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Die Erfindung betrifft eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von wenigstens einer Beschädigung eine Solarzelle mittels Photolumineszenz.
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Die Erfassungsvorrichtung weist wenigstens eine Strahlenquelle auf, wobei die Strahlenquelle ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlen, insbesondere Lichtstrahlen zu erzeugen und auf eine zum Bestrahlen vorgesehene, sich in einer Solarzellenebene erstreckende Solarzellenfläche der Solarzelle auszusenden.
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Die Erfassungsvorrichtung weist auch eine Kamera mit einem Detektor auf, wobei der Detektor ausgebildet ist, von der Solarzellenfläche ausgesendete, und in Abhängigkeit von den elektromagnetischen Strahlen erzeugte Lumineszenzstrahlen zu erfassen. Der Detektor ist ausgebildet, wenigstens einen die Solarzelle, insbesondere die Solarzellenfläche, in wenigstens zwei Dimensionen repräsentierenden Bilddatensatz zu erzeugen.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Solarzellenfertigungen tritt eine hohe Ausfallrate dadurch auf, dass defekte Solarzellen nicht erkannt werden und mit anderen Solarzellen zu einem Modul zusammengefügt werden.
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Aus der
DE 10 2005 040 010 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung von Produktionsfehlern in einem Halbleiterbauelement durch Erzeugen von Überschussladungsträgern in dem Halbleiterbauelement und Bestimmung des elektrischen Potenzials in diesem bekannt. Dazu wird vorgeschlagen, dass das Halbleiterbauelement zur Lumineszenz angeregt und deren ortsaufgelöste Intensitätsverteilung zur Ermittlung der ortsaufgelösten Verteilung des elektrischen Potenzials in dem Halbleiterbauelement bestimmt wird.
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Aus der
DE 693 15 877 T2 ist eine Methode und eine Vorrichtung zum Messen einer Photolumineszenz in einem Halbleiterkristall bekannt, bei der der Halbleiterkristall mittels eines punktförmigen Laserstrahls und einer Scanvorrichtung untersucht und mittels der Scanvorrichtung schrittweise ein Photolumineszenzbild des Halbleiterkristalls erzeugt werden kann.
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Aus der
WO 02/077621 A1 ist ein Verfahren und eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von Defekten in einem Halbleiter mittels Photolumineszenz bekannt, bei der mittels eines Laserstrahls und mittels einer Scan-Vorrichtung Photolumineszenzbild des Halbleiters erzeugt wird.
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Aus der
WO 00/57162 A2 ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Defekten in einem Wafer bekannt, bei dem der Wafer mittels eines Lasers und einer Scan-Vorrichtung bestrahlt wird und mittels einer Kamera ein Lumineszenzbild des Wafers erfasst wird.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welches ein verbessertes Erfassen von Produktionsfehlern bei einer Fertigung von Solarmodulen ermöglicht, um die Ausfallrate zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfassungsvorrichtung der eingangsgenannten Art gelöst, wobei die Erfassungsvorrichtung eine Beschädigungserfassungseinheit aufweist, welche eingangsseitig mit dem Detektor wirkverbunden und ausgebildet ist, den wenigstens einen Bilddatensatz zu empfangen und wenigstens eine, insbesondere mit bloßem Auge unsichtbare, Beschädigung, insbesondere mechanische Beschädigung in einem Halbleitermaterial der Solarzelle zu erfassen. Die mechanische Beschädigung kann insbesondere durch einen Riss, einen Kratzer, oder einen Bruch gebildet sein. Denkbar sind auch andere mechanische Beschädigungen, wie eine punktförmige Beschädigung in Form eines Lochs oder eines Kraters.
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Die Beschädigungserfassungseinheit ist ausgebildet, einen Ausgangsdatensatz zu erzeugen, der die wenigstens eine Beschädigung, insbesondere die Art und/oder einen Beschädigungsgrad der Beschädigung repräsentiert und diesen ausgangsseitig auszugeben.
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Erfindungsgemäß wurde nämlich erkannt, dass sich Kratzer, Risse, oder Brüche im Halbleitermaterial einer Solarzelle, welche mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar sind, im Lumineszenzbild einer Solarzelle als dunkle Streifen und/oder dunkle Bereiche kennzeichnen. Weiter wurde erkannt, dass sich solche Risse, insbesondere Mikrorisse, oder Kratzer in einem Produktionsverlauf einer Solarzelle bis hin zu einem Solarmodul nachteilig bemerkbar machen können, so dass in einem fertigen Solarmodul Solarzellen, welche bereits während eines Produktionsverlaufes durch einen Kratzer beziehungsweise einen Riss beschädigt worden sind, während eines Einbindens oder nach dem Einbinden in ein Solarmodul brechen können. Die zuvor erwähnten Risse oder Kratzer können dabei nachteilig Sollbruchstellen für einen späteren Bruch bilden. Weiter wurde erkannt, dass ein Wirkungsgrad einer so beschädigten Solarzelle nachteilig reduziert ist, da in gebrochenen oder gerissenen Bereichen ein Transport insbesondere durch Solarstrahlung erzeugter freier Ladungsträger nicht oder nur vermindert erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil der Erfassungsvorrichtung ergibt sich bei einer Qualitätseingangskontrolle in der Solarmodulfertigung, bei der zur Solarmodulfertigung vorgesehene Einzel-Solarzellen vor einem Montieren zu einem Solarmodul einzeln berührungslos auf Beschädigungsfreiheit geprüft werden können.
