被太陽電池頂料裝置頂起的太陽電池，並放置在下一道工序的位置，其 3D 模型圖如圖 8 所示。

　　太陽電池四爪旋轉上料裝置由伺服電機、電缸、中空旋轉平台、旋轉四工位吸盤機構組成，其中，伺服電機、電缸及中空旋轉平台為(wei) 其驅動裝置；該上料裝置通過可編程邏輯控製器 (PLC) 進行控製，PLC 通信模塊會(hui) 將各個(ge) 驅動裝置的位置信息反饋給工控機，從(cong) 而實現太陽電池的全自動上料。

2.1.2 激光熱裂工位模塊的設計

　　激光熱裂工位模塊的 3D 模型圖如圖 9 所示，其由視覺檢測係統、激光器、冷卻裝置和標準型絲(si) 杆滑台模組工作平台組成。

　　激光熱裂工位模塊可實現太陽電池圖像信息的采集，能計算生成激光熱裂軌跡，絲(si) 杆滑台模組可通過不同的伺服運動實現激光熱裂軌跡的切換，從(cong) 而精確完成太陽電池連續的激光熱裂加工。標準型絲(si) 杆滑台模組工作平台的伺服運動由 PLC進行控製，PLC 通信模塊將該模組工作平台的位置信息反饋給工控機，從(cong) 而實現太陽電池的激光熱裂。

2.1.3 烘幹輸送裝置的設計

　　烘幹輸送裝置的 3D 模型圖如圖 10 所示，其由耐高溫皮帶、減速機、伺服電機、真空加熱板、加熱棒、熱電偶等組成。

　　通過 PID 控製器 ( 其可按偏差比例 P、積分I 和微分 D 進行控製 ) 可實現烘幹輸送裝置溫度的區域性控製，可滿足不同規格太陽電池殘留水分的烘幹需求。伺服電機是烘幹輸送裝置的驅動裝置，通過 PLC 進行控製，PLC 通信模塊會(hui) 將太陽電池的位置信息反饋給工控機，從(cong) 而實現太陽電池的烘幹。

2.2 設備的軟件設計

2.2.1 視覺檢測係統的設計

　　視覺檢測係統是通過電荷耦合器件 (CCD)相機采集待加工的太陽電池的完整圖像信息，經過相應的圖像算法對采集的太陽電池圖像信息進行濾波降噪、太陽電池位姿檢測與(yu) 定位，然後經設備軟件計算後生成程序，通過 PLC 控製激光熱裂工位模塊的伺服運動，以及通過控製激光振鏡來控製激光切割太陽電池豁口，從(cong) 而完成太陽電池的激光切豁口與(yu) 激光熱裂加工。視覺檢測係統的檢測原理如圖 11 所示。

2.2.2 控製係統的設計方案

　　全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機的控製 係統采用“工控機 + 運動控製器+PLC”的控製 架構，並采用模塊化設計。控製係統由主控單元、 伺服控製單元、PLC 通信模塊等模塊組成，其 框架圖如圖 12 所示。

　　1) 主控單元主要由人機界麵和工控機組成，可實現設備工作過程的可視化，能顯示設備動態過程中的參數，方便操作人員操作設備；通過存儲(chu) 和下載相應程序與(yu) 參數，能方便對各種規格的太陽電池進行加工與(yu) 切換。工控機通過以太網與(yu) 視覺檢測係統通信，實現 CCD 相機對待檢測工位上太陽電池圖像信息的實時采集；同時，與(yu) 激光發射器、運動控製器的通信可實現對激光功率、頻率等參數的控製。

　　2) 伺服控製單元由伺服電機與(yu) 伺服驅動器組成，激光熱裂工位模塊中標準型絲(si) 杆滑台模組工作平台的運動采用“伺服電機控製 + 光電傳(chuan) 感器反饋”的方式形成半閉環式位置伺服控製。采用位置伺服控製，通過建立標準型絲(si) 杆滑台模組工作平台，完成激光熱裂工位的快速切換。

　　3) 通過 PLC 通信模塊實現與(yu) 工控機的實時通信，通過 PLC 通信模塊的輸入 /輸出信號模塊實現其與(yu) 外部器件的 I/O 邏輯控製，如氣缸磁性開關(guan) 、運動模塊接近開關(guan) 等傳(chuan) 感器信號的接收，以及氣動係統中電磁閥、真空一體(ti) 閥等的控製，也可實現對設備工作過程的控製和設備運行狀態的監測。

3 無損傷(shang) 激光劃裂技術的瓶頸

　　由於(yu) 無損傷(shang) 激光劃裂技術是近幾年才興(xing) 起的技術，尚未成熟，還存在一些技術瓶頸，比如激光劃裂不到位、裂片產(chan) 能不高等。造成以上情況的原因包括：設備配套的冷卻裝置一般是以冷卻水噴灑到太陽電池加熱區域附近，產(chan) 生的溫度梯度有時不明顯，導致太陽電池裂片不到位；冷卻水殘留在太陽電池表麵，需要進行相應的加熱來蒸發殘留的冷卻水，耗時較多，會(hui) 影響太陽電池裂片的產(chan) 能。

4 結論

　　本文針對無損傷(shang) 激光劃裂技術，設計了一套全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機。該設備通過視覺檢測係統獲取太陽電池的切割路徑，然後通過工控機、運動控製器和 PLC 通信模塊，實現太陽電池的自動上下料、DD 馬達四工位旋轉裝置的旋轉、太陽電池激光豁口切割及激光熱裂等功能。由於(yu) 無損傷(shang) 激光劃裂技術相對於(yu) 常規激光劃裂技術而言，具有較多技術優(you) 勢，無損傷(shang) 激光技術將成為(wei) 劃裂太陽電池的發展趨勢，在不久的將來該技術將主導太陽電池劃裂市場。隨著無損傷(shang) 激光劃裂技術的成熟，全自動太陽電池無損傷(shang) 激光劃裂機將在未來廣泛應用於(yu) 光伏產(chan) 業(ye) 。