CN215846352U - 一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置。其技术方案为，一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，包括加工平台，加工平台上设有X轴输送机构，X轴输送机构的中部设有沿Y轴的间隙，X轴输送机构的下方设有高精度转镜扫描装置，扫描装置位于间隙的正下方且扫描方向向上。本实用新型的有益效果为，将转镜扫描装置应用于电池片的清边工序，通过软件控制实现扫描频率与激光脉冲重复频率相匹配，实现高精度单脉冲单点灼烧，重复定位信息和扫描位置实现高精度反馈，多次扫描的扫描区域之间进行位移重叠，实现光斑交叠比的高精度控制，提高电池片的清边效果，保证边缘的绝缘性；同时转镜扫描速度极快，大大提高了清边效率。

Description

一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工设备领域，特别是涉及一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置。

背景技术

激光清洗就是通过无机械接触的方式，使激光作用在需要清除的材料或污染物上，使被清除物发生气化、灼烧、光分解，或者激光作用在材料附着的基板上，激光通过穿透基板或利用基板产生热弹性波进行去除。

薄膜太阳能电池片清边工序是太阳能电池制造过程中一个重要的环节，清边工序的目的是将太阳能电池片边缘特定区域的导电膜、非晶硅层和背电极层全部清除，使得电池片的边缘绝缘，方便整个太阳能电池片的后续封装工作，由于薄膜太阳能电池片的TCO膜(透明导电薄膜)对可见光透明，背电极和非晶硅层都可以通过足够功率的1064nm红外光进行较好的清除。

光斑交叠比对清边效果即电池片边缘的绝缘性起决定性作用，传统振镜激光清洗装置光斑交叠比计算公式为

其中ω代表光斑交叠比，v_s代表扫描速度，f代表激光重复频率，d代表光斑半径，可见交叠比调节依赖于振镜扫描速度和频率调节；振镜扫描头虽然可以改变扫描速度但是不能够做到速度精确灵活可调，也不适用高频激光器，因此光斑交叠比不能够精确控制，影响清边的效果。

发明内容

本实用新型针对目前激光清洗装置光斑交叠比无法精确控制，清边效果不好导致薄膜太阳能电池边缘绝缘性能不佳的问题，提供了一种高速清边、高精度控制交叠比的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置。

为解决以上问题，本实用新型采用的技术方案为，一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，包括加工平台，加工平台上设有X轴输送机构，X轴输送机构的中部设有沿Y轴的间隙，X轴输送机构的下方设有高精度转镜扫描装置，高精度转镜扫描装置位于间隙的正下方且扫描方向向上。转镜扫描装置具有极高的扫描速度和重复定位精度，通过软件控制，调制激光脉冲的频率，实现扫描频率与激光脉冲重复频率相匹配，从而使每一个激光脉冲打在周期中固定的位置，实现单脉冲单点灼烧，同时基于软件控制，重复定位信息和扫描位置能够实现高精度反馈，即可实现多次扫描的扫描区域之间进行一定距离的位移，使多次扫描的光斑进行重叠，从而实现光斑交叠比的高精度控制，大大提高太阳能电池片的清边效果，保证电池片边缘的绝缘性能；同时转镜扫描速度极快，大幅提高了清边效率。

优选的，高精度转镜扫描装置包括激光发生装置、沿光路方向依次设置的转镜、振镜和f-θ聚焦透镜组，激光发生装置带有光束整形器，高精度转镜扫描装置还包括激光监测装置；激光发生装置发出的激光投射在转镜上，转镜将激光反射到振镜上，激光经振镜再次反射后透过f-θ聚焦透镜组输出为扫描光束。转镜绕其转轴高速转动，多个面依次高速扫描入射光束，实现激光的线性扫描，同时振镜偏转移动，经振镜再次反射的扫描线实现在其垂直方向上的移动，进而实现二维平面的扫描，能够直接对电池片边缘长条状区域整体扫描，极大地提高了清边效率。

