Brevet FR2629379A1 — publié le 19891006

MACHINE DE SEPARATION AUTOMATIQUE DE RUBAN DE SILICIUM DENDRITIQUE La présente invention concerne en général les équipements destinés à découper un ruban en pièces d'une longueur prédéterminée, *et plus particulièrement à une machine pour découper automatiquement des rubans de silicium dendritique de grandes longueurs en pièces plus petites pour un traitement ultérieur. Il est souhaitable de produire des cellules photovoltaïques selon les techniques de production de masse afin d'obtenir des économies importantes. Actuellement, la production automatisée de cellules photovoltaiques est, de façon courante, réalisée en utilisant des tranches de silicium de forme circulaire. Le traitement de ces tranches circulaires a conduit à la spécialisation d'équipements capables de manipuler, découper, et stocker ces tranches. Malheureusement, ces tranches circulaires, lorsqu'elles sont découpées en pièces carrées 'ou rectangulaires, ont pour résultat une quantité importante de pertes. Il est par conséquent souhaitable, dans le but de réduire ces pertes et de diminuer les coûts de production, de travailler à partir d'autres formes de silicium monocristallin. On sait qu'un ruban de sillclum dendritique monocristallin peut croître jusqu'à une longueur de dix sept mètres. Cependant, il n'existe aucun équipement disponible pour traiter automatiquement de tels rubans dendritiques. Actuellement, le ruban dendritique doit être coupé manuellement en utilisant des outils de traçage, à pointe de diamant, tenus à la main. Ces techniques de production manuelles ne sont pas suffisamment rentables et ne présentent pas la précision et la reproductibilité nécessaire pour produire un panneau de cellules photovoltaïques. Par conséquent, le besoin existe d'un équipement automatisé capable de manipuler ces rubans dendritiques. La présente invention concerne une machine destinée à découper automatiquement un ruban de silicium dendritique en pièces de longueurs prédéterminées. Cette machine comporte un premier poste de travail destiné à tracer une pièce de longueur prédéterminée sur ce ruban. Un second poste de travail marque la pièce tracée sur le ruban afin d'identifier un coin à 90' pour un traitement ultérieur et rompt la pièce de longueur prédéterminée du ruban dendritique. Un ensemble est prévu pour faire Z629379 avancer le ruban dendritique d'une longueur prédéterminée dans les premier et deuxième postes de travail. Conformément à un premier mode de réalisation de la présente invention, le premier poste de travail comporte un bras de traçage automatique à pointe de diamant. D'autres modes de réalisation de la présente invention peuvent mettre en oeuvre un couteau à eau sous pression ou un laser pour réaliser les fonctions du premier et du second postes de travail. La machine de la présente invention permet à de grandes longueurs d'un ruban dendritique d'être découpé automatiquement en longueurs précises prédéterminées pour un traitement ultérieur. En plus du découpage du ruban dendritique en des longueurs prédéterminées, chaque pièce est marquée pour permettre un traitement ultérieur. La machine de la présente invention fournit ainsi un dispositif de découpe automatique d'un ruban de silicium dendritique en pièces de longueurs prédéterminées de façon reproductible. Cette machine permet d'appliquer les techniques de production de masse au traitement de ces rubans en permettant ainsi de réaliser une économie importante. Ces avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, décrit à titre d'exemple uniquement et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en plan d'un ruban dendritique; la figure 2 est une vue en coupe du ruban de la figure 1 prise selon la ligne II-II; la figure 3 montre l'orientation d'une cellule photovoltaïque sur une pièce du ruban de la figure 1; les figures 4A et 4B sont des vues en plan'd'une machine de séparation automatique de ruban de silicum dendritique construite conformément aux enseignements de la présente invention; les figures 5A et.5B sont des vues de côté de la machine montrée dans les figures 4A et 