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Beispielsweise erstreckt sich der Beschädigungsbereich längs in der Solarzellenebene im Halbleitermaterial der Solarzelle wenigstens abschnittsweise entlang einer Höhe von einer Rückseitenkontaktierung bis zu einer Fingerkontaktierung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Detektor Detektormatrixelemente auf, wobei die Detektormatrixelemente jeweils ausgebildet sind, ein Detektormatrixelementsignal zu erzeugen. Das Detektormatrixelementsignal entspricht einer Bestrahlungsstärke des Detektors durch die empfangenen Lumineszenzstrahlen. Der Bilddatensatz repräsentiert in dieser Ausführungsform die Detektormatrixelementsignale.
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Die Beschädigungserfassungseinheit weist bevorzugt eine Kontrasterfassungseinheit auf. Die Kontrasterfassungseinheit ist ausgebildet, einen Kontrast durch einen Vergleich zueinander mindestens mittelbar zueinander benachbarter Detektormatrixelementsignale zu erfassen. Die Kontrasterfassungseinheit ist auch ausgebildet, wenigstens einen sich in der Solarzellenfläche längserstreckenden Beschädigungsbereich der Beschädigung mit einer kleineren Lumineszenzausstrahlung als einem den Beschädigungsbereich umgebenden Bereich der Solarzellenfläche zu erfassen. Der Ausgangsdatensatz repräsentiert in dieser Ausführungsform den Beschädigungsbereich. Durch die Kontrasterfassungseinheit kann vorteilhaft eine Beschädigung beziehungsweise ein Beschädigungsbereich in einem Ausgangsdatensatz erfasst werden, welcher die von der Solarzelle empfangene Lumineszenzstrahlung repräsentiert.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Beschädigungserfassungseinheit ausgebildet, eine sich quer zu Längserstreckung des Beschädigungsbereichs in dem Bilddatensatz erstreckende Breite des Beschädigungsbereichs wenigstens eines Längsabschnitts des Beschädigungsbereichs zu erfassen. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Art der Beschädigungen erfasst werden. Es wurde nämlich erkannt, dass in einem Lumineszenzbild, gebildet durch den Bilddatensatz, eine Breite von sich längserstreckenden Bereichen mit schwächerer Ausstrahlung im Vergleich zu Bereichen mit stärkerer Ausstrahlung mit der Art der Beschädigung im Zusammenhang steht. So wurde beispielsweise erkannt, dass sich Kratzer im Halbleitermaterial mit einer schmaleren Breite im Lumineszenzbild kennzeichnen, als Risse oder Brüche. Die Breite kann somit vorteilhaft wenigstens einen Erfassungsparameter für eine Tiefe der Beschädigung im Halbleitermaterial bilden. Weiter wurde erkannt, dass die im Halbleitermaterial gestreuten Lumineszenzstrahlen nämlich an einem Riss oder einem Bruch reflektiert und ins Halbleitermaterial hinein gestreut werden. Dadurch werden mit die an solchen Rissen oder Brüchen reflektierten Lumineszenzstrahlen nicht zur Oberfläche des Halbleitermaterials gesendet und führen so zu einem Bereich im Lumineszenzbild, der sich durch eine schwächere Intensität der Lumineszenzstrahlung abzeichnet, als in dazu umgebenden Bereichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist die Beschädigungserfassungseinheit einen Beschädigungsdiskriminator auf, wobei der Beschädigungsdiskriminator ausgebildet ist, wenigstens in Abhängigkeit von der erfassten Breite des Beschädigungsbereichs zwischen einem Kratzer, einem Riss oder einem Bruch des Halbleitermaterials zu unterscheiden. Der Beschädigungsdiskriminator kann dazu bevorzugt ausgebildet sein, den Beschädigungsbereich kennzeichnende Detektormatrixelementsignale über den entsprechenden Bereich der Solarzellenfläche miteinander aufzusummieren. Der Beschädigungsdiskriminator kann weiter vorteilhaft ausgebildet sein, wenigstens längsabschnittsweise eine Länge des Beschädigungsbereichs zu ermitteln und das zuvor durch Aufzusummieren gewonnene Ergebnis durch die Länge zu dividieren. Der Beschädigungsdiskriminator ist weiter ausgebildet, eine Breite der Beschädigung als Divisionsergebnis zu erzeugen. Weiter bevorzugt ist der Beschädigungsdiskriminator ausgebildet, die so ermittelte Breite mit zuvor abgespeicherten Breitenwerten zu vergleichen, wobei die Breitenwerte jeweils einer Art der Beschädigung entsprechen. Der Beschädigungsdiskriminator ist ausgebildet, den so ermittelten Breitenwert ausgangsseitig auszugeben. Die Breitenwerte können beispielsweise in einer Look-Up-Tabelle vorrätig gehalten sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Beschädigungsdiskriminator ausgebildet, eine Ausrichtung in der Solarzellenebene und/oder einen Kurvenverlauf des Beschädigungsbereich zu ermitteln und in Abhängigkeit von der Ausrichtung und/oder dem Kurvenverlauf des Beschädigungsbereichs zwischen einem Kratzer, einem Riss oder einem Bruch zu unterscheiden. Weiter bevorzugt ist der Beschädigungsdiskriminator ausgebildet, eine Beschädigung von einer Korngrenze oder einem Fingerkontakt zu unterscheiden.