优选的，转镜为双锥型转镜，包括两个形状相同的多边形的锥台部，两个锥台部中面积较小的底面相互重合并固定连接，转镜的反射面表面镀金处理；激光发生装置发出的激光投射在第一锥台部上，第一锥台部将激光反射到第二锥台部上，第二锥台部将激光反射到振镜上。采用双锥转镜，能够更加有效的降低扫描场的失真，无切向枢轴点错误，激光在0°入射时无反光，且双锥型转镜表面镀金，面型高度光滑，在高速扫描状态下能够保证较高的扫描重复定位精度。

优选的，间隙的正下方设有Y轴运动机构，高精度转镜扫描装置安装在Y轴运动机构上。实现高精度转镜扫描装置在Y轴方向上的移动，能够进一步扩大扫描范围，以便于加工大尺寸的电池片。

优选的，Y轴运动机构的两端长度大于X轴输送机构在Y方向上的宽度，高精度转镜扫描装置通过旋转装置安装在Y轴运动机构上，旋转装置能够驱动高精度转镜扫描装置在水平面内转动。当高精度转镜扫描装置位于Y轴运动机构的两端时，通过旋转装置将扫描装置转动90度，使转镜扫描方向转动到X轴方向，配合X轴输送机构实现电池片沿X轴的两个边缘的清边，如此设置能够对电池片的四边都进行清边，更加便于后续的封装工作。

优选的，高精度转镜扫描装置上设有定位***，定位***包括CCD相机和高度测量仪。对扫描位置和电池片位置进行检测，实现闭环控制，提高加工精度。

优选的，加工平台在X轴方向的一侧设有上料平台，另一侧设有出料平台，上料平台、加工平台和出料平台三者高度相适配。配合生产线实现连续生产。

优选的，待加工的太阳能电池片的玻璃基底面向下方放置在加工平台上，加工平台上设有至少一个粉尘吸收装置，粉尘吸收装置的吸尘口位于X轴输送机构的上方。激光透过玻璃基底对电池片顶面的涂层进行去料，粉尘向电池片的上方扩散并经粉尘吸收装置吸收，粉尘不会落到扫描装置上，保持扫描装置的清洁、精度和使用寿命。

优选的，X轴输送机构包括两组传送带，每组包括两条沿X轴方向且互相平行的传送带，两组传送带沿X轴方向设置，且两组传送带中间间隔一定距离形成上述间隙。

优选的，高精度转镜扫描装置通过FPGA控制器控制，激光发生装置采用1064nm光纤激光器，重复频率不高于500kHz，功率可调且不高于500W，脉冲宽度为120ns，带有并行IO接口，可接受TTL同步信号控制。通过FPGA可编程逻辑门阵列的控制可以实现扫描频率与激光脉冲重复频率同步匹配，克服了传统可编程器件门电路数有限的缺点，同时FPGA控制器由多个硬件组成，具有高可靠性，适用于激光加工设备。

通过以上技术方案可以看出，本实用新型的优点在于，将转镜扫描装置应用于太阳能电池片的清边工序，通过FPGA可编程逻辑门阵列控制实现扫描频率与激光脉冲重复频率相匹配，且转镜表面镀金，面型高度光滑，在高速扫描状态下能够保证较高的扫描重复定位精度，进而实现精确的单点灼烧和高精度的重复定位，通过多次扫描区域的移动与重叠精确控制光斑交叠比，进而提高清边效果并保证电池片边缘的绝缘性；通过转镜与振镜的配合，实现二维平面的高速扫描，直接对电池片边缘的长条状区域整体扫描，X-Y轴运动***及旋转装置配合实现更大尺寸电池片的清边和四边清边，大大提高了清边效率；装置整体布置合理，保护扫描装置不易受到污染，保证其精度和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具体实施方式的结构示意图。

