Nachhaltige Qualitätssicherung

Die weltweite Produktion von Solarzellen hat im Jahr 2008 um 85 % ­zugelegt und lag insgesamt bei 7,9 Gigawatt. Damit wurde der Wachstumsrekord von 2007 von 69 % und einer Herstellung von 4,3 Gigawatt noch übertroffen. Deutschland steuerte 18,5 % zur Weltproduktion bei, im Vergleich zu 20,5 % im Vorjahr. In der industriellen Fertigung von Photovoltaikmodulen sichern optische Inspektionssysteme eine gleichbleibend hohe Qualität der Produkte und hohen Durchsatz.

Die Nachfrage nach immer leistungsstärkeren, qualitativ hochwertigen und gleichzeitig preiswerten Produkten steigt. Solarzellen werden immer feiner strukturiert und die Anforderungen an die Präzision in der Produktion damit immer höher. Um diese Ziele zu erreichen, werden neben elektrischen Leistungsmessungen optische Inspektionssysteme eingesetzt. Zusätzlich zur qualitativen Einstufung jedes einzelnen geprüften Produktes liefern diese Systeme wertvolle Daten über den Fertigungsprozess und eröffnen dadurch Optimierungs- und Kostenreduzierungspotenzial für den Hersteller. Graphikon bietet mit der Produktreihe G/Solar ein umfangreiches Spektrum an optischen Inspektionssystemen für die Fertigung von Solarzellen, die Modulfertigung und die Dünnschichtfertigung auf Glassubstraten an.

Dünne Schichten auf großen Flächen
Seit über 30 Jahren gibt es Solarzellen aus amorphem Silizium, sog. Dünnschichtmodule. Um hier einen konstant hohen Modulwirkungsgrad zu erzielen, werden die Module in der Fertigung automatisch und prozessnah geprüft. Optische Inspektionssysteme sind dafür in vielen Fällen die Technologie der Wahl.
Graphikon bietet unter dem Namen ­G/Solar Thin Film eine komplette Baureihe von Inline-Inspektionssystemen für die Dünnschichtfertigung an. Anders als bei konventionellen Flachglasinspektionssystemen, die mit einer größeren Anzahl Zeilenkameras die gesamte Förderbreite abdecken, benötigen diese Systeme nur eine Kamerabaugruppe.
Die speziell für die Dünnschichtinspektion entwickelten Kamerabaugruppen werden motorisch über die Oberfläche bewegt und scannen so 100 % der Substrate innerhalb der Taktzeit der Fertigungslinie. Durch diesen ökonomischen Einsatz sehr hochwertiger Komponenten ergibt sich ein erheblicher Vorteil in den Systemkosten.
Verglichen mit konventionellen Systemen weist G/Solar Thin Film eine verbesserte Erkennungsleistung auf, da die Sensorkonfiguration flexibel auf die optischen Eigenschaften der Substrate angepasst werden kann. Insbesondere der Einsatz telezentrischer Optiken liefert bei ebenen spiegelnd reflektierenden Oberflächen signifikant bessere Abbildungen als dies mit herkömmlichen Objektiven möglich ist. Diese Optiken kommen bei der Herstellung von Silizium-Dünnschichtmodulen und bei CdTe (Cadmiumtellurit) und CIGS (Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen) nach allen Prozessschritten bis zur Deposition der Absorberschicht zum Einsatz. Für die weiteren Prozesse wird ein spezielles Auflicht-Dunkelfeld-System eingesetzt, das auch für die meisten Back-End Anwendungen genutzt wird. Mit der Farbvariante des Systems wird die Homogenität des Farbeindrucks der Oberfläche geprüft.
Für die meisten Anwendungen ist es erforderlich, die Substrate in mehreren unterschiedlichen optischen Konfigurationen, z. B. im Auflicht und im Durchlicht, zu erfassen, um alle erforderlichen Strukturen prüfen zu können. Der Aufbau des Graphikon- Systems erlaubt hierfür erstmals den unabhängigen Einsatz unterschiedlicher Kontrastierungsmethoden in einem Scandurchlauf. Damit liefert das System Bilder mit bester Dynamik.

