一种用于金刚线多晶硅片的自动喷砂装置的制作方法

本实用新型涉及太阳能电池片技术领域，具体涉及一种用于金刚线多晶硅片的自动喷砂装置。

背景技术：

以下对本实用新型的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本实用新型的现有技术。

随着我国太阳能产业的快速发展，太阳能电池片的需求量在不断的扩大，如何加工出低成本、高效率的核心原料—硅片成为行业亟待解决的的课题，目前国内太阳能硅片加工方法有以下几种：

砂浆线切割单晶硅技术：单晶硅制造成本高、砂浆线切割技术效率低、碎片率高；

砂浆线切割多晶硅技术：多晶硅制造成本低、砂浆线切割技术效率低、碎片率高；

金刚线切割多晶硅技术：单晶硅制造成本高、金刚线切割技术效率高、碎片率低；

黑硅技术：设备成本高、环境污染严重。

但是现有的硅片加工技术都存在着成本高、加工效率低、碎片率高、环境污染严重等问题；虽然金刚线切割技术所带来的高效加工率和低碎片率得到了广泛认可，但是低成本的金刚线切割多晶硅片表面过于光滑，并不能用于太阳能电池片的制作，这对金刚线多晶硅技术的应用和推广设置了不可逾越的鸿沟。此外，目前市场上对用于制作太阳能电池片的硅片产能、加工稳定性、加工均匀性等要求高，导致目前市场并没有能够满足要求、并且与高精度喷砂加工中心配套的数控系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于金刚线多晶硅片的自动喷砂装置，能够自动化进行喷砂处理，操作简单，加工精度和加工稳定性高，碎片率低，产能高；采用本实用新型的自动喷砂装置处理之后的硅片能直接进行太阳能电池片的制作，并且性能得到很大提升，扩大了金刚线多晶硅技术的应用范围。

根据本实用新型的用于金刚线多晶硅片的自动喷砂装置，包括：启动系统、磨液系统、喷枪系统、上料系统、工艺仓和控制器；其中，

启动系统接收外部输入的操作指令并发送给控制器；

上料系统接收到控制器发送的上料信号后，推送金刚线多晶硅片进出工艺仓的喷射区；

金刚线多晶硅片进入喷射区后，控制器依据喷枪的位置坐标和移动速度控制喷枪系统将磨液系统中的磨液喷射到金刚线多晶硅片表面；

控制器接收所述操作指令，当所述操作信号为喷砂指令时，控制器依据喷砂指令生成上料信号并发送给上料系统；当所述操作信号为喷砂指令时，控制器还用于依据磨液浓度、喷射压力、磨液流量和喷砂厚度查询预设的映射关系，确定喷枪的位置坐标和移动速度。

优选地，喷砂装置的加工深度满足如下关系：

$H=\frac{{\mathrm{\ρ\α}}^{P/P_0}{(1-KL)}^2{V}_{h}t}{N}$

式中，H为金刚线多晶硅片的加工深度，单位为：um；N为与SiC砂目数有关的系数，N的取值为0.1-100；ρ为与磨液浓度有关的系数,ρ的取值为1-3.22；α为压力系数，α的取值为0.1-100；P为喷枪压力，单位为：MPa；P₀为喷枪最小加工压力，单位为：Mpa；K为靶距变换系数，单位为1/mm，K取0-50；L为靶距，单位为：mm；V_h为深度方向基础加工速率，单位为：um/s；t为加工时间，单位为：s。

优选地，控制器进一步用于：接收所述操作指令，当所述操作信号为喷砂指令时，依据喷砂指令生成搅拌信号并发送给磨液系统；

磨液系统接收到搅拌信号后搅拌磨液，搅拌结束后向控制器返回搅拌结束信号。

优选地，当搅拌时长达到预设的搅拌时间阈值、或者预设检测周期内的平均磨液浓度达到预设的磨液浓度阈值、或者相邻两次检测到的磨液浓度的差值不大于预设的浓度差阈值时，磨液系统停止搅拌。

