Solarenergie ist eine saubere und attraktive alternative Energiequelle und die Nachfrage nach günstigen Photovoltaik-Modulen mit einem höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie ist gestiegen. Solarzellen, welche die Basis einer Solarenergie-Anlagen bilden, bestehen überwiegend aus kristallinem Silizium. Strukturelle Defekte wie Mikrorisse, Leistungsminderung durch Alterung und Kurzschlüsse (Shunts) führen nachweislich zu Leistungsverlusten der Module.  Diese Defekte lassen sich möglicherweise auf die besonderen Herausforderungen bei der Bearbeitung von Silizium, auf die Qualität des Kristallgitters oder auf externe Einflüsse zurückführen. Um diese Probleme in den Griff zu bekommen, wurde in den letzten Jahren eine große Anzahl von Tools für Photoemissions-Diagnostik und Qualitätsprüfung entwickelt, die auf kameragestützten Detektionssystemen basieren.

Elektrolumineszenz nutzen

Dissem, Allied Visions Partner in Korea, hat führenden Anbietern von Inspektionsanlagen für Solarzellen dabei geholfen, eine kosteneffiziente Bildverarbeitungslösung zu entwickeln, die auf Elektrolumineszenz im Nah-Infrarot-Bereich (NIR) beruht. Viele Defekte können visuell nicht mit konventionellen Bildverarbeitungssystemen aufgenommen werden. Ein Lösungsansatz, mögliche Fehlerquellen zu analysieren, welche die Leistungsfähigkeit der Solarmodule beeinträchtigen, ist das Elektrolumineszenz-Bildgebungsverfahren (EL). EL-Bildverarbeitung ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Qualitätsprüfung sowohl für kristalline als auch für Dünnschicht-Solarmodule. Bei diesem Verfahren wird ein Gleichstrom an das Solarmodul angelegt, wodurch sich die Funktionsweise der Photovoltaik umkehrt und Elektronen in Photonen umgewandelt werden. Eine Infrarot-Kamera misst dabei die Photoemission.

Bei genauer Anpassung und Konfiguration ist das System in der Lage, in kürzester Zeit zahlreiche Fehler und Alterungseffekte präzise zu finden. Die Menge des Lichts, die eine Solarzelle bei einer bestimmten Stromstärke abgibt, kann auch als Maß für den Wirkungsgrad der Energieumwandlung der Zelle dienen. Defekte Bereiche bleiben weitestgehend dunkel.

Herausforderungen bei der Fehlererkennung in Photovoltaik-Modulen

Ein Elektrolumineszenz-System verwendet mehrere Kameras in einem geschlossenem Raum ohne Umgebungslicht. Die Solarzelle wird in diesen Raum platziert und das System an eine Konstantstromquelle angeschlossen. Die Kameras nehmen Bilder auf, während der Strom durch die Zelle fließt. Mit Hilfe verlässlicher Inspektionssoftware wird dieses Bild auf Verschattungen, Gleichmäßigkeit und allgemeine Effizienz der Zelle untersucht. Je nach Schwere der Defekte wird die Zelle entweder akzeptiert oder aussortiert.

Photovoltaik-Module zu inspizieren, ist ein schwieriger Prozess, bei dem eine Kamera benötigt wird, die bei einer Wellenlänge von 950 bis 1250 nm deutliche Bilder aufnimmt. Da die photovoltaische Elektrolumineszenz sehr schwach ist, werden extrem lichtempfindliche Kameras benötigt. Eine solche Kamera muss in der Lage sein, das ganze Feld präzise in einem einzigen Bild bei ausreichender Auflösung aufzunehmen, um Effekte zu erfassen, die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind, wie z.B. gebrochene Kontakte, verschiedene Lichtintensitäten, Mikrorisse und Ungleichmäßigkeiten der in Photonen umgewandelten Elektronen.

NIR-empfindliche CCD-Kamera

Allied Vision liefert für Dissems Lösung zur Inspektion von Solarmodulen eine hochwertige GigE Vision-Kamera mit herausragender Empfindlichkeit in der geforderten Wellenlänge. Zusammen mit der Kamera erhält der Anwender die passende Software zur schnellen Konfiguration der Kamera.

Die Manta G-145B Near-Infrared (NIR) ist eine auf NIR-Empfindlichkeit optimierte Kamera und weist bei einer Wellenlänge von 900 nm eine Quanteneffizienz von 20-30% auf. Ausgestattet mit einem CCD-Bildsensor (Charge-coupled Device) ist sie besonders gut für industrielle und lineare Prozesse zur Qualitätskontrolle von Solarzellen geeignet. CCD-Sensoren als zweidimensionale Array-Sensoren sind dank ihrer hohen Quanteneffizienz (QE), geringem Rauschen und Bildausleseraten von Sekundenbruchteilen ein hervorragendes Werkzeug für Testsysteme mit hohem Durchlauf, sowohl für einzelne Photovoltaik-Zellen als auch für große Solarpanels.

Komfortable Gesamtlösung

Im Vergleich zu anderen am Markt erhältlichen NIR-Kameras ist die Manta G-145B aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit für die Messung von Elektrolumineszenz von Solarmodulen sehr gut geeignet. Die Kamera nutzt die schwache Strahlung im nahen Infrarotbereich, um Shunts, kristalline Defekte oder gebrochene Fingerelektroden vor und nach dem Laminierungsprozess zu erkennen.

Mit der Manta G-145B NIR-Kamera lassen sich kostengünstige Systemlösungen realisieren. Außerdem ist das Allied Vision Software Development Kit Vimba intuitiv und einfach zu bedienen, was den gesamten Setup-Prozess effizient und komfortabel macht.

Für besonders anspruchsvolle Anwendungen im Bereich der Inspektion von Photovoltaikmodulen bietet Allied Visions Kamerafamilie Goldeye weiter entwickelte Lösungen. Diese Kamera ist im kurzwelligen Infrarotbereich (zwischen 900 und 1.700 nm) empfindlich, wodurch sie sich besonders gut für den Einsatz bei schwächerer elektromagnetischer Strahlung bei höheren Wellenlängen eignet.