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Hohe Haltekraft bei minimalem Zellstress: Signifikante Reduzierung der Bruchrate durch Minimierung der punktuellen Krafteinwirkung.
Mehr Ausbringung durch maximale Prozessgeschwindigkeit: Taktzeiten unter 1 s bei Beschleunigungen über 10 g.
Höchste Dynamik bei minimalen Betriebskosten: Herausragendes Verhältnis von Halte- bzw. Querkräften bezogen auf den Druckluftverbrauch.
Durchsatzraten von 3.600 Wafern/h in der automatisierten PV-Zellenfertigungen erfordern die Aufnahme extremer Halte- und Querkräfte, ohne die Positioniergenauigkeit zu beeinträchtigen oder Waferschädigungen hervorzurufen.
"Innovatives Zellhandling unterstützt die Ressourceneffizienz in der PV-Produktion wesentlich - durch Bruchratenverringerung und Durchsatzerhöhung." Dr. rer. nat. Mathias Kunz, Branchenmanager Solar, J. Schmalz GmbH.

Die Photovoltaik-Industrie hat in den letzten zehn Jahren bei sehr hohen Wachstumsraten weltweit stark an Bedeutung gewonnen. In Deutschland hat die langfristig angelegte staatliche Förderung der Photovoltaik durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) den Produzenten Jahr um Jahr hohe zweistellige Zuwächse beschert. Jedoch sehen sich die Hersteller inzwischen enormem Kostendruck ausgesetzt, ausgelöst durch internationale Konkurrenz und Überkapazitäten im Bereich der Zell- und Modulherstellung, durch steigende Rohstoffpreise und durch beschleunigte Reduzierung der Einspeisevergütung.

Bereits heute ist die Produktion von Wafern, Zellen und Modulen durch einen hohen Automatisierungs- und Effizienzgrad gekennzeichnet. Ansatzpunkt zur Rationalisierung ist die Optimierung von Prozessparametern wie die Steigerung der Ausbringungsmenge und die Minimierung von Betriebskosten.

Hierbei kommt dem Handling der Wafer und Zellen eine zentrale Bedeutung zu, denn sämtliche Prozessschritte, wie Be- und Entladevorgänge bei Kassettenlagerung und vom Transportband greifen nahtlos ineinander. Entscheidende Kriterien für die Wahl der Handhabungstechnologie sind daher deren Einfluss auf die Prozessstabilität im 24-Stunden-Betrieb und hoher Durchsatz bei gleichzeitiger Bruchratenreduzierung. Wenn dann noch der Energieverbrauch reduziert und dadurch Betriebskosten weiter gesenkt werden, kann der Hersteller entscheidende Wettbewerbsvorteile realisieren.

Vakuumsauger

Beim Entstapeln, Puffern, Fixieren, Positionieren und Aufstapeln der hauchdünnen Silizium-Wafer und -Zellen ist der Einsatz moderner, automatisierter Handhabungstechnologie Standard. Stand der Technik ist dabei der Einsatz konventioneller Vakuum-Sauggreifer oder von Sauggreifern, die nach dem Bernoulli-Prinzip arbeiten. Beide Greifer haben ihre Vor-, aber auch Nachteile.

  • Vakuum-Sauggreifer konventioneller Bauweise sind zwar kostengünstig und einfach anzuwenden, verursachen jedoch chemische Verunreinigungen auf den empfindlichen Kontaktflächen und starke mechanische Belastungen bei der Bewegung.
  • Bernoulli-Greifer bewirken zwar geringere chemische Verunreinigungen, jedoch spielen auch hier mechanische Belastungen eine Rolle. Zudem ist das Positionieren unpräziser und limitierte Querbeschleunigungen reduzieren mögliche Taktraten.

Bislang einzigartig ist das Greifkonzept des Vakuumtechnik-Spezialisten J. Schmalz GmbH, bei dem Wafer oder Zellen zwar vollflächig, aber absolut abdruckfrei aufgenommen und mit Taktzeiten unter einer Sekunde bei hohen Querbeschleunigungen schlupffrei gehandhabt und exakt positioniert werden können.

Der konstruktiv weiterentwickelte Schmalz-Wafergreifer SWGm eignet sich für alle Handhabungs- und Inspektionsaufgaben in der teil- und vollautomatisierten Fertigung von Wafern und Solarzellen, insbesondere für die Entnahme der Wafer und Zellen von Stapeln und Bändern, die Pufferung und Gabelung sowie die Fixierung und exakte Positionierung bei der visuellen Inspektion.