优选地，所述上料系统包括：支架子系统、定位子系统和传动子系统；其中：

定位子系统设置在传动子系统上，包括真空载台、真空源和真空管；真空载台的上端面设置有通孔，真空载台的上端面用于承载金刚线多晶硅片；真空载台通过真空管可拆卸地与真空源连通；

传动子系统设置在支架子系统上，用于驱动真空载台进出工艺仓。

优选地，传动子系统包括：传动轨道、驱动单元和传动链；其中，

传动轨道可拆卸地设置在支架子系统上，用于承载真空载台、并限定真空载台进出工艺仓的轨迹；

传动链与驱动单元连接，其行进方向与传动轨道平行，传动链上设置有限位齿；传动链运动过程中限位齿驱动真空载台沿着传动轨道的方向进出工艺仓。

优选地，传动轨道上均匀间隔地设置有垂直于所述传动轨道的滚动体。

优选地，传动子系统进一步包括：推送单元和传感器；

推送单元设置在传动子系统上，用于承载待处理的真空载台；

传感器设置在传动子系统的进入端；

当传感器检测到限位齿时，推送单元将待处理的真空载台推送到传动链的进入端，利用该限位齿驱动真空载台沿着传动轨道的方向进出工艺仓。

优选地，真空载台上端面的通孔的数量为一个、两个或更多个；当真空载台的上端面设置至少两个通孔时，所述至少两个通孔均匀分布；通孔的横截面为由弧线和/或线段组成的封闭图形。

优选地，当磨液中杂质浓度高于设定的浓度上限时，报警系统提示操作者更换磨液；

当金刚线多晶硅片破裂时，报警系统产生报警信号。

根据本实用新型的用于金刚线多晶硅片的自动喷砂装置，包括：启动系统、磨液系统、喷枪系统、上料系统、工艺仓和控制器。当外界输入的操作指令为喷砂指令时，控制器自动控制启动系统、磨液系统、喷枪系统、上料系统对金刚线多晶硅片表面进行喷砂处理，操作简单，加工精度和加工稳定性高，碎片率低，产能高；通过对金刚线多晶硅片表面进行喷砂处理，能够改变金刚线多晶硅片的表面微观形貌，经过表面处理后的金刚线多晶硅片能够直接进行电池片的制作。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本实用新型的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1为根据本实用新型的用于金刚线多晶硅片的自动喷砂装置的结构图；

图2为根据本实用新型的用于金刚线多晶硅片的上料系统的示意图；

图3为根据本实用新型的定位子系统的示意图；

图4位根据本实用新型的传动系统的示意图。

附图标记说明：10控制器、20启动系统、30磨液系统、40上料系统、1支架子系统、2定位子系统、21真空载台、22通孔、23硅片限位部件限位块、24固定横条、3传动子系统、31传动轨道、32驱动单元、33传动链、34限位齿、35推送单元、36传感器、50喷枪系统、501喷枪、60工艺仓。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。

金刚线切割多晶硅片表面过于光滑，为了解决金刚线切割多晶硅片表面过于光滑的问题，本实用新型对金刚线多晶硅片的表面进行喷砂处理。通过喷砂处理提高金刚线多晶硅片表面的粗糙度，使其能够直接用于制作电池片。

参见图1，根据本实用新型的用于金刚线多晶硅片的喷砂装置，包括：启动系统20、磨液系统30、喷枪系统50、上料系统40、工艺仓60和控制器10；其中，

启动系统20接收外部输入的操作指令并发送给控制器10；

上料系统40接收到控制器10发送的上料信号后，推送金刚线多晶硅片进出工艺仓60的喷射区；

金刚线多晶硅片进入喷射区后，控制器10依据喷枪的位置坐标和移动速度控制喷枪系统50将磨液系统中的磨液喷射到金刚线多晶硅片表面；

控制器10接收启动系统20发送的操作指令，当该操作信号为喷砂指令时，控制器10依据喷砂指令生成上料信号并发送给上料系统40；当该操作信号为喷砂指令时，控制器10还用于依据磨液浓度、喷射压力、磨液流量和喷砂厚度查询预设的映射关系，确定喷枪501的位置坐标和移动速度。