Vom Wafer zur Solarzelle
Die Baureihe G/Solar Cell wurde speziell für den Bereich der Zellfertigung entwickelt. Praktisch für jeden Produktionsschritt vom Wafer bis zur fertigen Zelle kann so die Qualität überwacht und der Prozess optimal gesteuert werden. Die Geometrievermessung, die Inspektion der Texturierung und der AR-Schicht, die Bedruckungskontrolle und die Detektion von Mikrorissen sind hier die wesentlichen Aufgaben. Abschließend finden die gleichen Systeme auch ihren Einsatz in den Zellsortern, wo noch die Hotspotkontrolle und Auswertung der Elektrolumineszenz hinzu kommen.
Ein Schwerpunkt der Inspektion ist die Druckbildkontrolle. Mit der Version HighRes kann die mittlere Fingerbreite auf ±0,005 mm genau vermessen werden. Weitere Prüfkriterien im Druckbild sind unter anderem Unterbrechungen, Einschnürungen, die Ausrichtung zur Zelle und die Maßhaltigkeit.
Ein weiterer wichtiger Prüfschritt ist die Inspektion der Antireflexschicht. Im Laufe der Produktion werden die Siliziumwafer mit ihrer typischen blauen Schicht versehen. Die Prüfung dieser Antireflexschicht kann sowohl direkt im Anschluss an die Beschichtung erfolgen als auch nach dem Bedrucken der Zellen, ohne dass die genaue Struktur der Bedruckung vorgegeben werden muss. Bei der Bewertung der Antireflexschicht interessieren den Anwender die Homogenität über die Fläche, die farbliche Klassifikation für optisch ansprechende Module und die Schichtdicke. Die Schichtdicke kann reproduzierbar auf allen Anlagen auf bis zu ±2 nm genau vermessen werden.
Neben den rein optisch arbeitenden Inspektionssystemen werden die Systeme Hotspot und Elektrolumineszenz eingesetzt. Bei beiden Systemen wird die Zelle für die Inspektion bestromt. Werden die Zellen, die sich wie Dioden verhalten, in Sperrrichtung betrieben, führen lokale Kurzschlüsse zu Erwärmungen (Hotspots). Das zusammen mit der Deutschen Cell entwickelte Verfahren ermöglicht innerhalb von 0,3 s Bestromung eine Beurteilung, ob eine Zelle kritische Kurzschlüsse enthält. Wird die Zelle dagegen in Durchlassrichtung betrieben, führt dies zum Eigenleuchten (Lumineszenz). Über diese Elektrolumineszenz lassen sich Fehler finden, die im klassischen Auf- und Durchlicht nicht sichtbar sind. Dazu gehören sehr feine Unterbrechungen der Bedruckung, Mikrorisse und inaktive Bereiche der Zelle.

Viele Zellen sicher verpackt
Die fertigen Zellen werden zu Modulen mit beispielsweise 72 Zellen verbaut. Für das Sortieren der Zellen werden Zellsorter verwendet. Hierbei kommen die Inspektion der Rück- und Frontseite, der Farbe sowie die Hotspotkontrolle zum Einsatz. In weiteren Verarbeitungsschritten werden die einzelnen Zellen zunächst zu Strings (eine Reihe miteinander verbundener Zellen) und anschließend mehrere parallel angeordnete Strings zu einem Modul montiert. Bei der Montage der Strings werden die Zellen optisch ausgerichtet. Nach Fertigstellung eines Strings wird dieser ebenfalls optisch inspiziert. Bewertet werden u. a. die Geometrie des Strings und die Lage der einzelnen Zellen, Lage und Vorhandensein der Verbinder und die Position des Strings für einen optimalen Abstand zwischen den Strings. Nachdem alle Strings platziert wurden, können mit Hilfe der Layupkontrolle ein letztes Mal vor dem Laminieren Fehler korrigiert werden. Die anschließende Laminatkontrolle dient der abschließenden qualitativen Bewertung und Prozesssteuerung.

Gemeinsamkeiten trotz Spezialisierung
Alle Systeme aus dem Hause Graphikon verwenden Matrixkameras in Verbindung mit geblitzten LED-Beleuchtungen. Diese Kombination sichert höchste Genauigkeit der Inspektion und eine lange Lebensdauer der Beleuchtungen. Zusätzlich lassen sich unterschiedliche Beleuchtungsszenarien flexibel in einem Durchlauf realisieren. Dank patentrechtlich geschützter Kontrastierungsverfahren, verbunden mit innovativen Kalibrierungsmethoden, erreichen die Systeme höchste Prüf-Genauigkeiten. Die Bewertung der inspizierten Produkte erfolgt durch einen frei zu konfigurierenden Klassifikator anhand der ermittelten Merkmale. Abgerundet werden die Inspektionssysteme durch kundenspezifische Lösungen, wie z. B. eine Rahmenkontrolle. Für die Photovoltaik-Industrie liefert Graphikon seit 2004 innovative Inspektionssysteme, die auf der Basis von 20 Jahren Industrieerfahrung entwickelt wurden und Standards im Bereich der Qualitätssicherung und Prozesssteuerung setzen.