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Machine-Vision-Lösung für die Solarzellen-Produktion

  • Wafer-Positionierung mit der VC Solar SolutionWafer-Positionierung mit der VC Solar Solution
  • Wafer-Positionierung mit der VC Solar Solution
  • Kompakte Bildverarbeitungssysteme mit 5-­Megapixel-Auflösung: VC6210 nano und VCSBC6210 nano
  • Das EL-MES Module von Buchanan Systems erstellt Elektrolumineszenz-Aufnahmen von ­Solarmodulen und wertet diese aus
  • Die VC4002L-Zeilenkamera überwacht in der ­Solarzellenproduktion das Aufbringen der Leiterbahnen durch Laser

Die staatlichen Fördermaßnahmen für Photovoltaik-Anlagen werden nach und nach zurückgenommen. Um dies auszugleichen und wettbewerbsfähig zu bleiben, sind jetzt die Solarhersteller gefragt: Sie müssen ihre Produktionsprozesse optimieren, die Qualität der Solarzellen und damit ihren Wirkungsgrad erhöhen, aber gleichzeitig für höheren Durchsatz sorgen. Hilfe bekommen sie von Bildverarbeitungsspezialisten, die zuverlässige und schnelle Lösungen für die Qualitätskontrolle bieten.

Die Solartechnik hat in den vergangenen Jahren einen beträchtlichen Aufschwung erlebt - aufgrund steigender Energiepreise besteht eine besonders hohe Nachfrage nach Photovoltaikanlagen, die die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie ermöglichen. Unterstützt wurde dieser Trend in Deutschland bisher von verschiedenen Förder- und Konjunkturprogrammen, deren Umfang vor kurzem jedoch beträchtlich reduziert wurde: Bis zum 1. Januar 2012 erfolgt in vier Schritten eine Rückführung der Solarstromförderung um bis zu 50 Prozentpunkte. Laut BSW-Solar-Geschäftsführer Carsten Körnig bedeutet dies Folgendes für Solarhersteller und -anwender: „Um weiterhin eine hohe Nachfrage und den eigenen Marktanteil zu sichern, steht Deutschlands Solarindustrie nun vor der großen Herausforderung, die Kosten für die Produktion von Solarzellen und anderen Solarkomponenten noch schneller zu senken als in der Vergangenheit und gleichzeitig die Wirkungsgrade und Qualität der Produkte weiter zu steigern." Vollautomatischen Produktionsanlagen, wie sie bereits zunehmend eingesetzt werden, um das Handling der hochempfindlichen Komponenten zu erleichtern und die Produktivität zu erhöhen, wird somit in Zukunft eine noch höhere Bedeutung zukommen. Hierfür bietet der Bildverarbeitungsspezialist Vision Components Bildverarbeitungskomponenten, aus denen sich zuverlässige und kosteneffiziente Lösungen für die Qualitätskontrolle zusammensetzen lassen.

Prüfaufgaben in der Solarzellen­produktion
Kernbestandteil von Solarmodulen sind Solarzellen aus mono- oder polykristallinen Silizium-Wafern, die elektrisch miteinander verschaltet sind und Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Für die Gesamtanlagen wird ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt.

Reinheit und Genauigkeit haben daher bei der Fertigung der ca. 0,2 mm dicken Siliziumscheiben höchste Priorität: Ausschuss muss so früh wie möglich aussortiert werden, damit fehlerhafte Komponenten später nicht die Energiebilanz des Solarmoduls verschlechtern. Zu den Prüfaufgaben in der Solarzellenfertigung zählen u. a. das Feststellen der Wafer-Positionen, das Erfassen aller geometrischen Größen, die Prüfung der Wölbung und Dicke sowie das Detektieren von Rissen und Kantenausbrüchen. Dazu müssen Bildverarbeitungssysteme ein großes Sichtfeld abdecken und eine schnelle Bildübertragung gewährleisten. Echtzeitsysteme, die die parallele Auswertung mehrerer Bilder ermöglichen, erhöhen die Prozessgeschwindigkeit, da mehrere Prüfaufgaben gleichzeitig durchgeführt werden können.

Maßgeschneiderte Software-Bibliothek
Die intelligenten Kameras von Vision Components bilden zusammen mit der hauseigenen Software-Bibliothek VC ­Solar Solution eine Komplettlösung für die kameragestützte Fertigungsüberwachung und Qualitätssicherung in der Solarzellenherstellung. Zusätzliche PCs sind überflüssig, da die netzwerk- und echtzeitfähigen Kameras als eigenständige Vision-Systeme arbeiten. Die Kameras werden mit diesem Softwarepaket zur vollwertigen Robot-Guidance-Lösung, die alle erkannten Positionierungsdaten über eine Datenleitung an den Fertigungsroboter in der Anlage meldet. Dieser kann dann ggf. Korrekturbewegungen ausführen bzw. fehlerhafte Wafer aussondern, bevor sie im nächsten Produktionsschritt weiterverarbeitet werden.