本实用新型中以喷砂时金刚线多晶硅片的中心为坐标原点、金刚线多晶硅片进入工艺仓60的方向为X轴方向，金刚线多晶硅片上垂直于X轴的方向为Y轴方向，喷枪系统50的喷枪与金刚线多晶硅片之间的垂直方向为Z轴方向，喷枪与金刚线多晶硅片之间的垂直距离定义为靶距。靶距越大，喷枪在金刚线多晶硅片表面喷射产生的有效砂斑越小，达到相同加工深度所需的喷砂时间越长。喷枪在金刚线多晶硅片表面喷射产生的有效砂斑越大，达到相同加工深度所需的喷砂时间越长。根据本实用新型的优选实施例，喷砂装置的加工深度满足如下关系：

$H=\frac{{\mathrm{\ρ\α}}^{P/P_0}{(1-KL)}^2{V}_{h}t}{N}$

式中，H为金刚线多晶硅片的加工深度，单位为：um；N为与SiC砂目数有关的系数，N的取值为0.1-100；ρ为与磨液浓度有关的系数,ρ的取值为1-3.22；α为压力系数，α的取值为0.1-100；P为喷枪压力，单位为：MPa；P₀为喷枪最小加工压力，单位为：Mpa；K为靶距变换系数，单位为1/mm，K取0-50；L为靶距，单位为：mm；V_h为深度方向基础加工速率，单位为：um/s；t为加工时间，单位为：s。

根据本实用新型的优选实施例，喷砂装置的靶距满足如下关系：

$S=\mathrm{\π}{\[R+{(1-\mathrm{\μ}L)}^{2}tan\frac{\mathrm{\β}}{2}\]}^2{V}_{S}t$

式中，S为加工面积，单位为mm²；R为喷枪出液口的半径，单位为mm；μ为靶距变换系数，单位为1/mm，μ的取值为0-50/mm；L为靶距，单位为mm；β为喷枪出液口散射角度，单位为rad；V_s为横向基础加工速率，单位为mm²/s；t为加工时间，单位为s。

磨液中的砂浆容易沉淀导致上层磨液的浓度较低，若直接采用该上层磨液进行喷砂，由于磨液浓度改变，在金刚线多晶硅片表面形成的有效砂斑的厚度和面积会发生改变，降低了喷砂效果。若喷砂过程中没有持续搅拌，磨液浓度也会产生波动，影响喷砂效果。为了尽量提高喷砂效果和稳定性，可以在喷砂处理前搅拌磨液，使其浓度均匀。具体地，控制器10进一步用于：接收启动系统20发送操作指令，当该操作信号为喷砂指令时，依据喷砂指令生成搅拌信号并发送给磨液系统30；磨液系统30接收到搅拌信号后搅拌磨液，搅拌结束后向控制器10返回搅拌结束信号。优选地，当搅拌时长达到预设的搅拌时间阈值、或者预设检测周期内的平均磨液浓度达到预设的磨液浓度阈值、或者相邻两次检测到的磨液浓度的差值不大于预设的浓度差阈值时，磨液系统停止搅拌。

