PSG上料自動化產能分析與設計優化

折 飛，朱江江，張建麗，陳嘉榮

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

隨著傳統能源的日益枯竭和全球環境污染加劇，我國提出碳中和計劃，即二氧化碳排放力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。為實現這一目標，以太陽能光伏發電、風力發電為代表的新能源行業正在引起高度關注。在雙碳大背景下，光伏、風能、氫能等新能源作為清潔能源的代表，是賦予其節能、減碳的綠色標簽。在光伏行業發展道路上，電池片始終如一占據著光伏發展的核心地位，電池技術的發展代表著光伏技術的迭代更新，光伏技術的迭代離不開核心設備的更新。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應將太陽能轉化為電能的一種技術，其核心是光伏電池制造工藝[1]。隨著光伏行業的發展，光伏自動化設備發展逐步成熟完善，競爭日趨激烈，如何提升設備競爭力，尤其是提高設備產能，成為行業內研究的重點。

1 結構分析

PSG工藝是太陽能電池制作中非常重要的一道工序，PSG是指硅片表面的磷硅玻璃，PSG的上一道工序是擴散工藝，在擴散過程中會通入氧氣，在硅片表面形成一層氧化硅，在高溫下POCl3與O2形成P2O5，部分磷原子進入后，取代部分晶格上的硅原子形成N型半導體，部分則留在氧化硅中形成PSG。磷硅玻璃的存在使得硅片在空氣中表面容易受潮，導致電流的降低和功率的衰減，降低電池的轉換效率。

氧化后的硅片被裝在100片的料盒中，通過智能AGV小車運送到PSG工藝段，并與料盒循環組件對接后將滿料盒的硅片傳入PSG上料機，通過料盒循環組件進入升降工作位，1臺上料設備共有4個工作位，伸縮手將料盒中的硅片依次傳出，雙向出片在橫向組件上排成10片，通過氣缸升降動作將硅片傳送方向由橫向改為縱向，流入工藝機臺。PSG上料機結構及硅片運動方向如圖1所示。PSG上料流程動作分解，共有3個周期，即：橫向5道排片時間、升降出片時間和縱向傳送時間。通過計算每個周期所用的時間，得出該周期的理論產能，通過比較三個周期產能大小，可以知道3個動作流程周期中的最小產能為最終設備產能。

圖1 PSG上料機結構及硅片運動方向

1.1 橫傳排片

橫向傳送組件的作用是通過氣缸升降動作，將硅片的傳送方向由橫向變為縱向。當氣缸在上位時，橫向傳送組件跟側傳組件在同一水平高度，硅片由側傳組件傳送到橫向傳送組件，并通過傳感器進行重新排距。每一個周期內，有5張硅片各走一個步進距離，等全部排好后，氣缸向下動作，硅片落到縱向傳送皮帶上，通過皮帶運動將硅片輸送至工藝機臺。橫向傳送組件由步進電機、升降氣缸、直線軸承、平皮帶等零件組成，如圖2所示。

圖2 橫向傳送組件

橫向排片時間為5張硅片排片時間+該排硅片縱向傳出一個硅片距離時間+橫向氣缸升降動作時間。橫向排片間隔（L1）取250 mm，主動輪直徑D=30 mm，電機加速度a=60 r2/s，速度V=6 r/s。

硅片速度從0加速到最大速度所用的時間為t1，則：t1=V/a=0.1 s

勻速時間t2=S2/V≈0.342 s，硅片走一步所用時間為：

取橫向氣缸一個動作為t3=0.2 s，硅片縱向傳出250 mm后氣缸抬起。

橫向排片總時間T=5t+2×0.2+t=3.652 s。

根據求得的時間T可知，橫向排好5張硅片所需要的時間是3.652 s，而PSG上料設備一共有4個橫傳組件，由此可以得出該周期最大產能n=

1.2 升降出片

升降組件是PSG上料設備的工作位，其作用是將裝在料盒里的硅片通過皮帶將其傳出，并傳送至工藝機臺。升降組件的工作原理是通過伺服電機驅動，絲杠、導軌等運動部件，實現料盒的上下運動。升降組件的運動流程是先將料盒移動至第一片的位置，通過皮帶運動將硅片取出，裝在升降組件上的漫反射傳感器檢測到硅片傳出來后，升降組件通過伺服驅動，向下移動一個料盒齒的距離，第二張硅片就被放在了皮帶上，依次重復，直到料盒里的100張硅片全部傳出。升降組件由伺服電機、聯軸器、絲杠、模組、同步帶等組成。

該周期為硅片從升降中傳出，假設出片距離為400 mm，仍然取加速度a=60r2/s，速度V=6 r/s，L1=400 mm≈4.25 r。

根據求橫向傳送周期中，硅片傳一步所需要的時間t的公式t2+2t1，可以求得硅片傳一步需要時間0.81 s，升降動作0.15 s，所以一片所需時間為0.96 s，100片所需時間96 s，加上換籃18 s總共需要T=114 s。

