Um die Herstellkosten für Solarmodule zu senken, versuchen die Hersteller, die Leistung pro Fläche zu maximieren. Dies wird, unter anderem, durch hoch effiziente Solarzellen und die beste Flächennutzung von Zellen und elektrischen Verbindungen im Modul erreicht. Daher sind Positionen und Abstände von Zellen und deren Verbindern für die Produktion genau vorgegeben. 

Die eigentliche Positionierung der Zellen in der Produktionslinie übernimmt der sogenannte Stringer. Dort werden die Zellen mit elektrisch leitenden Verbindern, den Lötbändchen, in Abständen von 1 bis 5 mm verbunden. Im nächsten Produktionsschritt werden die so erzeugten Strings nebeneinander auf das mit Verbundfolie vorbereitete Vorderseitenglas gelegt und am Ende oder in der Mitte weiter elektrisch verbunden, dies ist die Querverschaltung. Im nächsten Schritt wird eine weitere Lage Verbundfolie und die Rückseitenfolie beziehungsweise das Rückseitenglas aufgelegt. 

Bevor nun alles laminiert wird, das heißt, bevor alle Schichten zu einem nicht mehr trennbaren Laminat verschmolzen werden, ist es wichtig, die Position der Zellen und der Verschaltung sowie den einwandfreien Zustand der einzelnen Zellen zu prüfen. Denn defekte Zellen oder Fehler in der Querverschaltung führen zu Leistungsverlust im gesamten Solarmodul.

Umfassende Prüfung inklusive KI-gestützte Defekterkennung

Diese Aufgabe übernimmt das Inspektionsgerät Solarmodule EL-Quickline der Firma MBJ Solutions, bevor die zweite Lage Verbundfolie und die Rückseitenfolie/glas aufgelegt wird.

Die Inspektion enthält neben einer Elektrolumineszenz-Prüfung (EL-Test) auch die Messung der Zellabstände. Während der EL-Test Fehler in den Solarzellen detektiert, misst die Zellvermessung die Abstände der Zellen untereinander sowie zu den Querverbindern und den Glaskanten. Zusätzlich werden auch die Kanten einer jeden Solarzelle auf Abbrüche untersucht. Dies geschieht vollautomatisch über eine eigens dafür entwickelte Software. Diese bietet für die EL-Prüfung auch eine KI-unterstützte automatische Defekterkennung. Da durch die Modulführung innerhalb der Maschine wichtige Bereiche des Moduls für die Zellvermessung ­verdeckt sind, wird die Prüfung zwischen dem System und dem vorgeschalteten Transportband durchgeführt. Das heißt, die Inspektion wird ausgeführt während das Modul in die Maschine hineintransportiert wird. Die Zellvermessung arbeitet im Durchlicht mit einer diffusen Beleuchtung, die durch das Modul in die darunter befindlichen Kameras leuchtet. In der Software erscheinen die Zellen dann dunkel vor hellem Hintergrund.

Um das gesamte Solarmodul vollflächig während der Bewegung zu vermessen, nimmt die Kamera in schneller Folge viele Teilbilder des Solarmodules auf. Zum Einsatz kommt eine Basler-Dart-Kamera mit USB-3.0-Schnittstelle und Flächensensor. Der Sichtbereich beträgt 70 mm. Die aufgenommenen Bilder werden direkt in die Software übertragen und ausgewertet. Die Anzahl der Kameras hängt von der Länge des zu inspizierenden Solarmoduls ab. 

Anforderungen an die Beleuchtung: Hohe Blitzfrequenz und Helligkeit

Die Beleuchtung muss über eine Länge von 250 cm und einer Breite von 7 cm eine helle homogene Ausleuchtung bieten, um scharfe Bilder während der schnellen Bewegung sicherzustellen. Da sich die Anlage mit einer Ladegeschwindigkeit von 0,5 m/s betreiben lässt, muss die Beleuchtung zusätzlich eine schnelle und präzise Blitzfrequenz bieten. Wegen der erwarteten kurzen Blitzzeiten, gegeben durch die Geschwindigkeit, wird außerdem viel Licht benötigt.

Die Flex-Serie der Firma MBJ Imaging ermöglicht es, eine für diese Applikation angepasste, anwenderspezifische Beleuchtung zu bauen. Das standardisierte Baukastensystem ist darauf ausgerichtet, eine auf die jeweilige Inspektionsaufgabe zugeschnittene, kostengünstige Lösung zu bieten. Die Flex-Beleuchtungen gibt es als Auf-, Durch- und Balkenbeleuchtungen, die individuell in Breite und Länge gewählt werden können. Zusätzlich lassen sich LED-Farbe und die Abstrahl­charakteristik anpassen.