图2示出了根据本实用新型一些实施例的上料系统示意图，从图中可知，包括：支架子系统1、定位子系统2和传动子系统3；其中：

定位子系统2设置在传动系统3上，用于承载金刚线多晶硅片。用于制作太阳能电池片的金刚线多晶硅片非常薄，脆性强、易碎，因此现有技术的固定方式不适于固定金刚线多晶硅片。本实用新型实施例中，采用真空载台固定金刚线多晶硅片，具体地，定位子系统2包括真空载台21、真空源(图中未示出)和真空管(图中未示出)。真空载台21的上端面用于承载金刚线多晶硅片。真空载台21通过真空管(图中未示出)可拆卸地与真空源(图中未示出)连通。在对金刚线多晶硅片进行喷砂处理时，真空载台21与真空源连通，真空载台21内呈真空状态；喷砂处理结束后，真空载台21与真空源之间不连通，真空载台21内恢复至常压状态时将载台21上端面的金刚线多晶硅片取下。采用真空载台不仅能够固定金刚线多晶硅片，还能防止喷砂过程中不可控因素对金刚线多晶硅片的破坏，降低金刚线多晶硅片的破碎率。

本实用新型实施例中，在载台21上端面设置通孔22，当真空载台21与真空源连通时，设置在真空载台21上端面的金刚线多晶硅片通过通孔22吸附在真空载台上。

喷砂处理结束时，将喷砂过程中外泄的磨液回收至磨液系统，例如，喷砂结束后将回收容器(图中未示出)中的外泄磨液倒出。当然，为了自动化收集磨液，也可以在回收容器上设置回收孔(图中未示出)，当喷砂处理结束时，通过回收孔回收回收容器内的磨液。当外泄磨液较多时，若回收容器的容积较小，回收容器无法完全收集外泄的磨液，造成磨液浪费，提高喷砂装置的喷砂成本。基于此，可以通过回流管(图中未示出)将回收容器与砂浆系统连通。喷砂处理过程中，外泄的磨液进入回收容器，然后通过回流管自动回流至磨液系统30中。采用回流管实时回流回收容器内的磨液，能够防止由于回收容器载台容积过小导致的外泄磨液收集不完全，避免磨液浪费和喷砂装置污染避免磨液浪费，降低喷砂成本。

喷砂处理过程中载台21内呈真空状态，真空载台21内的气体压力与真空载台21外的气体压力不同，通孔22处金刚线多晶硅片的受力情况与非通孔处金刚线多晶硅片的受力情况不同，因此喷砂处理过程中金刚线多晶硅片的受力情况不均匀。与非通孔处相比，通孔22处的金刚线多晶硅片容易沿着通孔22向真空载台21内部弯曲。若金刚线多晶硅片的不平整度较大，不仅影响其制作太阳能电池片的性能，还容易由于弯曲变形导致破碎，使喷砂处理的废品率升高。为了尽量避免由于受力不均匀导致的性能降低和次品率升高，应尽量降低通孔22的内径。此外，当真空载台的上端面设置至少两个通孔时，可以使该至少两个通孔均匀对称分布，以使金刚线多晶硅片的受力均匀。当真空载台上端面通孔的数量较多时，通孔22可以按照圆形、方形或其他形状从真空载台21上端面的中心向外辐射，本实用新型对真空载台21上端面通孔22的分布方式不作具体限定，任何能够实现通孔22目的的通孔数量和分布方式均应视为本实用新型的保护范围。通孔22的横截面形状可以根据喷砂要求和设计需要进行设计，例如将通孔22的横截面设计成由弧线和/或线段组成的封闭图形。

若真空载台21上端面所有通孔22的横截面积之和过小，则真空载台21对金刚线多晶硅片的吸附力过小，使得金刚线多晶硅片不稳定；若真空载台21上端面所有通孔22的横截面积之和过大，会降低真空载台21内的抽真空速度，增加喷砂装置的启动时间，从而降低喷砂装置的产能。因此，可以采用较小的通孔孔径和较多的通孔。真空载台21上端面通孔22的数量可以根据喷砂要求和设计需要进行确定，例如真空载台上端面通孔22的数量可以为一个、两个或更多个。

