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上银携手仪科 打造线上即时检测设备
低油价促绿能产业提升竞争力

【作者: 陳念舜】2020年06月04日 星期四

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为了兼顾能源安全、绿色经济及环境永续,发展太阳能光电并促进产业在地发展,成为政府推动「5+2产业创新」计画里重要的能源政策之一。到了2020年初遭逢新冠肺炎疫情,更导致能源市场需求降低与低油价冲击,对於再生能源产业挑战更为严苛,期盼台厂能透过与智慧机械、AIoT产学龙头联手降低成本,共同提升相关业者在海内外竞争力。


自2020年初新冠肺炎疫情冲击以来,除了造成全球能源需求锐减,从每日消费上亿桶原油骤降至6,500万~7,000万桶;产油大国又不愿意放手减产,供给过剩曾导致石油期货市场一度出现负油价,甚至波及再生能源产业。


继去年新增发电容量成长已趋缓,就连今年也不容乐观,让各地环保团体纷纷要求,应将企业减碳效益纳入??困方案;包括在欧盟「绿色政纲」(European Green Deal)、南韩「绿色新政」等下一阶段振兴经济的财务计画中,也盼逐步移除对化石燃料投资。


根据国际再生能源总署(IRENA)最新统计数据显示,2019年全球再生能源发电容量新增176GW,比起2018年新增179GW成长幅度减少2%,其中太阳能发电新增容量97.68GW,比起2018年下滑2.5%。主因即是亚洲各国纷纷削减再生能源发电补贴,去年当地新增发电容量已较前年减少12%,中国大陆和日本分别下降15%、40%。今年更可能因为疫情迫使再生能源设备供应链的工厂停、复工进度不一,削弱新增发电容量的成长动能;以及低油价恐将延缓国际社会扬弃化石燃料的速度,都促使再生能源产业必须提升cost down竞争力。


台湾光机电三方结盟 跨域整合共创双赢

若依制程技术剖析现今全球太阳能电池市场,约可概分为矽晶、薄膜两类,其中矽晶型属於较为成熟的半导体量产技术,每单位功率的相对成本低,仍为市场主流。薄膜型太阳能电池则属於镀膜方式,光谱吸收范围较宽,日照强度及角度弹性高,CIGS(??化铜????)光转换效率可达16%~19.5%;反应层0.003mm<矽晶型1mm,使之生产成本架构更具优势,还可节约在制造过程中消耗的能源和原材料。


加上CIGS制造与应用弹性较大、防眩光特性,还能用来制作可挠式基板太阳能电池,特别适用於建筑整合太阳能(Building-integrated Photovoltaics;BIPV)的大楼、机场帷幕玻璃,或可携式产品的电源等商机,年产值上看300亿美元,极富有维护绿色环境的市场需求潜力。


目前在台湾拥有自制CIGS薄膜太阳能电池能力的上银光电公司总经理林明尧表示,该公司目前投入BIPV市场,主要集中於欧洲及大英国协的英格兰、爱尔兰、澳洲等国;美国则因为建筑工法不同居次;日本市场相对封闭;东南亚市场以泰国为主,却都透过技术团队与当地建设公司、建材商、设计师协同开发,以取代传统建材,而非与地面型太阳能电厂直接竞争。



图1 : 上银光电日前发表与上银科技,以及国研院仪科中心跨域整合,共创新利的成果。(摄影/陈念舜)
图1 : 上银光电日前发表与上银科技,以及国研院仪科中心跨域整合,共创新利的成果。(摄影/陈念舜)

然而,因为过去台湾厂商对於研究CIGS薄膜太阳能电池起步较晚,生产及检测设备长期被欧美日各国垅断。面对近年来再生能源产业对於太阳能电池成本及品质要求越来越严苛,上银光电为了致力突破生产技术瓶颈,也在日前正式发表与母集团传动元件大厂上银科技,以及客制化光电仪器重镇国研院仪科中心(TIRI ,NARLabs)跨域整合,共创新利的成果。