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Der Beschädigungsdiskriminator kann dazu beispielsweise einen Kurvenverlauf eines sich längs erstreckenden Beschädigungsbereichs durch ein Polynom zu approximieren. Im Falle eines Polynoms nullten Grades entspricht der Kurvenverlauf einer Gerade, im Falle eines Polynoms zweiten Grades entspricht der Kurvenverlauf einer Parabel, im Falle eines Polynoms dritten Grades einer geschwungenen Kurve. Denkbar ist auch eine Approximation des Kurvenverlaufs mit einem Polynom höheren Grades. Vorteilhaft kann eine Approximation mittels einer Methode des kleinsten Fehlerquadrats erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Beschädigungsdiskriminator ausgebildet, wenigstens eine in einer Folge von erfassten Solarzellen periodisch wiederkehrende Beschädigungskurvenform zu erfassen. Dazu kann der Beschädigungsdiskriminator einen Fouriertransformator aufweisen, welcher ausgebildet ist, eine vorbestimmte Ortsfrequenz zu erfassen und in Abhängigkeit der erfassten Ortsfrequenz eine periodisch wiederkehrende Beschädigung zu erfassen. So kann beispielsweise in einer Serienfertigung von Solarzellen ein kratzerverursachendes Korn oder eine scharfkantige Spitze immer an derselben Stelle an einer Serie von Solarzellen einen Kratzer verursachen. Der Beschädigungsdiskriminator kann so eine solche periodisch wiederkehrende Beschädigung erfassen.
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Durch das periodische Erfassen zueinander verschiedener Solarzellen kann vorteilhaft eine weitere Dimension gebildet sein. Denkbar ist auch ein periodisches Erfassen derselben Solarzelle über mehrere Produktionsschritte.
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Beispielsweise kann die Kontrasterfassungseinheit ein Hochpass-Ortsfrequenzfilter aufweisen, welches ausgebildet ist, gemäß einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift ortsabhängige Frequenzen einer durch den Bilddatensatz gebildeten Matrix in zwei Dimensionen zu filtern. Ein Hochpass-Ortsfrequenzfilter kann beispielsweise Kontraste oder Konturlinien des Bilddatensatzes verstärken. Dazu kann die Kontrasterfassungseinheit bevorzugt eine Faltungsoperation mittels eines Operators auf den Bilddatensatz anwenden. Der Operator kann beispielsweise ein Sobel-Operator oder ein Laplace-Operator sein.
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Im Falle von Kratzern wurde erkannt, dass Solarzellen, welche im Verlauf einer Fertigung entlang einer Fertigungsstraße oder eines Fertigungsverbandes transportiert werden, durch ein hartes Korn, welches mit der Solarzellenfläche in mechanischen Wirkeingriff gerät, mit einem sich längserstreckenden Kratzer beschädigt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform können Polynom-Koeffizienten in einer mit dem Beschädigungsdiskriminator verbundenen Look-Up-Tabelle vorrätig gehalten sein. Der Beschädigungsdiskriminator kann so vorteilhaft eine Art der Beschädigung ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Strahlenquelle wenigstens eine Lumineszenzdiode auf. Bevorzugt ist die wenigstens eine Lumineszenzdiode ausgebildet, elektromagnetische Strahlen im sichtbaren Wellenlängenbereich auszusenden. Auf diese Weise kann die Strahlenquelle vorteilhaft durch handelsübliche, preiswerte Lumineszenzdioden gebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlenquelle durch einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser gebildet. Bevorzugt ist der Halbleiterlaser durch einen Laser-Stapel gebildet, wobei der Laser-Stapel durch zusammengefügte Laser-Bausteine gebildet ist, die zusammen den Laser-Stapel bilden. Der Laser-Baustein ist bevorzugt durch einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Dioden-Laser gebildet. Durch einen Halbleiterlaser, insbesondere in Form eines Laser-Stapels, kann vorteilhaft eine hohe Strahldichte zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung zum Anregen der Lumineszenzstrahlen erzeugt werden. Beispielsweise kann der Laser-Stapel einen Laser-Stapel des Herstellers Coherent, insbesondere ein Laser-Stapel des Typs 9010 sein. Vorteilhaft kann ein solcher Laser-Stapel an einer Strahlenaustrittsfläche eine Strahldichte von 500 Watt pro Quadratzentimeter oder mehr erzeugen. Eine Wellenlänge der von dem Laser erzeugten elektromagnetischen Strahlen kann bevorzugt zwischen 808 und 975 Nanometer betragen. Ein Strahlaustrittswinkel ist bevorzugt divergent, beispielsweise beträgt ein Strahlaustrittswinkel zwischen 5 Grad und 20 Grad, weiter bevorzugt 15 bis 20 Grad. Eine Strahlenaustrittsfläche beträgt bevorzugt zwischen 5 und 6 Quadratzentimeter bei einer Austrittsleistungsdichte von 500 Watt pro Quadratzentimeter. Eine Gesamtstrahlungsleistung der Strahlenquelle ist bevorzugt derart gewählt, dass auf der Solarzellenfläche eine Bestrahlungsstärke zwischen 1500 Watt und 2000 Watt pro Quadratmeter, weiter bevorzugt zwischen 2000 Watt und 3000 Watt pro Quadratmeter erzeugt wird.