为了提高喷砂装置的产能，每个真空载台21上可以承载多个金刚线多晶硅片，例如每个真空载台包括至少两个承载区，每个承载区承载一个金刚线多晶硅片。

在其他条件相同的条件下，载台21的容积越大，达到相同真空度的时间越长。为了尽量减小抽真空的时间和喷砂装置的启动时间，以提高喷砂装置的产生，可以根据真空源的气体流量和喷砂过程对喷砂装置启动时间的要求确定与每个真空源对应的真空载台21的数量。当载台21的容积较大时，与每个真空源对应的真空载台21的数量可以为一个；当载台21的容积较小时，与每个真空源对应的真空载台21的数量可以为两个或多个。真空载台的数量以及真空源的气体流量由设备的产能确定。如图3所示，真空源对应三个真空载台21。可以在真空载台21上设置固定横条24。通过固定横条24将与同一个真空源对应的多个真空载台21连接固定，能够避免由于真空载台之间有相对位移而导致的喷砂效果不一致的情况。

金刚线多晶硅片在真空载台21的上端面固定不动，真空载台21沿着固定的轨道进出支架子系统1，喷枪系统50按照设定的移动路径进行喷砂，以保证金刚线多晶硅片上表面喷砂均匀。为了提高将金刚线多晶硅片安装到真空载台21上端面的装片速度，可以在真空载台21上端面设置硅片限位块23，参见图2。通过限位块23限制金刚线多晶硅片在真空载台21上端面的一个侧边或多个侧边的位置，便于快速定位金刚线多晶硅片，参见图3。

传动子系统3设置在支架子系统1上，用于驱动真空载台21工艺仓60，如3和4所示。优选地，传动子系统3包括：传动轨道31、驱动单元32和传动链33。传动轨道31可拆卸地设置在支架子系统1上，用于承载真空载台21、并限定真空载台21进出支架子系统1的轨迹；传动链33与驱动单元32连接，其行进方向与传动轨道31平行，传动链33上设置有限位齿34；传动链33运动过程中限位齿34驱动真空载台21沿着传动轨道31的方向进出工艺仓60。真空载台21从传动轨道31的进端进入工艺仓60，经过喷枪系统50喷砂处理后移动工艺仓的下料端，从真空载台21上取下金刚线多晶硅片或者将真空载台21从传动轨道31上取下。若仅采用传动轨道31，不仅需要额外的传动部件沿着传动轨道31驱动载台21移动，当从载台21上取下金刚线多晶硅片或者将载台21从传动轨道31上取下之后，该传动部件还需要沿着相反的方向恢复至初始位置，使得喷砂装置的产生降低。若仅采用传动链33，传动链33会在重力作用下弯曲，一方面不便于准确控制真空载台21上端面的金刚线多晶硅片与喷枪系统50之间的靶距，另一方面，当喷枪系统50对固定在真空载台21上端面的金刚线多晶硅片进行喷砂时，喷砂的冲击会进一步增加真空载台21上端面的金刚线多晶硅片与喷枪系统50之间的靶距，影响喷砂效果。本实用新型实施例的传动系统3同时采用传动轨道31和传动链33，不仅能够驱动真空载台21沿着固定的轨道进出支架子系统1，还能够准确控制真空载台21上端面的金刚线多晶硅片与喷枪系统50之间的靶距，提高喷砂处理效果。

真空载台21沿着传动轨道31运动的过程中受到来自传动轨道31的摩擦力，真空载台21对传动轨道31的压力越大，其所受到的摩擦力越大。当真空载台21运动至喷砂系统中时，喷砂的冲击作用会增加真空载台21对传动轨道31的压力和真空载台21受到的摩擦力，使得真空载台21的移动速度降低，从而延长了真空载台21上端面的金刚线多晶硅片的喷砂处理时间，使得金刚线多晶硅片表面的加工深度变大，降低了采用该金刚线多晶硅片制作的太阳能电池片的可承受压力。此外，过大的摩擦力还会加速真空载台21和传动轨道31的磨损，降低其使用寿命。为了尽量降低真空载台21与传动轨道31之间的摩擦力，传动轨道31上间隔均匀地设置有垂直于传动轨道31的滚动体。