同时整合双方在光学量检测与智慧机械等光机电核心技术量身订作,开发首套客制化线上全检「CIGS太阳能板产线智慧即时回??检测设备」,将检测效能提升30倍以上,带动绿能产业在地化发展。还可藉此反??即时分析、判读结果,再透过AIoT架构来调整前端制程,大幅提升终端生产效能与品质加值,相关产业设备供应链,不失为提升国际竞争力良策。


上银光电从制程着手cost down 有效提升CIGS竞争力

林明尧进一步指出,虽然早期台湾曾有台积电率先投入生产CIGS太阳能电池却撤出,但两者最大差别,在於上银光电产品本身既不含剧毒镉成份,或如同单晶矽太阳能电池用铅焊接,方便让客户使用20年回收,避免污染环境。且其一贯化连续制程,亦为提高终端产品良率关键!林明尧认为,CIGS除了转换效率不及单晶矽之外,制程繁复又难以检验大面积板材也是缺点之一,倘若出现瑕疵就会全数报废,不像单晶矽面积小而容易管控品质。


随着现今太阳光电系统业者对於电池板的品质管控变得越来越严格,例如在CIGS、导电膜制程中,必须利用雷射或机械对太阳能板材共执行3道划线制作程序,即可能出现划线宽或线距变异、扭曲、深度不足或过深造成崩裂等现象。若厂内上百条生产线皆采取传统离线人工抽检、分析与研判每片太阳能板材全部区域,须耗时30~60分钟;回溯制程出状况时,还要停机维修或更换磨损刀具,耗费大量时间与成本,恐无法符合现今快速量产需求。


近年来上银光电也找上台湾唯一拥有太空级光学专业知识的仪科中心,并与母公司上银科技合作投入光机电系统整合,不只扮演使用者的角色,还提供许多制程专业知识。林明尧强调:「影响产品品质的关键并非检验,而是从设计、制造而来,检测设备则主要用来提供标准,减少设计制造过程中造成的产品不良率或客诉。」


期盼藉该设备在每次检测过程中搜集、累积足够大数据供人工智慧(AI)分析,就能推测出长远趋势,提升检测效率,未来制造厂只要选择检验太阳能电池板材的特定区域即可。倘若发现不良品缺陷或瑕疵处之後,再判断原因分类,即时回??前端修正叁数、减少刀具磨耗等制程,以协助改善品质,满足客户需求,让上银光电如今制作CIGS太阳能板的良率达到99.2%,比全球平均值75%~80%要高出许多。


仪科中心客制化开发 融入AIoT核心技术

国研院仪科中心组长陈铭福表示,目前该设备为台湾首度,也是唯一完成客制化开发,并导入生产线上全检的设备,由该中心负责的核心技术,包括:阵列式高解析AOI光学取像系统(感测器)与影像量检测运算核心、高效能运算储存系统(边缘运算)等硬软体,在生产线上快速、精确地全面检测太阳能板;再纳入生产系统资料库(云端),搜集资料与监控管理,共同组成AIoT智慧物联网架构。


其中高精度高效能的阵列式AOI光机取像系统,可用来大幅缩短取像时间,在20秒内快速撷取每片62cm(W) x 122cm(L)的大型薄膜太阳能板材影像;由於都是在机械划线之後的制程站上完成线扫描检测,少了反光问题也可控制光源强度,得以取得可供人工智慧(AI)应用的高品质影像,影像空间解析度达到约5μm/pixel (像素)、每片板材的影像资料将超过300亿像素,造成十分庞大的巨量影像资料。



图2 : 国研院仪科中心依照客户需求量身打造客制化仪器解决方案。(source:国研院仪科中心)
图2 : 国研院仪科中心依照客户需求量身打造客制化仪器解决方案。(source:国研院仪科中心)

所以还须搭配具有AI功能的高效能运算储存系统,再透过中央电脑整合多伺服器和磁碟阵列储存装置的分散式系统架构,於40秒内完成每片板材32GB影像运算(30sec)与储存(10sec),建置智慧工厂产线,大幅提升生产效能和品质。同时透过量检测运算核心的影像处理软体及演算法,可於1分钟内完成量检测每片板材及判别品质、增加分类正确性,大幅提升AOI解析度和检测效能达30倍以上,找出不良品或瑕疵,防止一旦超出筛选标准,恐影响整片板材的发电效能,未来只要累积足够资料量,持续训练就会越来越聪明。