图2为图1中A处的放大图。

图3为本实用新型具体实施方式中高精度转镜扫描装置的结构示意图。

图4为本实用新型具体实施方式中高精度转镜扫描装置的光路示意图。

图5为本实用新型清边装置的清边过程示意图。

图中：1.上料平台，2.加工平台，3.出料平台，4.高精度转镜扫描装置，41.激光发生装置，42.转镜，42-1.第一锥台部，42-2.第二锥台部，43.振镜，44.激光监测装置，45.f-θ聚焦透镜组，5.定位***，6.粉尘吸收装置，7.电池片，8.旋转装置，9.Y轴运动机构，10.第一扫描光斑，11.第二扫描光斑，12，第三扫描光斑。

具体实施方式

为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

在以下具体实施方式中，X、Y方向设为图1中的标注方向，X方向为加工生产线上电池片移动的方向，X、Y方向均在水平面内且相互垂直。

如图1所、图2所示，一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，包括沿Y轴方向依次设置且高度相适配(高度相等或存在合理范围的高度差)的上料平台1、加工平台2和出料平台3，加工平台2上设有X轴输送机构，X轴输送机构的中部设有沿Y轴的间隙，X轴输送机构包括两组传送带，每组包括两条沿X轴方向且互相平行的传送带，两组传送带沿X轴方向设置，且两组传送带中间间隔一定距离形成该间隙，上料平台1和出料平台2也分别具有沿X轴方向的传送带；加工平台2位于该间隙正下方的位置设有Y轴运动机构9，Y轴运动机构9可以选用滚珠丝杠、无杆气缸等直线驱动结构，Y轴运动机构9沿Y轴方向的两端长度大于X轴输送机构沿Y轴的宽度(即两条平行传送带之间的距离)，Y轴运动机构9上设有旋转装置8，并通过旋转装置8安装有高精度转镜扫描装置4，加工平台2上设有至少一个粉尘吸收装置6，粉尘吸收装置6的吸尘口位于X轴输送机构的上方；使用时，X轴输送机构承载并沿X轴移动待加工的太阳能电池片，Y轴运动机构9能够驱动旋转装置8连同高精度转镜扫描装置4在Y轴方向上运动，旋转装置8能够驱动高精度转镜扫描装置4在水平面内转动；

如图3、图4所示，高精度转镜扫描装置4包括激光发生装置41、沿光路方向依次设置的转镜42、振镜43和f-θ聚焦透镜组45，激光发生装置41带有光束整形器，高精度转镜扫描装置4还包括激光监测装置44，激光监测装置44包括电源处理模块、电压处理模块及光电转换模块，用于检测激光打在转镜上的位置并配合控制器进行信息处理；在本实施例中，转镜42为双锥型转镜，其结构包括两个形状相同的多边形的锥台部，两个锥台部中面积较小的底面相互重合并固定连接，采用表面镀金的双锥型转镜，能够更加有效的降低扫描场的失真，无切向枢轴点错误，激光在0°入射时无反光，转镜表面镀金处理，面型高度光滑，在高速扫描状态下能够保证较高的扫描重复定位精度。

如图4所示，激光发生装置41发出的激光投射在第一锥台部42-1上，第一锥台部42-1将激光反射到第二锥台部42-2上，第二锥台部42-2将激光反射到振镜43上，激光经振镜43再次反射后透过f-θ聚焦透镜组45输出为扫描光束。

高精度转镜扫描装置4上还设有定位***5，定位***5包括CCD相机和高度测量仪，用于精确检测并控制电池片的位置和扫描位置，形成闭环控制。

高精度转镜扫描装置4通过FPGA控制器控制，激光发生装置41采用1064nm光纤激光器，重复频率不高于500kHz，功率可调且不高于500W，脉冲宽度为100ns，带有并行IO接口，可接受TTL同步信号控制。