4B; la figure 6 est une vue en coupe prise selon la ligne VI-VI de la figure 5A;- la figure 7 est une vue en coupe prise selon la- ligne VII-VII de la figure 7B la figure 8 montre une nacelle utilisée pour stocker les - pièces de ruban dendritlque après leur découpage. On fait croître, selon des techniques connues, un ruban 10 de silicium entre deux armatures ou dendrites 12 et 14 comme le montre la figure 1. Ce ruban 10 est un monocristal de silicium proyenant d'un réservoir de silicium fondu de telle manière que la largeur de ce ruban 10 continue à augmenter jusqu'à ce que soit obtenue une largeur prédéterminée. Puisque le ruban 10 s'étend entre les deux dendrltes 12 et 14, ce ruban 10 peut être appelé un ruban dendritique. Une vue en coupe de ce ruban dendritique 10 est montrée figure 2. Le ruban dendritique peut avoir une largeur maximale de 78 mm par exemple. Le ruban dendritique 10 montré figure 1 peut être coupé en longueurs adéquates afin de former des cellules photovoltaïques conformément aux techniques de traitement connues. Une partie 15 du ruban dendritique 10 découpée pour former une cellule photovoltaïque 16 unique est illustrée à la figure 3. On peut voir que cette cellule photovoltaique 16 est positionnée sur une partie du ruban dendritique 10 avant que ce ruban dendritlque 10 ait atteint sa largeur maximale. A cause de cela, la pièce 15 du ruban 10 illustrée figure 3 peut être appelee un trapèze. La construction de la cellule photovoltaique 16 sur la pièce 15 du ruban dendritique 10 montrée à la figure 3 est accomplie en déposant une pluralité de conducteurs 18 de cuivre de même que des plots conducteurs 20 en cuivre également. Puisque la même configuration de conducteurs 18 de cuivre et de plots 20 de cuivre doit être déposée sur le côté opposé du ruban 10 en coincidence exacte avec les conducteurs 18 et les plots 20 déjà déposés, il est nécessaire de former un repère, tel que le cercle tracé 22, pour identifier un coin à 90' de la pièce 15 du ruban. Grâce à ce cercle tracé 22, il est possible d'aligner ies masques nécessaires au dépôt des conducteurs 18 de cuivre et des plots 20 de cuivre afin d'obtenir une coïncidence précise entre les motifs disposés sur les deux faces opposées de la pièce 15 du ruban. Sur les figures 4A et 4B et les figures 5A et 5B sont montrées respectivement une vue en plan et une vue de côté d'une machine 24 de séparation automatique d'un ruban de silicium dendritique construite conformément aux enseignements de la présente invention. Cette machine 24 est capable de traiter de grandes longueurs d'un ruban de silicium dendritique afin de fournir des longueurs adéquates à la fabrication de cellules photovoltaiques. En plus de fournir des pièces d'un ruban de longueur adéquate, chaque pièce est munie d'un repère tel que le. cercle tracé 22 afin d'identifier un coin à 90 pour la fabrication. Finalement, après que 'la machine 24 a découpé et marqué les. pieces du ruban, cette machine 24 charge les pièces de ruban dans des nacelles, ou des cassettes, pour un traitement ultérieur à des postes de travail suivants. La machine 24 est capable de produire de façon automatique et reproductible des pièces de ruban avec des tolérances serrées dans l'optique d'une production de masse. La machine 24 comporte une table allongée 26. Une barre 28 de poussée, capable de se déplacer sur la. majorité de la longueur de la table 26, est'prévue pour pousser le ruban dendritique. Cette barre 28 de poussée est reliée à une plaque 30 de poussée. Cette plaque 30 de poussée est reliée de façon rigide à un écrou 32 à bille, comme on le voit au mieux à la figure 6, cet écrou à bille étant en prise sur une vis 34 à bille. La vis à bille 34 est mise en rotation par un moteur électrique 36 par l'intermédiaire d'une courroie 38. La vis 34 à bille peut être supportée dans des coussinets 40 par l'intermédiaire de paliers 42.adéquats. A la plaque 30 de poussée est fixée de façon rigide une paire de guides 44 d'arbre, comme on le voit au mieux sur la figure 6. Ces guides d'arbre coopèrent avec une paire d'arbres 46 fixés rigidement à la base 48 de la machine afin d'empêcher la rotation de la plaque 30 de poussée, grâce à quoi le mouvement de rotation de la vis 34 à bille est converti en un déplacement linéaire de la plaque 30 de poussée. Les guides 44 d'arbre et les arbres 46 assurent également ui dépassement adéquat de la plaque. 