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Durch einen Laser-Stapel braucht die Strahlenquelle vorteilhaft keine Strahlbündelmittel oder Strahlführungsmittel aufweisen, welche im Strahlengang zwischen dem Halbleiterlaser und dem zu bestrahlenden Objekt, nämlich der Solarzelle, angeordnet sind und die elektromagnetischen Strahlen dämpfen. Die Erfassungsvorrichtung in dieser Ausführungsform ausgehend von der Strahlenquelle in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlen strahlbündelmittellos ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Erfassungsvorrichtung einen Streustrahlen-Filter, insbesondere ein Streustrahlenraster auf, welches im Strahlengang der Lumineszenzstrahlen vor dem Detektor angeordnet ist. Das Streustrahlen-Filter ist vor dem Detektor im Strahlengang zum Erfassen der Lumineszenzstrahlen angeordnet, wobei das Streustrahlen-Filter ausgebildet ist, senkrecht auf eine Streustrahlen-Filterfläche eintreffende Lumineszenzstrahlen zu transmittieren und kleiner als mit einem vorbestimmten Winkel schräg zur Streustrahlen-Filterfläche eintreffende Lumineszenzstrahlen wenigstens teilweise oder vollständig zu sperren. Das Streustrahlenraster ist ausgebildet, quer zu einer Rasterebene des Streustrahlenrasters einfallende Lumineszenzstrahlen wenigstens teilweise zu absorbieren und/oder zu reflektieren. Das Streustrahlenraster kann beispielsweise durch Lamellen gebildet sein, welche für Lumineszenzstrahlen transluzent ausgebildet sind. Die Lamellen sind jeweils längsgestreckt ausgebildet und weisen jeweils zwei zueinander parallel angeordnete Außenflächen auf. Die Lamellen sind jeweils mit den Außenflächen einander gegenüberliegend derart angeordnet, dass die Lamellen zusammen einen Stapel bilden. Die Lamellen sind jeweils durch eine für die Lumineszenzstrahlen absorbierend ausgebildete Schicht voneinander getrennt. Die Außenflächen der Lamellen verlaufen jeweils senkrecht zu einer Streustrahlenrasterebene. Die Streustrahlenrasterebene ist bevorzugt zur Detektorebene angeordnet. Auf diese Weise kann vorteilhaft nur im wesentlichen senkrecht auch zur Streustrahlenrasterebene einfallende Lumineszenzstrahlung durch die transluzenten Lamellen transmittiert und so auf den Detektor gelangen. Die Lamellen können durch ein Kunstharz, beispielsweise PVA (PVA = Polyvinylacetat) gebildet sein. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Bildschärfe und so auch einen Bildkontrast erhöht. Ein bevorzugt entspricht eine Lamellendicke einem Durchmesser des Detektormatrixelements.
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In einer bevorzugten Ausführungsform in der Erfassungsvorrichtung weist die Erfassungsvorrichtung eine Scanvorrichtung auf, wobei die Strahlenquelle mit der Scanvorrichtung verbunden ist und die Scanvorrichtung ausgebildet ist, die Strahlenquelle derart zu bewegen, dass zeitlich aufeinanderfolgend Flächenabschnitte der Solarzellenfläche bestrahlt werden können.
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Auf diese Weise kann die Strahlenquelle vorteilhaft durch einen Laser oder eine Lumineszenzdiode gebildet sein, welche die Solarzellenfläche nicht vollständig ausleuchten beziehungsweise bestrahlen.
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Die Strahlenquelle ist vorzugsweise ausgebildet, elektromagnetische Strahlen im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 800 Nanometer, also im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erzeugen. So können vorteilhaft handelsübliche Lumineszenzdioden als Strahlenquelle verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Strahlenquelle ausgebildet, elektromagnetische Strahlen in einem Wellenlängenbereich zwischen 800 und 1000 Nanometer zu erzeugen. Auf diese Weise kann Lumineszenzstrahlung mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt werden, da insbesondere im Falle eines Silizium-Solarzelle die Solarzelle in diesem Wellenlängenbereich eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
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Die Erfassungsvorrichtung kann vorteilhaft an einer Vielzahl von Solarzellen Anwendung finden. Beispielsweise kann so die Qualität einer Silizium-Solarzelle, insbesondere einer polykristallinen, einer monokristallinen oder einer amorphen Siliziumssolarzelle geprüft werden.
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Denkbar ist auch eine Anwendung der Erfassungsvorrichtung im Zusammenhang mit einer Dünnschichtsolarzelle, insbesondere einer Solarzelle mit dem Halbleitermaterial CIGS (CIGS = Kupfer-Indium-Gallium-Selenid/Sulfid), CIS (CIS = Kupfer-Indium-Disulfid, Kupfer-Indium-Diselenid) oder Cadmium-Tellurid. Bei Dünnschichtsolarzellen kann mittels der Erfassungsvorrichtung vorteilhaft eine Beschädigung in Form eines elektrischen Kurzschlusses zwischen einer Rückseitenkontaktierung und einer Oberseitenkontaktschicht, beispielsweise Zinkoxid erfasst werden. Es wurde erkannt, dass sich solche Kurzschlüsse im Lumineszenzbild als Flecken oder Streifen mit geringerer Lumineszenzausstrahlung als ein diesen umgebenden Bereich abzeichnen. Der Beschädigungsdiskriminator ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ausgebildet, wenigstens eine Streifenform, eine Fleckenform mit einer vorbestimmten Umfangskurvenform, beispielsweise Rosinenform oder eine Punktform mit vorbestimmter radialer Ausdehnung zu erfassen.
