Solarzellen sind hauchdünn - und so wollen sie auch behandelt werden. Doch trotz größter Vorsicht in der Herstellung kann es zu Spannungsrissen im Material und später zum Zerbrechen des Wafers kommen. Dem beugen TDI-Kameras vor, indem sie mit dem Lumineszenz-Verfahren Risse frühzeitig erkennen.

PV-Wafer sind mit 100 bis 200 μm extrem dünn und daher sehr zerbrechlich. Folglich kann das automatisierte Wafer-Handling zu winzigen Spannungsrissen führen. In weiteren Herstellungsschritten entstehen Spannungen im Material, an denen die Wafer dann letztendlich zerbrechen können. Daher ist es wichtig, Wafer mit Mikrofrakturen möglichst früh aus dem Produktionsprozess zu nehmen. Denn Splitter eines zerbrochenen Produktionsteils können schnell zu einem Stopp der ganzen Anlage führen. Um dies zu vermeiden, müssen alle Wafer nach jedem Zu- und Wegführschritt in-line und bei Produktionsgeschwindigkeit maschinell auf etwaige Mikrorisse kontrolliert werden. Ein Abfallprodukt dieser Inspektion sind dabei auch die Generierung statistischer Daten, die Aufschluss über das Entstehen von Fehlteilen geben. Diese Daten helfen zusätzlich, den Produktionsprozess weiter zu optimieren.

Effektive Suche: Lumineszenz-Test

Eine effektive Methode, um Mikrorisse und deren mögliche Auswirkungen auf die weiteren Produktionsschritte zu erkennen, ist der Lumineszenz-Test. Durch elektrische bzw. optische Anregung emittiert Silikon eine Lumineszenz-Strahlung bei etwa 1,150 nm im Nahinfrarotbereich (NIR). Ein hochauflösendes Bildverarbeitungssystem kann hierbei Mikrofrakturen als dünne, dunklere Linien in diesem kurzwelligen Infrarotlumineszenzlicht erkennen.
Allerdings ist die Erkennung im kurzwelligen Infrarotlicht bei Silikon nicht sehr effizient, da das Material im Bereich von 1,1 eV eine Bandlücke aufweist. Das heißt bei Produktionsgeschwindigkeit steht nicht genügend Zeit zur Verfügung, um ein brauchbares Bild zu erstellen. Mittels Time-Delay-Integration (TDI) über eine hochauflösende Zeilenkamera kann dieses Problem ein wenig behoben werden. Durch die Line-Scan-Technologie können Wafer kontinuierlich entlang einer Förderstrecke bei typischer Produktionsgeschwindigkeit erfasst werden. Durch Mehrfachbelichtungen erhöhen TDI-Kameras die Integrationszeit beim Abbilden eines sich bewegenden Objekts.
Durch Pixelüberlagerung von Hunderten von Bildern summieren sich die Optoelektronen einer lumineszierenden Region über die Integrationszeit hinweg. So wird die Belichtungszeit verglichen mit der Verschlusszeit einer einzelnen Line-Scan-Kamera sozusagen in die Länge gestreckt. Durch die hohe Aufnahmegeschwindigkeit der Zeilenkamera ist das resultierende Bild zum einen sehr klar, zum anderen spiegelt sich die erheblich längere Integrationszeit mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis wider. Die Lösung ist die Aufsummierung der Daten noch im CCD-Sensor sowie das Ignorieren des Ausleserauschens.

Mikrofrakturdefekte im TDI-Verfahren erkennen

Bildsensoren für die TDI-Bildgebung bestehen aus Hunderten von Pixelzeilen, die nebeneinander in Bewegungsrichtung angebracht sind. Beim Vorbeifahren des Wafers am Sensor nimmt dieser Folgepixelzeilen auf, die leicht zeitverzögert ausgelöst werden. Das TDI-System kombiniert diese einzelnen Pixel-Linien mit einem Zeitversatz, der abhängig von der exakten Position des Bauteils zum Sensorarray ist. Obwohl beim TDI-Verfahren keine echte Belichtungssteuerung möglich ist, kann durch Änderung der Abtastgeschwindigkeit durch gepulste Lumineszenz-Anregung eine gewissermaßen konstante Belichtungszeit herbeigeführt werden.
Bei einem Sensorarray von beispielsweise 256 Zeilen mit je 8.192 Pixeln je Zeile - so verwendet in den Piranha-HS-NIR-Kameras von Teledyne Dalsa - werden 256 Zeilenbilder mit einer jeweils horizontalen Auflösung von 8.192 Pixel gesammelt. Durch 2x2- bzw. 4x4-Pixel-Binning kann zudem die Empfindlichkeit sowie das Signal-Rausch-Verhältnis weiter erhöht werden.
Das Weiterreichen der Ladung in den Pixeln von Zeile zu Zeile im Eimerketten-Prinzip in der gleichen Geschwindigkeit wie das sich am Sensor vorbeibewegende Bauteil führt zu einer Art Einfrieren der Bewegung - gegenüber echten Einzelframe-Aufnahmen allerdings um den Faktor 256 zeitlich verlängert.
Somit können durch den Einsatz von TDI-Zeilenkameras, die über eine gute Nahinfrarot-Empfindlichkeit und eine hohe Auflösung verfügen, Wafer unmittelbar nach jedem Verarbeitungsschritt auf etwaige Anzeichen von Mikrofrakturdefekten geprüft werden. Hierbei handelt es sich um einen recht kostengünstigen Ansatz, Nahinfrarot-Lumineszenztests für die Inspektion von Silikonsolarzellen durchzuführen und so Produktionsfehler zu vermeiden.