需要说明，除本实施例中所给出的双锥型转镜外，在保证定位精度的情况下，还可以采用普通的转镜。

本实用新型的工作过程和原理为：

电池片7的玻璃基底面向下依次放置在上料平台1和加工平台2上，X轴输送机构移动电池片7，使其沿Y轴方向的一边移动到间隙的正上方，然后高精度转镜扫描装置4投射出扫描激光，该扫描激光的扫描区域为长矩形二维平面，长度沿Y轴方向，宽度与清边区域的宽度相适配，对电池片7的该边进行清边，对于尺寸较大的电池片，扫描区域的长度无法满足清边区域长度时，Y轴运动机构9带动高精度转镜扫描装置4沿Y轴运动，扫描区域随之运动，以覆盖整个清边区域；经多次扫描后，完成这一边的清边，然后X轴输送机构移动电池片7，使另一沿Y轴的边移动到间隙上方，然后重复上述清边步骤；对于电池片7沿X轴方向的两条边，Y轴运动机构9驱动高精度转镜扫描装置4依次移动到这两边的正下方，然后旋转装置8驱动高精度转镜扫描装置4转动90度，此时扫描区域的长度方向为X轴方向并进行扫描清边，X轴输送机构带动电池片7沿X轴运动，以使扫描范围覆盖整个清边区域，如此即可完成对电池片四边的清边工作，完成清边的电池片经出料平台输送至后续工序。

在清边过程中，扫描激光透过电池片7的玻璃基底然后对玻璃基底上方的覆膜进行去料，如此去料粉尘向上扩散并由粉尘吸收装置6吸收去除，不会落到下方的扫描装置上，保证扫描装置的清洁，进而保证扫描精度与设备寿命。

本装置对于某一边的清边，通过多次扫描的扫描区域之间的错位重叠控制光斑交叠比，从而实现高精度高效清边，其具体方式为：

本装置基于转镜与振镜的配合能够进行二维平面超高速扫描的优势，并通过FPGA可编程逻辑门阵列的控制，实现扫描频率与激光脉冲重复频率同步匹配，另外转镜表面镀金，面型高度光滑，在高速扫描状态下能够保证较高的扫描重复定位精度，所以扫描过程中每一个激光脉冲都会打在周期中固定的位置，实现单脉冲单点灼烧，即在每次扫描的扫描区域中，各个灼烧点组成一个高精度的矩形阵列；因为重复定位信息和扫描位置可实现高精度反馈，那么便可以通过使多次扫描的扫描区域之间位移设定的距离，使对应位置的灼烧点发生重叠，进而实现高精度控制扫描光斑的交叠比。

以图5所示图形为例，图中标记10设为第一扫描光斑，即第一次扫描的扫描区域中的光斑位置，标记11设为第二扫描光斑，标记12为第三扫描光斑；在每次扫描中，光斑间距受扫描频率和扫描速度的影响，其公式为

其中p_d代表光斑间距，v_s代表转镜扫描速度，f代表激光脉冲重复频率，而v_s和f都能通过FPGA控制器实现精确控制，即实现了光斑间距的精确控制；然后使多次扫描的扫描区域相对前次扫描移动△a，即如图5所示的第二扫描光斑11相对对应位置的第一扫描光斑10移动了△a，第二扫描光斑与第一扫描光斑发生交叠；第三扫描光斑12相对对应位置的第二扫描光斑11移动了△a，第三扫描光斑与第二扫描光斑发生相同面积的交叠；