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Vorteilhaft kann die Erfassungsvorrichtung auch zur Qualitätssicherung bei Solarzellen mit dem Halbleitermaterial Galliumarsenid Anwendung finden. Die Strahlenquelle kann dazu vorteilhaft an den Bandabstand es jeweils zu prüfenden Halbleitermaterials angepasst sein. So kann beispielsweise bei einer Solarzelle mit dem Halbleitermaterial Galliumarsenid kann die Strahlenquelle elektromagnetische Strahlen mit einer Wellenlänge von bis zu 880 Nanometer aussenden. Bei dem Halbleitermaterial Silizium kann die Strahlenquelle elektromagnetische Strahlen mit einer Wellenlänge bis zu 1100 Nanometer aussenden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erfassen wenigstens einer Beschädigung einer Solarzelle mit einer sich in einer Solarzellenebene erstreckenden Solarzellenfläche, insbesondere mit einer Erfassungsvorrichtung der vorbeschriebenen Art. Bei dem Verfahren wird die Solarzellenfläche mit elektromagnetischen Strahlen bestrahlt, und eine in Abhängigkeit der elektromagnetischen Strahlen von der Solarzelle erzeugte Lumineszenzstrahlen ortsabhängig erfasst. Weiter wird als Erfassungsergebnis ein Bilddatensatz erzeugt, der die Solarzelle, insbesondere die Solarzellenfläche repräsentiert. Weiter wird anhand des Bilddatensatzes eine Beschädigung der Solarzelle durch einen Kratzer, einen Riss oder einen Bruch dem Halbleitermaterial der Solarzelle erfasst. Die Beschädigung ist insbesondere mit bloßem Auge unsichtbar.
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Ein Beschädigungsbereich der Beschädigung erstreckt sich in der Solarzelle wenigstens abschnittsweise entlang einer Höhe von einer Rückseitenkontaktierung bis zu einer Fingerkontaktierung und erstreckt sich längs in der Solarzellenebene.
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Weiter wird ein Ausgangsdatensatz erzeugt, der die wenigstens eine Beschädigung, insbesondere die Art und/oder einen Beschädigungsgrad der Beschädigung repräsentiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Beschädigung der Solarzelle in einem Solarmodul durch ein Schutzglas oder zusätzlich durch ein Verbundmittel, insbesondere ein Kunstharz, PVA, EVA (EVA = Ethylen-Vinyl-Acetat), oder ein Ionomer, hindurch erfasst. So kann vorteilhaft eine Qualitätskontrolle an einem fertigen Solarmodul berührungslos erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Breite eines längserstreckten Beschädigungsbereichs der Beschädigung erfasst und wenigstens in Abhängigkeit der Breite zwischen einem Kratzer, einen Riss oder einen Bruch der Solarzelle unterschieden.
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Weiter bevorzugt kann in Abhängigkeit von einer Ausrichtung des Beschädigungsbereichs in der Solarzellenebene zwischen zueinander verschiedenen Beschädigungsarten unterschieden werden. Weiter vorteilhaft kann zwischen einem Fingerkontakt und einer Beschädigung unterschieden werden.
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Vorteilhaft kann ein Erfassen eines Beschädigungsbereichs auch während eines Fertigungsprozesses einer Solarzelle, insbesondere zwischen zwei Fertigungsschritten beim Fertigen einer Solarzelle erfolgen.
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Beispielsweise kann ein Fertigen der Solarzelle beziehungsweise eines Solarmoduls die folgenden Schritte umfassen:
- – Verarbeiten, insbesondere Trennen, Sägen, Laserschneiden von metallischem Silizium in wenigstens eine Waferscheibe;
- – Dotieren der Waferscheibe;
- – mechanisches und/oder chemisches Bearbeiten einer zum Empfangen von Solarstrahlen vorgesehenen Oberfläche der Waferscheibe;
- – Aufbringen einer Rückseitenkontaktierung auf die Waferscheibe;
- – Aufbringen von elektrisch leitfähigen Fingerkontakten auf die Waferscheibe;
- – elektrisches Verbinden von wenigstens zwei Waferscheiben zu einem Strang;
- – Montieren des wenigstens einen Stranges in dem Gehäuse, insbesondere mit einem für elektromagnetische Strahlen transluzenten Verbundmittel, insbesondere ein Kunstharz, PVA, EVA oder ein Ionomer;
- – Verbinden eines Rahmens mit dem Gehäuse.