30 de poussée le long de la table 26. Le but de la barre 28 de poussée et des éléments associés la mettant en mouvement est de pousser le ruban dendritique le long de la table 3usqu'à un premier poste de travail 50 montré à la figure 4B. Le poste de travail 50 peut prendre la forme d'une machine de traçage disponible dans le commerce telle qu'une machine MKT40 de Loomis, un laser ou un couteau à eau sous pression. La machine MKT40 de Loomis est munie d'une table de travail pour traiter des tranches circulaires de silicium. Afin que cette machine de Loomis puisse être utilisée en conjonction avec la présente invention, la table de travail fournie avec la machine doit être retirée. Un bras 51 du poste de travail peut prendre la forme d'un bras de traçage à pointe de diamant lorsque la machine de Loomis est utilisée, un laser ou un jet d'eau lorsque l'on utilise un couteau à eau sous pression. Lorsque l'on utilise la machine de Loomis, le bras 51 est tiré au-dessus du ruban en y appliquant du vide. Lorsque le vide est supprimé, le ruban est tracé par le bras 51 comme celui-ci retourne à sa position de départ.' Une particularité unique de la machine de Loomis est que la pression sur le bras 51 est maintenue par un système de ressort pneumatique permettant au bras 51 à pointe de diamant de suivre les contours du ruban tout en appliquant une pression égale. Dans une machine prototype 24 ayant été construite, la machine de Loomis a été achetée sans l'étage X-Y standard utilisé pour maintenir et déplacer les tranches circulaires traditionnelles. Le ruban reposait sur la table 26 pouvant être réalisée à partir de polyéthylène à poids moléculaire élevé. Ce matériau a été choisi parce que le silicium pur ne doit pas entrer en contact avec du métal à cette étape ou traitement. En outre, le polyéthylène fournit une surface à coefficient de frottement faible pour un glissement aisé. La plaque 30 de poussée, supportant la barre 28 de poussée, a été conçue avec un levier de grande longueur pouvant s'étendre au-dessus de la machine de Loomis afin que cette machine de Loomis d'origine n'ait pas à être trop modifiée pour recevoir le système d'entraînement du prototype. La vis 34 à bille est entraînée en rotation par le moteur pas à pas 36 par l'intermédiaire de la courroie 38 de synchronisation afin de déplacer le ruban. Dans le mode automatique, ce moteur 36 est actionné de façon à déplacer le ruban par étapes précises, par exemple, 10,3 cm. Ce mouvement pas à pas fait en sorte que les pièces successives du ruban soient orientées sous le bras 51 de la machine de Loomis. Un mode de prépositionnement peut être prévu pour déplacer le ruban en position avant de commencer le cycle automatique. Un bras 52 sollicité par un ressort aligne le ruban le long d'un guide 53 de la table 26, ce guide étant perpendiculaire à la trajectoire du bras 51. Finalement, un capteur 54 peut être prévu pour indiquer la présence du ruban afin d'empêcher un fonctionnement superflu du bras 51 de la machine de Loomis. Ce capteur peut être un capteur du type photo- réfléchissant tel que la série OPB disponible chez TRW, Inc. Après que le ruban a été tracé, le fonctionnement du moteur 36 positionne la pièce tracée du ruban à un deuxième poste de travail pouvant'prendre la forme d'un ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture, qui est montré'au mieux à la figure 7. Cet ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture comporte une pointe 58 de traçage munie d'un diamant, montée de façon excentrique dans un mandrin 59. Le mandrin 59 et donc la pointe 58 de traçage à diamant peut être entraînée en rotation continue par un moteur 60 à courant alternatif par l'intermédiaire d'une poulie 61, d'une courroie 62 et d'une poulie 64. Ce moteur électrique 60 de même que la poulie'64 supportant le mandrin 59 est monté sur