为了自动将真空载台21驱动至支架子系统1，传动子系统3可以进一步包括：推送单元35和传感器36。推送单元35设置在传动轨道31上，用于承载待处理的真空载台；传感器36设置在传动轨道31的进入端。传动链33循环运动过程中，传动链33上的限位齿34也不断进出支架子系统。当传感器36检测到限位齿34时，推送单元35将待处理的真空载台推送到传动链33的进入端，利用该限位齿驱动真空载台沿着传动轨道31的方向进出支架子系统1。根据本实施例，当操作人员将承载金刚线多晶硅片的真空载台21放在传动轨道31上时，推送单元35和传感器36自动判断，将真空载台21推送到传动子系统3，不仅提高了操作人员的工作效率，还能尽量防止限位齿34对操作人员的剐蹭，提高作业安全性。操作人员将承载金刚线多晶硅片的真空载台21放在传动轨道31上时，真空载台21相对传动轨道31静止，当传感器36检测到限位齿34时，触发推动单元35将待处理的真空载台推送到传动链33的进入端，然后通过限位齿34驱动真空载台21进出支架子系统。优选地，推送单元为气缸。

喷枪系统50与磨液系统30连接，用于将磨液系统30中的磨液喷涂到金刚线多晶硅片的表面。喷枪系统50将砂浆喷射在金刚线多晶硅片表面形成砂斑。本实用新型优选实施例中，喷砂枪系统50的喷枪501能够沿着垂直于真空载台运动的方向往复运动，在喷砂过程中，喷枪501沿着垂直于真空载台运动方向的往复运动能够提高金刚线多晶硅片表面的喷砂均匀性。

真空载台21上端面的金刚线多晶硅片与喷枪系统50之间的靶距对喷砂效果具有影响。为了便于调节载台21上端面的金刚线多晶硅片与喷枪系统50之间的靶距，在本实用新型的一些实施例中，喷枪系统50的喷枪501能够沿着垂直于真空载台上表面的方向往复运动。

砂浆喷射到金刚线多晶硅片表面，在金刚线多晶硅片表面形成砂坑。喷砂方向不同，所得金刚线多晶硅片表面的微观构也不同。对于采用金刚线多晶硅片制得的太阳能电池片，金刚线多晶硅片表面的微观形态越复杂，太阳光在太阳能电池片表面停留的时间越长，太阳能电池片的光电转换效率越高。为了尽量提高太阳能电池的效率，可以使太阳能电池片表面砂坑的结构尽量复杂，例如，使使太阳能电池片表面的砂坑呈倒三角结构。为此，在本实用新型的一些实施例中，喷枪系统50的喷枪501能够旋转，从而改变喷砂角度，提高喷砂效果。

本实用新型中，磨液系统中的磨液可以反复回收使用。在回收使用过程中，容易由于杂质进入磨液等原因导致磨液性能下降，降低喷砂效果，引起喷砂失败。为了便于操作者及时发现磨液性能下降的情况，在本实用新型的一些实施例中，自动喷砂装置一步包括：报警系统(图中未示出)。当磨液中杂质浓度高于设定的浓度上限时，报警系统提示操作者更换磨液；当金刚线多晶硅片破裂时，报警系统产生报警信号。此外，为了便于

实时了解喷砂过程，还可以在自动喷砂装置上设置观察窗口(图中示出)。

本实用新型还提供以上所述喷砂装置在对于金刚线多晶硅片进行喷砂中的应用。

与现有技术相比，本实用新型不仅能够改变金刚线多晶硅片表面的微观结构使其适于制作太阳能电池片，大大提高了金刚线多晶硅片的使用范围、降低了太阳能电池片的制作成本，还能自动化完成喷砂过程，操作简单，加工精度和加工稳定性高，碎片率低，产能高。

虽然参照示例性实施方式对本实用新型进行了描述，但是应当理解，本实用新型并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。