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Die vorabgenannten Fertigungsschritte sind beispielhaft genannt, das Fertigen einer Solarzelle oder eines Solarmoduls kann weitere Fertigungsschritte umfassen.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von wenigstens einer Beschädigung eine Solarzelle mittels Photolumineszenz;
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen wenigstens eines Beschädigungsbereichs einer Solarzelle, wobei die Erfassungsvorrichtung als Handgerät ausgebildet ist;
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erfassen wenigstens einer Beschädigung einer Solarzelle mittels Photolumineszenz.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Erfassungsvorrichtung 1 zum Erfassen von wenigstens einer Beschädigung einer Solarzelle 2 mittels Photolumineszenz. Die Erfassungsvorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 3 und eine Strahlenquelle 5 auf, welche jeweils ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlen 10 auf eine Solarzellenfläche 6 der Solarzelle 2 zu senden. Die Solarzellenfläche 6 ist in einer Solarzellenebene 8 der Solarzelle 2 angeordnet.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 weist auch eine Kamera 7 mit einem Detektor 9 auf. Der Detektor 9 weist eine Vielzahl von Detektormatrixelemente 11 auf, welche jeweils ausgebildet sind, von der Solarzelle 2 emittierte Lumineszenzstrahlen 12 zu empfangen und ein Detektormatrixelementsignal in Abhängigkeit der empfangenen Lumineszenzstrahlen 12 zu erzeugen, welches einer Intensität der empfangenen Lumineszenzstrahlen 12 entspricht. Die Kamera 7 weist auch ein Lumineszenzstrahlen-Filter 13 auf, welches ausgebildet ist, Lumineszenzstrahlen zu transmittieren und welches ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlen mit einer kleineren Wellenlänge als die Lumineszenzstrahlen zu sperren. Im Falle einer Siliziumsolarzelle ist das Lumineszenzstrahlen-Filter ausgebildet, elektromagnetische Strahlen mit einer größeren Wellenlänge als 1100 nm zu transmittieren und mit einer kleineren Wellenlänge als 1100 Nanometer zu sperren. Denkbar ist euch eine Ausführung als Bandpassfilter, welches die Lumineszenzstrahlen transmittieren kann.
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Die Strahlenquellen 3 und 5 sind jeweils als Laser ausgebildet, wobei die Laser jeweils aus einer Mehrzahl von Laserbausteinen gebildet sind, welche zusammen einen Laser-Stapel bilden. Der Laserbaustein 15 ist beispielhaft bezeichnet und ist beispielsweise ein Diodenlaser.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 weist auch eine Beschädigungserfassungseinheit 17 auf. Die Beschädigungserfassungseinheit 17 kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroler oder durch ein FPGA (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein. Die Beschädigungserfassungseinheit 17 weist eine Kontrasterfassungseinheit 19 auf. Die Kontrasterfassungseinheit 19 ist ausgebildet, einen Kontrast durch einen Vergleich zueinander mindestens mittelbar benachbarter Detektormatrixelementsignale zu erfassen und in der Solarzellenfläche wenigstens eine Beschädigung mit einem sich längserstreckenden Beschädigungsbereich zu erfassen. Im Falle einer Beschädigung der Solarzelle 2 sendet der Beschädigungsbereich eine kleinere Lumineszenzausstrahlung aus als einen nicht beschädigter Bereich der Solarzelle 2. Die Kontrasterfassungseinheit ist ausgebildet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches den Beschädigungsbereich repräsentiert und dieses ausgangsseitig auszugeben.
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Die Beschädigungserfassungseinheit 17 weist auch einen Beschädigungsdiskriminator 20 auf. Der Beschädigungsdiskriminator 20 ist eingangsseitig über eine Verbindungsleitung 52 mit der Kontrasterfassungseinheit 19 verbunden. Der Beschädigungsdiskriminator 20 ist über eine Verbindungsleitung 54 mit einem Look-Up-Speicher 22 verbunden, in welchem Kurvenformen, deren Ausrichtung, und den Kurvenformen beziehungsweise Ausrichtungen entsprechend zugeordnete Beschädigungen vorrätig gehalten sind. Eine Kurvenform 26 und eine dazugehörige, entsprechende Beschädigung 24 sind beispielhaft bezeichnet.
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Der Beschädigungsdiskriminator 20 ist ausgebildet, wenigstens eine Breite, eine Kurvenform und eine Ausrichtung des durch das eingangsseitig empfangene Beschädigungssignal repräsentierten Beschädigungsbereichs zu erfassen und in Abhängigkeit von der Breite, der Kurvenform und/oder der Ausrichtung zwischen einem Riss, einen Bruch oder einem Kratzer, oder einem Fingerkontakt zu unterscheiden. Der Beschädigungsdiskriminator 20 kann dazu über die Verbindungsleitung 54 aus dem Look-Up-Speicher vorrätig gehaltene Kurvenformen, Breiten und den Beschädigungen oder Finkerkontakten entsprechende Ausrichtungen auslesen, und die zuvor aus den über die Verbindungsleitung 52 empfangenen, aus dem Detektorausgangssignal erfassten Größen mit entsprechenden Größen vergleichen. So kann der Beschädigungsdiskriminator 20 auch zwischen einer Beschädigung und einem Fingerkontakt unterscheiden, da ein Fingerkontakt ein sich im Lumineszenzbild längserstreckter Bereich mit geringer Lumineszenzausstrahlung hervorhebt.
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Der Beschädigungsdiskriminator 20 ist weiter ausgebildet, ein entsprechendes Vergleichsergebnis zu erzeugen und über die Verbindungsleitung 54 einen entsprechenden Datensatz auszulesen, welcher eine Beschädigungsart repräsentiert. Der Beschädigungsdiskriminator 20 ist weiter ausgebildet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches die Beschädigung und die Beschädigungsart der Solarzelle 2 repräsentiert und dieses über die Verbindungsleitung 56 ausgangsseitig auszugeben.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 weist auch eine Bildwiedergabeeinheit 28 auf, welche eingangsseitig über die Verbindungsleitung 56 mit der Beschädigungserfassungseinheit 17, und dort mit dem Beschädigungsdiskriminator 20 verbunden ist. Die Bildwiedergabeeinheit 28 ist beispielsweise als TFT-Touch-Screen (TFT = Thin-Film-Transistor) ausgebildet und weist dazu eine berührungsempfindliche Oberfläche 30 auf. Die berührungsempfindliche Oberfläche 30 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einem Berühren eine Berührungssignal zu erzeugen, welches einen Berührungsort des Berührens repräsentiert. Die berührungsempfindliche Oberfläche 30 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 58 mit der Beschädigungserfassungseinheit verbunden.
