Vollautomatisierte in-line Schichtdickenmessung von Photovoltaikfolien

Folien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren charakterisieren

  • Das Schichtdicken-Messystem mit ­Wicklereinheit im Einsatz bei  der vollautomatisierten ­Qualitätskontrolle einer Folien­beschichtung. (Bild: Laytec)Das Schichtdicken-Messystem mit ­Wicklereinheit im Einsatz bei der vollautomatisierten ­Qualitätskontrolle einer Folien­beschichtung. (Bild: Laytec)
  • Das Schichtdicken-Messystem mit ­Wicklereinheit im Einsatz bei  der vollautomatisierten ­Qualitätskontrolle einer Folien­beschichtung. (Bild: Laytec)
  • Die Benutzeroberfläche  des Messsystems in der Reflektanzansicht: Neben dem gemessenen Spektrum (oben links) wird der statistische Verlauf der Mess­ergebnisse in einem Statistical-Process-Control-Chart (oben rechts) sowie die örtliche Verteilung der Messergebnisse auf der Folie (unten in Falschfarben) dargestellt. (Bild: Laytec)

Während die Schichtdickenmessung auf nichtflexiblen, planaren Substraten mit optischen Methoden wie Reflektanzmessungen vollautomatisiert charakterisiert werden kann, ist die Messung auf flexiblen Folien aufgrund einer in der Regel nicht vermeid­baren Welligkeit bislang eine große Herausforderung. Ein Berliner Hersteller hat ein ­Messsystem entwickelt, das in der Lage ist, beschichtete Folien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (Roll-to-roll, „R2R“) zu charakterisieren. Das erste System wurde nun kürzlich bei einem führenden Hersteller von flexiblen Photovoltaikmodulen in Betrieb genommen. Das Messsystem steuert hierbei ein Wicklersystem, das die Folien des Rollenpaares hochpräzise auf- und abwickelt und dadurch am Messkopf vorbeibewegt. Auch eine ­gewisse Restwelligkeit beeinträchtigt die ­Messung nicht.

Die Charakterisierung dünner, auf flexiblen Folien abgeschiedener Schichten gewinnt stetig an technologischer Bedeutung. Die beschichteten Folien kommen dabei in vielen Anwendungen zum Einsatz, zum Beispiel als Lebensmittelverpackungen, gedruckte Elektronik, als Rückseiten­folien für Photovoltaikmodule oder auch in flexiblen Photovoltaikmodulen für die direkte Gebäudeintegration. Die Dicke dieser funktionalen Schichten liegt dabei üblicherweise im Nanometerbereich und erfordert daher hochpräzise Messmethoden.

Während auf nichtflexiblen, planaren Substraten solche Schichten regelmäßig mit optischen Methoden wie Reflektanzmessungen vollautomatisiert charakterisiert werden können, ist die Messung auf flexiblen Folien aufgrund einer in der Regel nicht vermeidbaren Welligkeit bislang eine große Herausforderung. Die Welligkeit der Folien, die lokal im Millimeterbereich liegen kann, verhindert dabei oft das gezielte Fokussieren der Optik auf die zu vermessende Schicht und verhindert damit das Erreichen einer hinreichenden Messgenauigkeit von einigen Nanometern.

Laytec, ein Hersteller von prozessintegrierten Messsystemen für dünne Schichten in den Bereichen Photonik, Photovoltaik und Beschichtung, hat mit dem Messsystem Ilmetro R2R eine vollautomatisierte Messstation vorgestellt, die in der Lage ist, solche im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (Roll-to-roll, „R2R“) beschichteten Folien zu charakterisieren.

Dabei lassen sich Parameter wie Schichtdicke, Schichtwiderstand und Transparenz mit einer beliebigen Abastdichte entlang des gesamten Rollenpaares automatisiert bestimmen. Das erste System wurde nun kürzlich bei einem führenden Hersteller von flexiblen Photovoltaikmodulen in Betrieb genommen. Das Messsystem steuert hierbei ein Wicklersystem, das die Folien des Rollenpaares hochpräzise auf- und abwickelt und dadurch am Messkopf vorbeibewegt. Ilmetro R2R charakterisiert dabei alle kritischen Schichten des Folienschichtstapels und ermöglicht so eine ­autarke flächendeckende Qualitätskontrolle der Schichteigenschaften.

Vermisst auch wellige Folien zuverlässig

Das Herzstück des Messsystems ist der bewegliche Linearmesskopf, der die Folie senkrecht zur Transportrichtung an beliebigen Messpositionen vermisst. Je nach Mess­aufgabe steuert das System den Transport der Folie selbst und ermöglicht so beliebige Abtastraten und -muster. Die Bewegung des Messkopfes ist dabei alles andere als trivial. Einerseits muss sichergestellt sein, dass keine Störungen durch unbeabsichtigte Bewegungen oder Verformungen der optischen Fasern entstehen, die den Messkopf mit den zugehörigen Spektrometern verbinden. Andererseits muss der Messkopf selbst auf die oben genannte Problematik der Folienwelligkeit reagieren und diese bei der Messung berücksichtigen, um Messfehler zu verhindern. Um dies zu gewährleisten, wurde der Messkopf mit einer automatisierten Einheit zur Fokusnachführung ausgestattet.

Somit kann selbst bei deutlicher Restwelligkeit der Folie jederzeit sichergestellt werden, dass fokussierte Messungen durchgeführt werden können und somit die maximale Messgenauigkeit erreicht wird (hier im einstelligen Nanometerbereich). Weiterhin wurden sämtliche bewegungssensitiven Optikkomponenten in den beweglichen Messkopf selbst integriert, sodass jegliche Relativbewegungen und damit Störungen der optischen Signale vermieden werden. Das Ilmetro R2R ist somit eine vollautomatisierte Messstation, die auch bei Folien mit Längen im Kilometerbereich komplette Rollenpaare flächendeckend mit nahezu beliebiger Abtastrate autark charakterisiert.

Auch Photolumineszenz-Messungen möglich

Unabhängig von dem oben genannten Messsystem lässt sich das Ilmetro-Messsystem weitgehend frei konfigurieren. So können beispielsweise statt Schichtwiderstandsmessungen auch Photolumineszenz-Messungen in das System integriert werden. Weitere Messmethoden sollen hier in Zukunft je nach Anwendung integrierbar sein.

Neben der Anwendung in autarken Messstationen im Mapping-Modus lassen sich die Messsysteme auch in die Produktionslinie integrieren. Ähnlich wie beim Modell Ilmetro R2R sind auch hier verschiedene Mess­methoden (Reflektanz/Schichtdicke, Tranparenz- und/oder Farbmessung, Schichtwiderstand und Photolumineszenzmessung) frei kombinierbar. Statt der Integration in die R2R-Wicklerautomation kann das System hier in das Transportsystem der Fertigung und das Manufacturing Execution System (MES) integriert werden, sodass der Prozessfluss die Messungen auslöst und die Ergebnisse direkt in die Produktionsdatenbank weitergeleitet und zur Prozesskontrolle verwendet werden können.

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