Weniger Bruch, schnellere Taktzeiten…

Durch die große effektive Saugfläche dieses Greifers mit optimaler Dimensionierung und Verteilung der einzelnen Saugstellen reduziert sich die punktuelle Krafteinwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf den Wafer massiv. Im Vergleich zu Elastomer-Saugern und Bernoulli-Greifern liegt beim SWGm eine um bis zu 100-fach geringere Flächenpressung vor. So wird bei den nur 50 bis 200 µm dünnen Siliziumwafern das Auftreten von Scherkräften und dadurch an den Kristallzonenrändern oder -anomalien hervorgerufene Mikrostrukturschäden verhindert. Diese Mikrostrukturschäden können in nachgelagerten Prozessschritten zu Waferbruch führen oder den Zellwirkungsgrad mindern.

Darüber hinaus ermöglicht die große Kontaktfläche des Greifers die Aufnahme sehr hoher Querkräfte und sorgt für maximale Prozessdynamik. Bei schnellen Pick-&-Place-Abläufen – wie dem Abstapeln der Wafer vom Transportband und dem anschließenden Sortieren in Abhängigkeit von Leistungsklasse und Farbgebung auf bis zu 72 Stapeln – können bei Beschleunigungen bis zu 10 g Taktzeiten von unter einer Sekunde realisiert werden. Im Vergleich zum Bernoulli-Greifer ist damit eine Erhöhung der Ausbringungsmenge von Zellen pro Stunde um 50 bis 100 % möglich.

Noch mehr Prozesseffizienz wird durch die optional integrierbare Sensorik möglich, die die Integration von Kontroll- und Prüfungsaufgaben in den Handhabungsschritt erlaubt: Teilekontrolle wie z. B. Belegungskontrolle, Abstandsmessung, Brucherkennung und die Detektion von Doppelbelegung ist on-the-fly möglich, d. h. ohne zeitintensive Integration zusätzlicher Prozessschritte. Die signifikante Reduzierung der Bruchraten bei gleichzeitig maximal hoher Handlingdynamik spricht für sich und zeigt, dass bereits durch perfektionierte Vakuum-Greifertechnologie große Produktivitäts-Fortschritte zu erreichen sind.

Für Energieeffizienz im Produktionsprozess sorgt das optimierte Verhältnis von Halte- bzw. Querkräften bezogen auf den Druckluftverbrauch: Dabei ist die sinnvolle Größe zur Bestimmung der Verbrauchseffizienz nicht der absolute Druckluftverbrauch des Greifers z. B. in Nl/min, sondern der Druckluftverbrauch, der zur Erbringung einer geforderten Prozesssicherheit und -genauigkeit erforderlich ist. Die entscheidende Größe ist hierbei die Haltekraft und die zu ihr proportionale maximale Querkraft, so dass eine schlupffreie Beschleunigung des Wafers gewährleistet ist. Die Relation zwischen Input- (Luftverbrauch) und Outputgröße (Prozesssicherheit bzw. Positionsgenauigkeit) wird der Definition von Effizienz wesentlich besser gerecht als der absolute Luftverbrauch.

Es rechnet sich

Vergleichsmessungen zeigen, dass bei einer geforderten Haltekraft von z.B. fünf Newton der Luftverbrauch gegenüber am Markt verfügbaren Bernoulli-Greifern nur zwischen der Hälfte und einem Viertel beträgt. Legt man der Energiekostenvergleich einen Betrag von 0,05 € pro m³ Druckluft zugrunde, ist im Dreischichtbetrieb pro Greifer eine Kostenersparnis von über 1.000 € p. a. möglich.

Eine typische, vollautomatisierte Zellfertigungslinie mit 50 MWp Jahresoutput läuft sieben Tage pro Woche im 24-Stunden-Betrieb. Beim Einsatz von 50 Flächengreifern SWGm in einer solchen Zellfertigungslinie sind so im Vergleich zu Bernoulli-Greifern allein bei der Druckluft jährliche Einsparungen von 50.000 € möglich. Hierbei ist noch nicht berücksichtigt, dass zur Verwendung von Bernoulli-Greifern zur Waferhandhabung die Druckluft entfettet bzw. gereinigt werden muss, da die bei Bernoulli-Greifern grundsätzlich an die Waferoberfläche anströmende Luft ansonsten massive Oberflächenkontamination und damit eine Verringerung des Zellwirkungsgrades hervorruft.

Resümee

Mehr Anlagenoutput, weniger Kosten bietet der Wafergreifer SWGm von Schmalz und bringt noch höhere Leistung in Sachen effizienter Vakuum-Handhabung: Im Vergleich zu gängigen Greiferprinzipien erreicht er eine wesentlich höhere Taktrate und senkt die Bruchrate durch Vermeidung von Beschädigungen an der sensiblen Wafer-Oberfläche – und das bei minimalen Betriebskosten durch deutlich reduzierten Druckluftverbrauch.