并将检测结果经过设备操作管理及图形化人机介面(GUI)输出与储存,进而分析、追溯主因,让工程师、操作人员据此调整设定最隹化生产叁数、改善制程,以符合现今上银光电规划生产线上即时(real time)检测的效率要求,达到制造与检测之间最隹效能。


上银科技推进改良前端制程 大幅提升终端产品良率

另结合从传动元件/系统专业起家的母集团上银科技,提供精密定位移动平台、上下料工业机器人等,藉着自主掌握关键制程设备以提升产品品质,建立竞争者难以跨越的发展优势。上银科技公司经理廖天赐指出,为了满足上银光电在生产线上整合光机取像系统,实现於1分钟内完成每片大面积板材全面自动化光学量检测、快速取像的精度要求。


由上银科技负责开发的精密定位移动平台,采用较抗震的花岗岩底座与线性马达传动,使之精度可达到半导体设备等级;再利用高精度陶瓷吸盘载台整合调校机构的设计,降低大面积太阳能板边缘翘曲致模糊的缺点,确保其平面度可符合AI清晰取像要求。以及透过自主开发的机器人双臂交换系统架构设计,提高上下料效能,连结自动化生产线与AIoT检测设备。



图3 : 太阳能板产线智慧即时回??检测设备稳定性与检测精确性已通过产线验证。(source:国研院仪科中心)
图3 : 太阳能板产线智慧即时回??检测设备稳定性与检测精确性已通过产线验证。(source:国研院仪科中心)

最後交由上银光电负责光机电系统整合测试,与生产系统的操作流程与资料介面整测、设备系统效能与压力测试验证等,组成线上全检设备。林明尧表示,由於CIGS系属连续制程,即使加快检验制程,仍可能会在各站之间卡关,所以刚开始开发设备,只设定目标为2分钟。


但随着将整套设备安装在该公司其中一条生产线上1年来,并验证通过稳定性及检测精确性,发现光是透过自动化将原本人工抽检时间30分钟缩短为1分钟全检,便足以大幅降低设备、人力等成本;又不必停机检测来提升良率,大幅增加板材检测数量,减少不必要的损失。


再将不同制程阶段检测结果自动连结到中央工业电脑与资料库,即时判断制程可能出现的问题,回??到制程调整设备、刀具最隹化,有效提高生产效率及品质。藉此掌握专利後,未来还可能规划生产不同规格的太阳能电池,用於建置智慧工厂生产线;也不排除与非竞争对手的相关产业合作,扩大Turnkey输出布局获利。


结语

值得一提的是,观察台湾智慧机械产业22年来盼扩大加入半导体制程设备供应链,成效却相当有限。藉本案例可见,虽然过去将AOI光学检测瑕疵用於半导体、面板产业并非首例,如今却有机会结合AIoT架构、智慧机械整合,协助再生能源新创公司在最短时间内开发完成大面积板材量检测;进而即时回??、修正制程缺陷,提高生产效能与品质,无疑是未来台湾制造业可藉此加速转型升级的成功商业模式。


仪科中心藉累积多年来光机电整合能力,不仅能依客户需求量身打造客制化仪器解决方案;还可透过纵向技术加值或横向跨域整合、经由策略联盟或技术互补等多元合作模式,协助夥伴开发客制化量检测设备,以符合现有产线的需求规格,掌握自主化关键技术并降低成本。


上银光电身为使用者,不仅具有自主开发CIGS薄膜太阳能电池技术可分享,还能透过上银科技扮演三方整合的角色,期待未来透过开发这套「太阳能板产线智慧即时回??检测设备」建立的技术和能量,还能延伸至类似产线或产品检测,如玻璃基板、平面显示器、印刷电路板、半导体晶片,甚至纺织皮革等领域,提升更多台湾电子产业或传统产业的国际竞争力。


@刊头图(source:ive.staticflickr.com/)


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