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Die Funktionsweise der Erfassungsvorrichtung 1 wird nun im Folgenden Ausführungsbeispiel erläutert:
Die berührungsempfindliche Oberfläche 30 kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Berührens durch eine Benutzerhand 60 einen Berührungssignal erzeugen und dieses ausgangsseitig über die Verbindungsleitung 58 an die Beschädigungserfassungseinheit 17 senden. Die Beschädigungserfassungseinheit 17 kann in Abhängigkeit von dem Berührungssignal einen Erfassen von Lumineszenzstrahlen einer Solarzelle starten und dazu eine Sendesignal erzeugen und das Sendesignal über die Verbindungsleitungen 48 und 46 an die Strahlenquellen 3 und 5 senden. Die Strahlenquellen 3 und 5, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Laser-Stapel ausgebildet sind, sind jeweils ausgebildet, in Abhängigkeit des Sendesignals die elektromagnetischen Strahlen 10 zu erzeugen und die elektromagnetischen Strahlen 10 auf die Solarzellenfläche 6 der Solarzelle 2 zu senden.
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Die Solarzelle 2 weist ein Halbleitermaterial 40 auf, beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, oder Kupferindiumdisulfid. Die Solarzelle 2 weist auch einen Kratzer 32, einen Riss 34, einen Bruch 36, einen Bruch 35 und einen Riss 33 in dem Halbleitermaterial 40 auf. Die Solarzelle 2 weist auch eine Rückseitenkontaktierung 44 und eine Fingerkontaktierung auf, von der die Fingerkontakte 42 und 43 beispielhaft dargestellt sind. Die Fingerkontakte 42 und 43 sind mit der Solarzellenfläche 6 elektrisch verbunden.
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Die Solarzelle 2 kann in Abhängigkeit der empfangenen elektromagnetischen Strahlen 10 Lumineszenzstrahlen der 12 erzeugen und diese über die Solarzellenfläche 6 abstrahlen. Die Lumineszenzstrahlen 12 können durch das Lumineszenzstrahlen-Filter 13 transmittieren und auf den Detektor 11 treffen. Das Lumineszenzstrahlen-Filter 13 kann elektromagnetische Strahlen mit einer Wellenlänge kleiner oder zusätzlich größer als die Lumineszenzstrahlen sperren und die Lumineszenzstrahlen transmittieren. Bei Siliziumsolarzellen liegt ein Ausstrahlungsmaximum der Lumineszenzstrahlen bei 1150 Nanometer. Der Detektor 11 kann in Abhängigkeit der empfangenen Lumineszenzstrahlen 12 einen Bilddatensatz erzeugen, welcher die Solarzelle 2, insbesondere ein Abbild der Solarzellenfläche 6, und auch die Beschädigungen, nämlich den Kratzer 32, die Risse 32 und 34 und die Brüche 35 und 36 repräsentiert. Die Beschädigungserfassungseinheit 17 kann – wie vorab beschrieben – den Bilddatensatz, gebildet aus Detektormatrixelementsignalen, eingangsseitig empfangen und ein Ausgangssignal erzeugen, welches die Beschädigung, insbesondere die Art der Beschädigung repräsentiert und dieses über die Verbindungsleitung 56 an die Bildwiedergabeeinheit 28 senden.
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Die Bildwiedergabeeinheit 28 gibt beispielhaft den Bilddatensatz 2' wieder, der ein Abbild der Solarzellen 2 repräsentiert. Der Kratzer 32 ist darin als Kratzer 32', der Riss 34 als Riss 34' und der Bruch 36 als Bruch 36' wiedergegeben. Der Kratzer 32', der Riss 34' und der Bruch 36' können beispielsweise jeweils farblich zueinander verschieden hervorgehoben sein. Dabei kann jeder Beschädigungsart eine gesonderte Farbe zugeordnet sein. Die Bildwiedergabeeinheit 28 kann dazu ein Farb-TFT-Display aufweisen.
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2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Erfassungsvorrichtung 70. Die Erfassungsvorrichtung 70 weist ein Gehäuse 71 und einen Handgriff 72 auf, welcher mit dem Gehäuse 71 verbunden ist. Der Handgriff 72 ist ausgebildet, von einer insbesondere erwachsenen Hand gehalten zu werden. Das Gehäuse 71 weist in einer Längsrichtung an einem Ende eine Öffnung auf, welche zum Empfangen von Lumineszenzstrahlen der 12 vorgesehen ist. Die Öffnung weist in diesem Ausführungsbeispiel einen runden Querschnitt auf und ist mit einem Hohlraum im Inneren des Gehäuses 71 verbunden, wobei der Hohlraum zum Aufnehmen eines Detektors 9, eines als Linsen-Optik ausgebildeten Strahlbündelmittels 80, eines Lumineszenzstrahlen-Filters 13, eines Streustrahlen-Filters 78, und der Beschädigungserfassungseinheit 17 ausgebildet ist.
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Die Erfassungsvorrichtung 70 weist auch eine Bildwiedergabeeinheit 28 auf. Die Bildwiedergabeeinheit 28 weist eine berührungsempfindliche Oberfläche auf und ist als Touch-Screen ausgebildet.
