Mikrorissprüfung am Beispiel von Solarzellen

Die Sonne ist ein fast unerschöpflicher Energielieferant. Um aus Sonnenlicht zuverlässig und nachhaltig Strom gewinnen zu können, müssen Photovoltaikanlagen einwandfrei arbeiten und zudem eine lange Lebensdauer aufweisen. Die Grundlage dafür wird bereits bei der Herstellung der Solarzellen gelegt: Das Weiterleiten der Silizium-Wafer in der Produktionskette, sei es durch Roboter, durch Förderbänder oder andere Handhabungsmethoden, erzeugt mechanische Belastungen im Silizium-Material, was zu großen oder kleinen Rissen (sogenannten Mikrorissen) führen kann. Die Funktion und die Haltbarkeit der Solarzellen werden dadurch beeinträchtigt.

Für den Markterfolg einer Technologie zur Solarzellenfertigung und somit für den wirtschaftlichen Erfolg eines Solarzellenherstellers ist es wichtig, die einwandfreie Qualität der ausgegebenen Zellen zu belegen. Dazu ist eine 100%-Prüfung der Solarzellen auf äußerlich sichtbare beziehungsweise auf innere Risse unabdingbar.

Zu Beginn des Fertigungsprozesses sind durchgehende Risse zunächst noch mittels Durchlichtaufnahmen detektierbar. Spätestens nach der vollflächigen metallischen Rückseitenkontaktierung ist die Anwendung dieses Ansatzes aber nicht mehr geeignet. Stattdessen sind alternative Verfahren, wie beispielsweise die Elektrolumineszenz oder die Thermographie erforderlich.

Ausgehend vom langjährigen Erfahrungshintergrund in der industriellen Bildverarbeitung hat das Fraunhofer IPA ein System zur Inspektion von fertigen Solarzellen entwickelt. Die Prüfung basiert auf dem Prinzip der Wärmeflussthermographie, die sich als zerstörungsfreie Prüftechnik zunehmend im industriellen Umfeld etabliert. Verschiedene Oberflächen eines Objekts sowie oberflächennahe Innenstrukturen können mit dieser Technik berührungslos und zerstörungsfrei auf Defekte geprüft werden. Das Prüfsystem umfasst die vollständige Bildverarbeitungskette, von der Bildaufnahme (Wärmeanregung, Kamera) über die Bildauswertung bis hin zur Anbindung an die übergeordnete Prozesskontrolle. Die Kombination aus aktiver, inhomogener Wärmeeinbringung zusammen mit einer dynamischen Messanordnung eignet sich hervorragend für eine Mikrorissprüfung am metallisierten Wafer. Das trifft sowohl für mono- als auch für polykristalline Solarzellen zu und ist somit ein Vorteil der IPA-Methode gegenüber anderen Verfahren. Mit den neu entwickelten Verfahren können neben den leicht zu detektierenden, breiten Rissen auch Risse mit einer Breite < 20 µm in der Siliziumschicht bei einer Produktionsgeschwindigkeit von typischerweise 10 Metern pro Minute detektiert werden. Das IR-Prüfsystem wird dabei direkt an den Fördermodulen der Fertigungsanlage platziert. Die aufgezeichneten Bilddaten erlauben dann im Weiteren eine automatische Auswertung mit einer i.O./n.i.O. Klassifizierung der Solarzellen. Die Anforderungen an die Taktzeiten können eingehalten werden, der Produktionsprozess verlängert sich nicht durch die thermographischen Messungen.