Für die Inspektionsaufgabe „Zellvermessung“ wird eine diffuse MBJ Flex Durchlichtbeleuchtung mit weißen LEDs (5000 K und CRI80) und einer Leuchtfläche von 250 cm Länge und 8 cm Breite gewählt. Gesteuert wird die Beleuchtung mit LED-Controllern vom Typ CTR-51, auch von MBJ Imaging.
Der CTR-51 wurde für Blitzanwendungen mit hoher Frequenz und mit hohen Strömen entwickelt. Eine interne Kondensatorbank stellt die Blitzenergie zur Verfügung und die Spannungsregelung stellt eine gleichbleibende Helligkeitsintensität sicher. Die kürzeste realisierbare Pulslänge beträgt 1 µs. Diese Blitzfrequenz reicht auch für Linescan-Applikationen aus. Der maximale Blitzstrom beträgt 30 A. 

Beleuchtung wird achtfach überstromt

Die Zellvermessung arbeitet mit einer Auflösung von 200 µm pro Pixel bei einer maximalen Geschwindigkeit von 0,5 m/s. Daraus ergibt sich eine Blitzzeit von 400 µs, um scharfe Bilder aus der Bewegung zu bekommen und ein Duty Cycle von 1 Prozent bei einem Takt von 40 ms. Um genug Helligkeit für die Bildauswertung in den Bildern zu erzeugen, müssen die LEDs 8-fach überstromt werden. 

LEDs lassen sich bei einer sehr kurzen Einschaltdauer um ein Vielfaches überstromen, ohne dass die Lebensdauer beeinträchtigt wird. Wie hoch dieser Wert ist, hängt unter anderem vom Taktverhältnis ab. Bei idealen Bedingungen kann eine LED für einen sehr kurzen Zeitraum bis zu 10-fach überstromt werden.

Durch die Größe der Beleuchtung und die daraus resultierende Anzahl von LEDs reicht ein LED-Controller für diese Anwendung nicht aus. Insgesamt werden mehr als 60 A Blitzstrom benötigt, um die 8-fache Überstromung zu erreichen. Um ausreichend Sicherheit bei Strom und auch Spannung zu haben, werden die LED-Streifen der Beleuchtung in vier getrennte Bereich aufgeteilt. Jeweils ein Controller versorgt einen davon. Insgesamt werden also vier LED-Controller angeschlossen und synchronisiert getriggert, um bei 24 V pro Controller genug Spannungsreserve zu haben. Ein von MBJ entwickelter Taktgeber sorgt für den zeitlich korrekten Ablauf: Er sendet den Trigger für die Kameraaufnahme sowie den leicht verzögerten Trigger für die vier Controller. Die Verzögerung ist bedingt durch den von der Kamera verwendeten Rolling Shutter. 

Inspektion durch Solarmodul-Rückseite mittels Infrarot

In einem leicht abgewandelten Anwendungsfall werden Solarmodule vermessen, die schon mit der Rückseitenfolie belegt sind. Die Abstände der Solarzellen müssen hier durch die weiße Rückseitenfolie hindurch geprüft werden. Das schließt eine Beleuchtung mit weißem Licht aus, da die Folie das sichtbare Licht nahezu vollständig reflektiert. Sie ist außerdem sehr diffus, sodass die ebenfalls diffuse Flex-Durchlichtbeleuchtung keine gute Wahl für diese Aufgabe ist. Bei dieser Aufgabenstellung kommt ein Flexlight Bar mit 250 cm Länge, direkter Abstrahlung und infraroten LEDs zum Einsatz. Die langwelligen Infrarotstrahlen können die Rückseitenfolie gut durchdringen und die direkte Abstrahlung führt zu einer höheren Lichtintensität. Ein Vorteil am Rande ist, dass das menschliche Auge Infrarotlicht nicht wahrnehmen kann und so Bediener/Bedienerinnen nicht durch die Blitze irritiert werden. 
Findet das Inspektionssystem Fehler oder Abweichungen einer definierten Größe oder Anzahl im Solarmodul, wird dieses automatisch aus dem Prozess ausgeschleust und zu einem Reparaturplatz umgeleitet. Dort werden die entsprechenden Zellen, oder auch ganze Strings, ausgetauscht und das Modul wieder in den Herstellungsprozess eingeschleust. Das Einschleusen erfolgt vor dem Inspektionssystem, damit das reparierte Modul noch einmal geprüft wird.

Autoren
Andreas Bayer, Geschäftsführer
Svenja Petschelies, Technisches Marketing