une plaque mobile 66. Cette plaque mobile 66 peut être déplacée vers le bas le long de broches 68 de guidage à l'aide d'un solénoïde 70. Lorsqu'il est actionné, le solénoïde 70 agit à l'encontre de la force exercée par une paire de ressorts 72 de compression disposés sur les broches de guidage 68. Lorsque le solénoïde 70 n'est pas actionné, les ressorts de compression 72 poussent la plaque mobile 66 vers le haut, de telle sorte que la pointe 58 de traçage au diamant ne vient plus au -contact du ruban. Lors de l'actionnement du solénoide 70, la plaque mobile 66 est déplacée vers le bas en amenant ainsi la pointe 58 de traçage au diamant en contact avec le ruban. Puisque cette pointe de traçage au diamant est entraînée en rotation continue par le moteur 60, le repère 22 circulaire tracé décrit plus haut en conjonction avec la figure 3, est tracé sur le. ruban. On peut prévoir d'autres types de repères tracés. La pointe 58 de traçage au diamant est portée par le mandrin 59 de telle sorte que cette pointe 58 de traçage se déplace vers le haut à l'intérieur du mandrin 59 lorsque la plaque mobile 66 se déplace vers le bas. Ce mouvement vers le haut de la pointe 58 de traçage limite l'intensité de la force appliquée au ruban par cette pointe 58 de traçage. Un ressort 74 de compression porté par un bras 75 de la pointe 58 de traçage permet à cette pointe 58 de traçage de revenir à sa position initiale ou vers le bas, lorsque la plaque mobile 66 retourne à sa position initiale ou vers le haut. Après que la pièce du ruban située à l'intérieur de l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture a été tracée par la pointe de traçage 58 au diamant, le moteur 36 est actionné à nouveau afin de déplacer le ruban le long de la table 26. Ce déplacement transporte la pièce de ruban venant d'être tracée circulairement au-delà du bord de la table 26, transporte la pièce de ruban venant d'être tracée par la machine-de Loomis dans l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture, et transporte une nouvelle partie de ruban à l'intérieur de la machine de Loomis. Lorsque l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture est actionné maintenant, la partie de ruban s'étendant au-delà du bord de la table 26 va être rompue par une barre 76 de rupture portée par la plaque mobile 66. Comme la plaque mobile 66 se déplace vers le bas, la pointe de traçage 58 est amenée au contact du ruban et réalise le repère circulaire tracé tout en se rétractant à l'intérieur du mandrin 59. Avant que cette pointe de traçage circulaire 58 ait été complètement rétractée à l'intérieur du mandrin 59, la barre 76 de rupture sera amenée au contact de la pièce de ruban s'étendant au-delà du bord de la table de façon à rompre une partie du ruban le long de la ligne tracée réalisée par le poste de travail 50. Un capteur 77 peut être disposé pour indiquer qu'une pièce du ruban- est positionnée à l'intérieur de l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture de façon à assurer que cet ensemble 56 n'est pas'actionné de façon inadéquate. Ce capteur 77 peut être du même type que le capteur 54. Au moment o la pièce de ruban s'étendant au-delà du bord de la table 26 est rompue, celle-ci tombe sur une première paire de courroies 78 de convoyeur chevauchant une deuxième paire de courroies 80 'de convoyeur. Les courroies 78 de convoyeur font partie d'un premier dispositif élévateur 82 disponible commercialement tandis que la deuxième paire de courroies 80 de convoyeur font partie d'un second dispositif élévateur 84 disponible dans le commerce. Les dispositifs élévateurs 82 et 84 peuvent être deux élévateurs Cybeq 2600 montés nez à nez à l'extrémité de la table 26. Ces dispositifs élévateurs sont modifiés de façon à pouvoir recevoir les nacelles 86 ou cassettes de polypropylène réalisées spécialement, utilisées pour stocker les pièces de ruban. Ces nacelles 86 sont montrées en détail à la figure 8. Un capteur'88 indique la présence d'une pièce de ruban sur la première et la deuxième paires de courroies 78 et 80 de convoyeur, respectivement. Une courroie de la paire de courroies de