Der Photovoltaik-Markt rechnet bereits ab 2010 wieder mit hohen Wachstumsraten. Dieses Wachstum wird mit der Anforderung nach höherer Produktqualität bei gleichzeitiger Re­duktion der Herstellungskosten einhergehen. Die Kostenreduzierung wird nicht zuletzt aus einer Erhöhung der Produktionsausbeute erwartet. Dazu kann die Inspektion von Photovoltaik-Zellen und Modulen über die Elektrolumineszenz-Messung einen erheblichen Beitrag leisten.

Die Elektroluminiszenz (EL)-Messung ist im Wesentlichen eine Umkehrung des normalen Photovoltaik (PV)-Prozesses: Statt mit Licht wird das PV-Element mit Strom angeregt. In intakten Bereichen der PV-Zelle rekombinieren die Elektronen mit vorhandenen Löchern und die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Photonen abgegeben. Defekte Bereiche bleiben dagegen dunkel.

Vorteil: EL-Messung

Die Qualitätskontrolle auf der Basis der EL-Inspektion bietet gleich mehrere Vorteile:

• Detektion einer Vielzahl von Produk­tionsfehlern, die die Produktionsausbeute und auch die Leistung der ­Zellen und Module erheblich redu­zieren und zudem zu Maschinenausfallzeiten führen können,
• ortsaufgelöste Fehlerdetektion und damit Möglichkeit zur gezielten ­Korrektur des Produktionsprozesses,
• hohe Reproduzierbarkeit,
• mit Prüfzeiten von unter einer ­Sekunde sehr schnelles Verfahren und daher nahtlos in den Produk­tionsablauf einzupassen,
• Einsatzmöglichkeit an mehreren Stellen im Zell- wie im Modulproduktionsprozess mit gleichen Hard- und Software-Modulen des Inspektionssystems,
• schnelle Amortisation der Investitionskosten.

Obwohl seit einigen Jahren im PV-Markt viel diskutiert, wird die EL-Inspektion jedoch erst von einigen wenigen Anbietern von PV-Produktionssystemen zur Verfügung gestellt. Viele Hersteller nutzen daher die aktuell konjunkturell bedingt schwache Auslastung, um sich hier besser aufzustellen.
Mit Hilfe der EL-Inspektion können eine ganze Reihe der in der Produktion von PV-Zellen und Modulen auftretenden Defekte erkannt werden. Diese reichen von Kurzschlüssen über fehlerhafte Kontaktformungen zwischen den Schichten der Zelle oder nicht-leitenden Kontaktierungen bis hin zu unterbrochenen Fingerelektroden.
Ein besonderes Interesse gilt der Detektion von Mikrorissen. Im Material verlaufend sind sie an der Oberfläche meist nicht zu erkennen. Dennoch können sie zum Bruch und damit zum Ausfall der Zelle bzw. erheblichen Leistungsabfällen des Moduls führen. Diese Gefahr wird durch die hohe thermische Belastung, der die Module im Betrieb ausgesetzt sind, noch erhöht. Brechen die Zellen noch im Verlauf der Verarbeitung, kommt es bei der Befreiung der Maschinen von Bruchstücken zu teuren Maschinenausfallszeiten.

Einfacher Messaufbau, hohe Kameraanforderungen
Der Messaufbau für die EL-Inspektion ist einfach: Die PV-Zelle wird unter Lichtabschluss mit 3-10A bestromt, die dabei emittierte Lumineszenz mit einer digitalen Kamera aufgenommen und auf einem PC ausgewertet. In Bezug auf die Geschwindigkeit der Messung sowie die Möglichkeit einer automatisierten Auswertung der EL-Bilder kommt der Kamera dabei eine erhebliche Bedeutung zu.
Das bei der EL-Messung von den PV-Zellen emittierte Spektrum liegt im nah-infraroten (NIR) Bereich und reicht von ca. 900-1.450 nm. Es liegt damit nicht nur außerhalb des für uns sichtbaren Lichtes, sondern auch außerhalb des Empfindlichkeitsbereiches der meisten Si-CCD-Kameras. Für die EL-Inspektion werden deshalb immer wieder Kameras mit InGaAs-Sensoren diskutiert, die eine deutlich höhere Empfindlichkeit im NIR-Bereich aufweisen als Si-CCD Sensoren. Dem entgegen stehen allerdings die sehr hohen Kamerapreise, eine geringe räumliche Auflösung, hohes Ausleserauschen und strikte Exportregularien.
Eine Alternative stellen hochempfindliche und besonders rauscharme gekühlte Si-CCD Kameras dar, wie sie nun zunehmend in der PV-Industrie eingesetzt werden. Wesentlich hinsichtlich der Eignung für die EL-Inspektion sind vier Parameter: die Quanteneffizienz (QE) als Maß für die Empfindlichkeit, das Ausleserauschen, die Dynamik und die Auflösung (s. Tabelle).
Mit Interline Sensoren (z. B. Sony ICX285) erzielt man automatisiert auswertbare EL-Bilder ab einer Belichtungszeit von ca. drei Sekunden. Diese Kameras eignen sich damit für die Offline-Prüfung, sind für die Inline-Zell-Inspektion jedoch zu langsam.

Vielversprechende neue Technologien
EM-CCD Sensoren (Electron Multiplying CCD, www.emccd.com) weisen dank einer integrierten, kaskadierten Verstärkung ein extrem geringes Ausleserauschen auf. Daraus resultieren ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und ein größerer Dynamikbereich. Der in der Luca-R Kamera verwendete Sensor besitzt zudem eine höhere NIR-QE als Interline-Sensoren. Diese Kameras können daher auch für die Inline-EL-Inspektion eingesetzt werden.
Deep-depletion Sensoren sind eigens für Messungen im NIR-Bereich ausgelegt. Ihre sehr hohe NIR-QE hebt sie deutlich von allen anderen Si-CCD Sensoren ab. Mit Kameras diesen Typs, wie z. B. mit der iKon-M BR-DD aufgenommene EL-Bilder sind sehr rauscharm, was eine automatisierte Auswertung erheblich erleichtert. Die benötigte Integrationszeit beträgt nur 0.2 s. Diese Kameras eignen sich daher besonders für Maschinen mit sehr hohem Durchsatz wie Cell Sorter und Stringer.

Bei den sCMOS Sensoren (www.scmos.com) handelt es sich um eine sehr ­vielversprechende neue Technologie, die viele Vorteile von CCD- und CMOS-Sensoren vereint. Kameras mit diesem Sensortyp werden ab 2010 zur Verfügung stehen. Aufgrund ihrer hohen Auflösung werden sie in der Photovoltaik-Produktion vor allem für Modulinspektionen interessant sein.

Literatur
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