Haarscharf erkannt

Mikrorisse mit Wärmefluss-Thermographie ausfindig machen

  • In der Abbildung links kann man den Riss über einen Verlauf von 30 Aufnahmen sehr gut an einem hohen Wert des gewählten SNR-Merkmals erkennen. Die beiden linken Aufnahmen zeigen den Riss deutlich als rot markierte Störung; dieser wandert aufgrund der Bewegung der Solarzelle nach unten. Bei einem Kontrollbild für eine rissfreie Solarzelle liegen die SNR-Werte zu allen Einzelaufnahmen deutlich niedriger. Wenn man zudem an einer graphischen Visualisierung der Risse interessiert ist, werden die Mikrorisse zunächst in jedem einzelnen Bild der Sequenz identifiziert. (Bilder: Fraunhofer IPA Stuttgart)
  • n einem zweiten Schritt werden die einzelnen Bilder dann bewegungssynchron zu einem einzelnen, zusammenfassenden Prüfbild überlagert. (Bilder: Fraunhofer IPA Stuttgart)

Haarfeine Risse zu erkennen, das ist eine Herausforderung. Bei Silizium-Wafern allerdings ist es notwendige Bedingung, damit PV-Anlagen zuverlässig funktionieren. Mit einem neu entwickelten Verfahren können neben großen Defekten auch feine Risse mit einer Breite von unter 20 µm in der Siliziumschicht detektiert werden - und das bei einer Produktionsgeschwindigkeit von 10 Metern pro Minute.

Um aus Sonnenlicht zuverlässig und nachhaltig Strom gewinnen zu können, müssen Photovoltaikanlagen einwandfrei arbeiten und eine lange Lebensdauer aufweisen. Um diese Anforderungen einhalten zu können, wird bereits bei der Herstellung der Solarzellen die Grundlage geschaffen. Denn durch das Weiterleiten der Silizium-Wafer in der Produktionskette, sei es durch Roboter, Förderbänder oder andere Handhabungsmethoden, entstehen mechanische Belastungen im Silizium-Material, die zu sogenannten Mikrorissen führen können. Diese wiederum beeinträchtigen die Haltbarkeit der Zellen. Für den wirtschaftlichen Erfolg eines Solarzellenherstellers ist es daher wichtig, dass er die einwandfreie Qualität der ausgegebenen Zellen belegen kann. Dazu ist eine 100-Prozent-Prüfung der Solarzellen auf äußerlich sichtbare beziehungsweise auf innere Risse notwendig. Zu Beginn des Fertigungsprozesses können durchgehende Risse noch mit Durchlichtaufnahmen detektiert werden. Nach der vollflächigen Rückseitenkontaktierung allerdings ist dieser Ansatz nicht mehr umsetzbar. Stattdessen sind alternative Verfahren wie beispielsweise die Elektrolumineszenz [1] oder die Thermographie erforderlich.

Die Besonderheit: Inline-Prüfung

Basierend auf dem Prinzip der Wärmefluss-Thermographie wurde am Fraunhofer IPA ein System entwickelt, mit dem fertige Solarzellen inspiziert werden können. Das Prüfsystem umfasst die vollständige Bildverarbeitungskette, von der Bildaufnahme (Beleuchtung/Wärmeanregung, Kamera) über die Bildauswertung bis hin zur Anbindung an die übergeordnete Prozesskontrolle. Die Besonderheit der Lösung liegt darin, dass der Prüfaufbau direkt zwischen zwei Förderbandsegmenten integriert werden kann. Somit ist eine echte Inline-Prüfung ohne Verlängerung der Taktzeit möglich.
Die zentrale Komponente des Prüfsystems ist eine Anregungseinheit, über die eine inhomogene Wärmeverteilung in der Solarzelle appliziert wird.