与传统清边机相比，本装置能够精确控制灼烧点的间距以及多次扫描的扫描区域之间的移动距离，通过多组扫描光斑阵列重合实现了交叠比的精确控制。

进一步的，通过上述方法增加扫描次数，增加交叠面积，逐渐填补未加工区域，薄膜边缘不会再有明显残留，边缘电阻明显提升，大大减少安全隐患并为后续产线加工提供良好保障。

通过以上实施方式可以看出，本实用新型的有益效果为，将转镜扫描装置应用于太阳能电池片的清边工序，通过FPGA可编程逻辑门阵列控制实现扫描频率与激光脉冲重复频率相匹配，进而实现精确的单点灼烧和高精度的重复定位，通过多次扫描区域的移动与重叠精确控制光斑交叠比，进而提高清边效果并保证电池片边缘的绝缘性；通过转镜与振镜的配合，实现二维平面的高速扫描，直接对电池片边缘的长条状区域整体扫描，X-Y轴动***及旋转装置配合实现更大尺寸电池片的清边和四边清边，大大提高了清边效率；装置整体布置合理，保护扫描装置不易受到污染，保证其精度和使用寿命。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，包括加工平台(2)，所述加工平台(2)上设有X轴输送机构，所述X轴输送机构的中部设有沿Y轴的间隙，所述X轴输送机构的下方设有高精度转镜扫描装置(4)，所述高精度转镜扫描装置(4)位于所述间隙的正下方且扫描方向向上。

2.根据权利要求1所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述高精度转镜扫描装置(4)包括激光发生装置(41)、沿光路方向依次设置的转镜(42)、振镜(43)和f-θ聚焦透镜组(45)，所述激光发生装置(41)带有光束整形器，所述高精度转镜扫描装置(4)还包括激光监测装置(44)；

所述激光发生装置(41)发出的激光投射在所述转镜(42)上，所述转镜(42)将激光反射到所述振镜(43)上，激光经所述振镜(43)再次反射后透过所述f-θ聚焦透镜组(45)输出为扫描光束。

3.根据权利要求2所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述转镜(42)为双锥型转镜，包括两个形状相同的多边形的锥台部，两个锥台部中面积较小的底面相互重合并固定连接，所述转镜(42)的反射面表面镀金处理；

所述激光发生装置(41)发出的激光投射在第一锥台部(42-1)上，所述第一锥台部(42-1)将激光反射到第二锥台部(42-2)上，所述第二锥台部(42-2)将激光反射到所述振镜(43)上。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述间隙的正下方设有Y轴运动机构(9)，所述高精度转镜扫描装置(4)安装在所述Y轴运动机构(9)上。

5.根据权利要求4所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述Y轴运动机构(9)的两端长度大于所述X轴输送机构在Y方向上的宽度，所述高精度转镜扫描装置(4)通过旋转装置(8)安装在所述Y轴运动机构(9)上，所述旋转装置(8)能够驱动所述高精度转镜扫描装置(4)在水平面内转动。

6.根据权利要求1-3任一所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述高精度转镜扫描装置(4)上设有定位***(5)，所述定位***(5)包括CCD相机和高度测量仪。

7.根据权利要求1-3任一所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述加工平台(2)在X轴方向上的一侧设有上料平台(1)，另一侧设有出料平台(3)，所述上料平台(1)、所述加工平台(2)和所述出料平台(3)三者高度相适配。

8.根据权利要求1-3任一所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，待加工的太阳能电池片的玻璃基底面向下方放置在所述加工平台(2)上，所述加工平台(2)上设有至少一个粉尘吸收装置(6)，所述粉尘吸收装置(6)的吸尘口位于所述X轴输送机构的上方。

9.根据权利要求1-3任一所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述X轴输送机构包括两组传送带，每组包括两条沿X轴方向且互相平行的传送带，两组传送带沿X轴方向设置，且两组传送带中间间隔一定距离形成所述间隙。

10.根据权利要求2或3所述的基于转镜的薄膜太阳能电池片高精度清边装置，其特征在于，所述高精度转镜扫描装置(4)通过FPGA控制器控制，所述激光发生装置(41)采用1064nm光纤激光器，重复频率不高于500kHz，功率可调且不高于500W，脉冲宽度为100ns，带有并行IO接口，可接受TTL同步信号控制。

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