Breites Kameraspektrum
Zur Kombination mit der VC Solar Solution bietet Vision Components Nutzern ein nach Leistung abgestuftes Spektrum intelligenter Kameras. Das Modell VC4067/NIR beispielsweise wurde speziell für das Elektrolumineszenz-Verfahren entwickelt, mit dem Anwender quasi in die Solar-Wafer hineinschauen können. Die besonders lichtempfindliche Kamera liefert dank einer speziellen Ansteuerung der Sensorik präzise Bildaufnahmen bei Wellenlängen bis zu 1.200 nm. Sie gewährleistet auch unter Schwachlichtbedingungen sehr gute Ergebnisse. Dank eines integrierten 400-MHz-Prozessors von Texas Instruments erreicht die VC4067/NIR eine Rechenleistung von 3.200 MIPS. Der 2/3"-CCD-Sensor bietet eine Auflösung von 1.280 x 1.024 Pixeln und eine maximale Bildrate von 14 fps. Seit kurzem ist die VC4467/NIR verfügbar, die mit einem 1 GHz-Prozessor eine noch höhere Rechenleistung erreicht.
Eine weitere Neuentwicklung sind die Nanokameras mit beidseitig bestückter Platine, die wahlweise als Platinenkamera oder im Schutzgehäuse erhältlich sind. Sie eignen sich für zahlreiche Aufgaben in der Photovoltaik-Produktion, so etwa die Vermessung, Lageerkennung und das Handling von Solar-Wafern. Die Gehäusekamera VC6210 nano misst 80 x 45 x 20 mm, das Schwestermodell aus der Platinen-Kamerafamilie, VCSBC6210 nano, 40 x 65 mm. Mit 32 MB Flash und 128 MB DDRAM haben beide Modelle mehr Speicherplatz als alle anderen VC-Kameras, und sind dank eines 700 MHz-Prozessors und einer Rechenleistung von 5.600 MIPS zudem äußerst schnell. Die Bildaufnahme erfolgt durch einen Global-Shutter-CMOS-Sensor mit einer Auflösung von 5 Megapixeln, der mit der Leistungsfähigkeit eines CCD-Sensors mithalten kann und selbst in schnellen Applikationen scharfe Bilder liefert.

Anwendungsbeispiel: Testanlage für Solarmodule
Mit VC-Kameras sind bereits eine ganze Reihe von Anwendungen in der Solartechnik implementiert worden. Buchanan Systems, ein Hersteller von Messgeräten für die Solarindustrie, hat beispielsweise für das Unternehmen Bosch Solar Modules ein System für die Erstellung von Elektrolumineszenz-Bildern entwickelt, das sich in der Praxis bestens bewährt hat. Das EL-MES Module, das auf zwei VC4067/NIR-Kameras basiert, erstellt Aufnahmen von Solarmodulen mit einer Größe bis 2.200 x 1.200 mm - hierfür werden eine Übersichts- und eine Detailkamera eingesetzt. Die Übersichtskamera ist fest oberhalb des Moduls installiert; die Detailkamera kann mit einem manuell verstellbaren Linearachsensystem bewegt werden. Eine speziell entwickelte Software ermöglicht es Anwendern, die Messparameter der jeweiligen Prüfaufgabe anzupassen. Das System erreicht Aufnahmezeiten von 200 bis 500 ms. Über einen angeschlossenen PC wird die Bildaufnahme ausgelöst, außerdem lassen sich Bilder speichern und auswerten.

Laser Scribing in Echtzeit
Eine weitere Anwendung ist das Solar-Eye-System des Unternehmens EVT, das aus einer VC4002L-Zeilenkamera von Vision Components sowie anwendungsspezifischer Software besteht. Die Zeilenkamera kontrolliert Laser Scribing, d. h. das Separieren von Leiterbahnen auf Dünnschicht-Solarzellen per Laser. Auf das Trägermaterial der Zellen, z. B. Glas, wird dabei ein dünner Siliziumfilm aufgetragen, der per Laser strukturiert wird. Die Leiterbahnen verlaufen parallel und möglichst eng nebeneinander, ohne sich jedoch zu berühren. Das Monitoring-System regelt den Laser in Echtzeit auf 1 µm genau. Die Positionsdaten der Laserlinie werden mit einer Geschwindigkeit von 5 ms erfasst, sodass je Sekunde 200 Messwerte zur Verfügung stehen, die per Ethernet- oder RS232-Schnittstelle direkt von der Kamera ausgelesen werden können. Die Auswertedaten und die Bilddaten des Sensors können an ein optionales Displayterminal und an einen Leitrechner übertragen werden, sodass im Fehlerfall die Fehlerquelle direkt sichtbar ist. Die robuste Kamera enthält die komplette Auswerteelektronik und führt eigenständig sämtliche Bildverarbeitungsprozesse aus. Nur zur Parametrierung muss sie mit einem PC verbunden werden. Nutzer können aus drei Inte-grationsmodi wählen: autonomer Betrieb oder externe Triggerung bei einer kon-stanten bzw. einer vom Trigger-Signal abhängigen Belichtungszeit.

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Vision Components GmbH
Ottostr. 2
76275 Ettlingen
Germany
Telefon: +49 7243 2167 0
Telefax: +49 7243 216711

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