Um Wärme als Grundlage für thermographische Messungen einzubringen, eignet sich die Anregung über punktförmige, ohmsche Wärmequellen. Die optimale räumliche Verteilung der Anregungsquellen wurde im Rahmen von FEM-Simulationen ermittelt. Risse im Silizium-Material wirken als Wärmebarrieren, die die Ausbreitung von Wärme verlangsamen. Mit einer Infrarot-Kamera werden die Wärmebilder der lokal erwärmten Solarzellen aufgenommen. Der Anwender erhält auf diese Weise Tausende von Temperaturwerten, die detaillierte Informationen über räumliche und zeitliche Wärmeentwicklungen auf der Solarzelle liefern. Bei der Entwicklung des Prüfkonzepts wurde eine Infrarot-Kamera mit einer geringen Auflösung (384 x 288 Pixel) verwendet, um die Kosten für die Bildaufnahme zu begrenzen.

Hell-Dunkel-Übergänge zunutze machen

Für die automatische Detektion von Rissen wurden neue Algorithmen entwickelt, die sich die Tatsache zunutze machen, dass sich die Risse in den Thermographie-Bildern über charakteristische Hell-Dunkel-Übergänge gut erkennen lassen. Erkannte Risse wurden in der Entwicklungsphase regelmäßig mit einem hochauflösenden konvokalen Mikroskop nachvermessen, wodurch jeweils ein messtechnisch abgesicherter Referenzwert zu den Rissbreiten zur Verfügung stand.
Der Prüfaufbau wird zwischen zwei Förderbandsegmente platziert, wodurch eine Prüfung direkt im Fertigungsprozess möglich ist. Geprüft wird mit einer fertigungstypischen Bandgeschwindigkeit von etwa zehn Metern pro Minute an den bewegten Solarzellen. Ein Verlangsamen oder Anhalten der Solarzellen, was die Taktzeit deutlich verlängern würde, ist nicht erforderlich. Die Leistungsfähigkeit des Prüfsystems ergibt sich aus dem Zusammenspiel der einzelnen Komponenten. Der Prüfablauf startet, wenn eine Solarzelle auf dem Förderband an der Kamera vorbeifährt, wobei in weniger als einer Sekunde eine Sequenz von typischerweise 100 Kamerabildern aufgenommen wird.

Risse unter 20 µm zuverlässig detektieren

Risse in den Solarzellen lassen sich bereits anhand weniger Bilder der Sequenz nachweisen. Ist man nur an einer einfachen i.O./n.i.O.-Prüfentscheidung interessiert, ist die Berechnung von einfachen Signal-to-Noise-Ratio(SNR)-Merkmalen für die Bewertung der Einzelbilder am effizientesten. Für die Darstellung der Ergebnisse wurde eine graphische Benutzerschnittstelle realisiert, in der sowohl die Rohdaten der Thermographie-Kamera als auch die fertigen binären Ergebnisbilder dargestellt werden, die die vorhandenen Risse auf der Solarzelle zeigen. Die Auswertung erfolgt automatisch anhand von Triggersignalen aus dem Ansteuerungsmodul des Produktionsförderbands.
Die Kombination aus aktiver, inhomogener Wärmeeinbringung zusammen mit einer dynamischen Messanordnung ist gut für eine Inline-Mikrorissprüfung am metallisierten Wafer geeignet. Das trifft sowohl für mono- wie auch polykristalline Solarzellen zu und ist somit ein Vorteil der beschriebenen Methode gegenüber anderen Verfahren. Je nach Oberflächengüte des Solarzellentyps können Risse unter 20 µm zuverlässig identifiziert werden. Das Prüfsystem wird direkt an Fördermodule von Fertigungsanlagen angekoppelt. Die Oberfläche der Solarzellen wird nur kurz lokal erwärmt und eine Infrarotkamera nimmt auf, wie sich die Wärme verteilt. Die Daten werden dann automatisch ausgewertet, sodass sich defekte Zellen leicht erkennen und aussortieren lassen.

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