根據求得的時間T可知，升降組件將料盒里的100張硅片全部傳出，并且將空料盒傳送到循環組件，將滿料盒傳進從循環組件傳送到升降組件所需要的時間是114 s，因為1臺設備有4個升降組件，由此可計算出產能為：

1.3 縱向傳送組件

縱向傳送組件是通過交流步進電機驅動皮帶輪轉動，將橫向排好的5張硅片傳送到工藝機。當橫向傳送組件排好硅片以后，通過氣缸向下的動作，硅片落到縱向傳送組件上。縱向傳送組件先是將硅片快速傳送到工藝機交接口，然后再進行慢速對接，直到硅片完全傳送進工藝機臺。

該周期分為兩個階段，第一階段是快速傳送到工藝機對接口，速度V1=10 r/s，加速度a=60 r2/s，行程S1=900 mm，第二階段是跟工藝機對接，行程S2=200 mm，速度為V2=3.8 m/min=0.67 r/s。

按照上述方法，計算出第一階段所用時間T1=1.11 s，第二階段所用時間T2=3.16 s，總共用時約4.27 s。

根據上述所得可知，縱向傳送組件將硅片完全傳送至工藝機所需的時間是4.27 s，PSG上料設備一共有2個縱向傳送組件，由此可以得出該周期產能為：

由3個周期分別求得的產能數據可知，3個周期中縱向傳送部分產能最低，嚴重影響了設備的性能指標，是該設備的瓶頸所在，而縱向傳送所用的時間中，第二階段雖然距離較短，但是時間卻占比很高，浪費了大量的時間。如果能夠通過改進縱向傳送組件，優化送片流程，縮短縱向傳送的時間，設備產能將會大幅提高，因此，我們將縱向傳送組件重新進行了設計優化。

2 改進后的結構分析

因為改進前的縱向傳送組件是由一段電機驅動，硅片在傳送至工藝機對接處時必須與工藝機保持一致的速度，而在對接傳送的這段時間內，橫傳組件上排好的硅片只能等交接口的硅片完全上了工藝機，才能進行下一步動作。因此考慮將縱向傳送組件拆分成兩段皮帶傳送。當橫傳上的硅片排好時，硅片迅速被傳送到第二段皮帶，然后第二段皮帶將硅片慢速傳送到工藝機，而第一段皮帶此時可以傳送橫向傳送組件上再次排好的硅片，不會因為硅片沒有進入工藝機而等待。這樣硅片在與工藝機對接時，不會影響橫向排好的硅片縱向傳輸。改進前后的縱向傳送組件如圖3、圖4所示。

圖3 改進前

圖4 改進后

由改進后的結構可知，當交接口有硅片正在傳送時，橫傳的硅片可以傳送至等待位，等交接口的硅片完全進入工藝機后，等待位的硅片迅速傳送到下一段皮帶，再進行慢速傳送。所以，改進后的結構在計算產能周期時，只有第一階段所用的時間。當硅片無需在等待位停留，直接傳送到第二段皮帶，這種狀態下設備達到最高產能。因此，計算改進后縱向傳送周期為T=1.04 s，產能為：

通過計算可以看出，改進后縱向傳送周期大幅縮短，該過程的最大產能可以達到34 615片/h，遠大于前兩個周期的最大產能。由此可見，該過程已經不是限制整個設備產能的主要環節。

3 改進前后設備產能對比

由改進后縱向傳送的產能數據可知，優化后的縱向傳送組件已經不是設備產能的瓶頸所在，升降出片成為設備新的產能瓶頸。因此，該設備的最終產能為12 631片/h，改進后較改進前的產能大幅提升了約49.8%。改進后的設備在某光伏企業得到應用，實際量產產能在12 000片/h左右，減去故障停機時間，與理論產能數據基本吻合，理論得到實際驗證。實際生產現場改進后的設備照片如圖5所示。

圖5 改進后的設備實物照片

4 結 論

時間就是金錢，效率就是生命。隨著光伏行業發展，自動化設備競爭日益激烈，目前光伏行業設備已經全部實現國產化，而且各設備廠家都在想辦法優化結構，提高產能，提升設備性能指標。如何提高設備穩定性，降低碎片率，提高設備產能，成為設備廠家苦心鉆研的重點。通過將光伏行業PSG上料設備運行流程進行拆分，分析并計算出各個環節運行一個周期所用的時間，計算出各個環節的極限產能，找到了制約設備產能的瓶頸所在，并對其進行了設計優化，改進后的設備產能大幅提升，在單位時間內創造了更大的效益，降低了太陽能電池的生產成本，提高了該設備在行業內的競爭力，推動行業向前發展。