convoyeur est actionnée afin de transporter la pièce de ruban jusqu'à la nacelle 86. Un capteur 90 indique le moment o la pièce de ruban est chargée dans la nacelle 86. Les capteurs 88 et 90 peuvent être du même type que le capteur 54. Une fois que 1a pièce de ruban est chargée, un mécanisme de vis à bille sur le dispositif élévateur est actionné afin de soulever la nacelle jusqu'à la prochaine fente, de sorte que la prochaine pièce de ruban peut être chargée. Lorsque cette nacelle est remplie, l'autre dispositif élévateur est actionné. Si les deux nacelles sont remplies, la machine 24 s'arrête jusqu'à ce qu'une des nacelles soit remplacée. Le fonctionnement de la machine 24 peut être effectué sous la commande de circuits logiques discrets ou d'un microprocesseur programmé selon les techniques de programmation connues. Le fonctionnement du microprocesseur pourrait être par exemple comme suit. Le moteur 36 est actionné afin de faire avancer la première pièce de ruban jusqu'au poste de travail 50. Le capteur 54 est lu pour s'assurer que le ruban est positionné au poste de travail 50. Ce poste de travail 50 est actionné afin de tracer une ligne perpendiculaire à l'axe longitudinal du ruban. Après le traçage sur le ruban, le moteur 36 est à nouveau actionné afin de faire progresser le ruban le long de la table 26 afin d'amener la pièce venant d'être tracée jusqu'à l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture. Le capteur 77 est lu afin de s'assurer que la pièce du ruban est positionnée à l'intérieur de l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture. A ce moment, le poste 50 de travail et le solénoïde 50 sont actionnés en même temps. A. nouveau, le moteur 36 est actionné afin de faire progresser le ruban le long de la table 26, ce qui amène une nouvelle pièce de ruban jusqu'au poste de travail 50, déplace le ruban venant d'être tracé jusuqu'à l'ensemble 56 de traçage circulaire et de rupture, et déplace la pièce de ruban venant d'être tracée circulairement jusqu'à une position au-delà du bord de la table 26. A nouveau, le poste de travail 50 est actionné et le solénoïde 70 l'est également. La pièce de ruban rompue par la barre de rupture 76 tombe sur les courroies 78 et 80 de convoyeur. Le capteur 88 détecte la pièce de ruban et une paire de courroies de convoyeur est actionnée afin de porter la pièce de ruban jusqu'à une nacelle. Une fols que la pièce de ruban est détectée par le capteur 90, le dispositif élévateur déplace cette nacelle de façon à ce que celle-ci soit à même de recevoir la prochaine pièce de ruban et la machine 24 recommence un nouveau cycle. Un nouveau cycle n'est pas commencé si le capteur 88 détecte une pièce de ruban. Les opérations mentionnées ci-dessus sont répétées jusqu'à ce que le ruban tout entier ait été traité. Comme on vient de le voir, il est possible d'utiliser pour le poste de travail 50 des équipements d'un autre type que la machine de Loomis deéjà citée. Par exemple, on pourrait utiliser un laser qui découperait le ruban. Le principal avantage d'un système laser sur le traçage avec une pointe au diamant serait que l'étape de rupture serait éliminée. En supposant que le laser possède deux degrés de liberté, x et y, l'étape de traçage circulaire pourrait également être éliminée puisque le laser pourrait être utilisé à la gravure d'un repère d'identification sur le ruban. Un inconvénient majeur du système laser est que le coût total serait grandement augmenté par rapport à une machine de traçage à pointe de diamant. Un système laser nécessiterait également une enveloppe afin de contenir le faisceau pour la protection de l'opérateur. Si la table 26 présentait des cassures de ruban ou autres débris, il serait nécessaire de couper le laser afin de permettre l'entretien ou la réparation par un opérateur. En variante du système laser, un couteau à eau sous pression pourrait être utilisé pour le poste de travail 50. Cependant, il a été trouvé que le coût d'un couteau à eau sous pression serait supérieur à celui d'une machine de traçage à pointe de diamant. Bien que la présente' invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation cité à titre d'exemple, on comprendra que de nombreuses modifications peuvent y être apportées par l'homme de l'art sans quitter le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Machine (24) destinée à couper automatiquement un ruban (10) de silicium dendritique en pièces de longueurs prédéterminées, caractérisée en ce qu'elle comporte une table (26) pour supporter le ruban (10),'un poste de travail (50) pour couper le ruban en pièces de longueur prédéterminée et pour marquer ces pièces de ruban pour un traitement ultérieur, et un mécanisme (28, ,32,34,36) destiné à faire avancer le ruban (10) jusqu'audit poste de travail (50).de ladite longueur prédéterminée. 2. Machine (24) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit poste de travail (50) comporte un laser (51) destiné à découper le ruban en pièces de longueur prédéterminée et à marquer les pièces de ruban pour uhn traitement ultérieur. 3. Machine (24) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit poste de travail (50) comporte un jet d'eau sous pression (51) destiné à découper le ruban en pièces de longueur prédéterminée et une pointe (58) de traçage circulaire destinée à marquer les pièces de ruban pour un traitement ultérieur. 4. Machine (24) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit poste de travail (50) comporte un bras (51) de traçage automatique et une barre (76) de rupture destinés à découper le ruban en pièces de longueur prédéterminée et une pointe (58) de traçage circulaire destinée à marquer les pièces de ruban pour un traitement ultérieur. 5. Machine (24) selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite pointe (58) de traçage circulaire comporte une pointe rotative montée de façon excentrique. 6. Machine (24) selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens d'actionnement (70), et en ce que ladite pointe (58) rotative montée de façon excentrique est portée par une plaque mobile (66) réagissant auxdits moyens d'actionnement (70) de façon à faire en sorte que, lors de l'actionnement, ladite plaque mobile (66) déplace ladite pointe (58) jusqu'au contact avec ladite pièce de ruban.. 7. Machine (24) selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite barre (76) de rupture est portée par ladite plaque mobile (66) de telle façon que, lors de l'actionnement, ladite plaque mobile (66) déplace ladite barre (76) de rupture jusqu'au contact avec ladite pièce de ruban après que ladite pointe (58) ait été portée au contact de ladite pièce de ruban. 8. Machine (24) selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un mandrin (59) porté par ladite plaque mobile (66), ledit mandrin (59) portant ladite pointe (58) de telle sorte que ladite pointe (58) se rétracte à l'intérieur dudit mandrin (59) lorsque ladite plaque mobile (66) déplace ladite pointe (58) jusqu'au contact avec ladite pièce de ruban. 9. Machine (24) selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un ressort (74) porté par ladite pointe (58), ledit ressort (74) étant porté d'une façon telle qu'il fasse en sorte que ladite pointe (58) exerce une pression sur ladite pièce de ruban lorsque ladite pointe (58) se rétracte à l'intérieur dudit mandrin (59). 10. Machine (24) selon, la revendication 1., caractérisée en ce que ledit mécanisme d'avancement (28, ,32,34,36) comporte une barre (28) de poussée pour faire avancer le ruban.le long de ladite table (26). 11. Machine (24) selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit mécanisme d'avancement (28, ,32,34,36) comporte un écrou (32) à bille relié à ladite barre (28) de poussée, et une vis (34) à bille, susceptible de tourner, portant ledit écrou (32) à bille. 12. Machine (24) selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit mécanisme d'avancement (28, ,32,34,36) comporte un moteur électrique (36) destiné à entraîner en rotation de façon périodique ladite vis (34) à bille. 13. Machine (24) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite table (26) possède une surface de polyéthylène à faible coefficient de frottement afin de permettre le glissement du ruban sur celle-ci.