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Dargestellt ist auch die in 1 zuvor beschriebene Solarzelle 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil eines Solarmoduls 61 ist. Das Solarmodul 61 ist abschnittsweise in einer Schnittdarstellung dargestellt. Das Solarmodul 61 weist eine Rückenplatte 66 und eine Schutzglas 62 auf. Die Solarzelle 2 ist mit der Rückenplatte 66 und dem Schutzglas 62 über einen Verbundmittel 64 verbunden. Das Verbundmittel 64 kann beispielsweise ein Harz, insbesondere PVA, EVA (EVA = Ethylen-Vinyl-Acetat) oder ein Ionomer aufweisen.
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Die Erfassungsvorrichtung 70 weist anders als die in 1 dargestellte Erfassungsvorrichtung 1 Lumineszenzdioden als Strahlenquelle auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig um die zuvor beschriebene Öffnung zum Empfangen der Lumineszenzstrahlen 12 im Bereich des Endes des Gehäuses 71 mit der Öffnung angeordnet sind. Die Lumineszenzdioden 74, 75 und 76 sind beispielhaft bezeichnet. Die Erfassungsvorrichtung kann als Strahlenquelle anstelle der Lumineszenzdioden oder zusätzlich zu den Lumineszenzdioden wenigstens einen Laser, insbesondere wenigstens eine Laserdiode aufweisen.
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In diesem Ausführungsbeispiel sendet die Lumineszenzdiode 74 elektromagnetische Strahlen im sichtbaren Wellenlängenbereich auf die Solarzelle 2. Die Solarzelle 2 erzeugt in Abhängigkeit der sichtbaren elektromagnetischen Strahlen die Lumineszenzstrahlen 12, welche durch die zuvor beschriebene Öffnung und durch das Streustrahlen-Filter 78, durch das Lumineszenzstrahlen-Filter 13 und durch die Strahlenoptik 80 auf den Detektor 9 treffen können.
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Das Streustrahlen-Filter 78 ist ausgebildet, senkrecht auf eine Streustrahlen-Filterfläche treffende Lumineszenzstrahlen 12 zu transmittieren und kleiner als mit einem vorbestimmten Winkel schräg zur Streustrahlen-Filterfläche eintreffende Lumineszenzstrahlen wenigstens teilweise oder vollständig zu sperren, insbesondere zu absorbieren. Das Streustrahlen-Filter 78 kann beispielsweise durch eine Vielzahl zueinander benachbart angeordneter, und durch absorbierend ausgebildete Schichten voneinander getrennte Lamellen gebildet sein. Eine absorbierend ausgebildete Schicht 79 ist beispielhaft bezeichnet.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erfassen wenigstens einer Beschädigung einer Solarzelle.
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In einem Verfahrensschritt 85 wird eine Solarzellenfläche einer zu prüfenden Solarzelle mit elektromagnetischen Strahlen bestrahlt, und eine in Abhängigkeit der elektromagnetischen Strahlen von der Solarzelle erzeugte Lumineszenzstrahlen ortsabhängig erfasst.
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In einem Verfahrensschritt 87 wird als Erfassungsergebnis ein Bilddatensatz erzeugt, der die Solarzelle, insbesondere die Solarzellenfläche repräsentiert.
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In einem Verfahrensschritt 89 wird anhand des Bilddatensatzes eine insbesondere mit bloßem Auge unsichtbare Beschädigung der Solarzelle durch einen Kratzer, einen Riss oder einen Bruch dem Halbleitermaterial der Solarzelle erfasst.
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In einem Verfahrensschritt 91 wird eine Breite des Beschädigungsbereichs der Beschädigung erfasst und in Abhängigkeit der Breite zwischen einem Kratzer, einen Riss oder einen Bruch der Solarzelle unterschieden.
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In einem Verfahrensschritt 93 wird ein Ausgangsdatensatz erzeugt, der die wenigstens eine Beschädigung, insbesondere die Art und/oder einen Beschädigungsgrad der Beschädigung repräsentiert und der Ausgangsdatensatz mittels einer Bildwiedergabeeinheit wiedergeben. Denkbar ist auch eine akustische Wiedergabe des Ausgangsdatensatzes, dabei wird beispielsweise ein akustisches Signal, insbesondere ein Warnsignal in Form von Luftschall erzeugt, welches die Beschädigung, insbesondere die Art der Beschädigung repräsentiert. Das akustische Signal kann beispielsweise von einer Sprachwiedergabeeinheit erzeugt werden und gesprochene Sprache repräsentieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erfassungsvorrichtung
- 2, 2'
- Solarzelle
- 3, 5
- Strahlenquelle
- 6
- Solarzellenfläche
- 7
- Kamera
- 8
- Solarzellenebene
- 9
- Detektor
- 10
- elektromagnetische Strahlen
- 11
- Detektormatrixelement
- 12
- Lumineszenzstrahlen
- 13
- Lumineszenzstrahlen-Filter
- 15
- Laserbaustein
- 17
- Beschädigungserfassungseinheit
- 19
- Kontrasterfassungseinheit
- 20
- Beschädigungsdiskriminator
- 22
- Look-Up-Speicher
- 24, 26
- Datensatz
- 28
- Bildwiedergabeeinheit
- 30
- berührungsempfindliche Oberfläche
- 32, 32'
- Kratzer
- 33, 34
- Riss
- 35, 36
- Bruch
- 40
- Halbleitermaterial
- 42,43
- Fingerkontakt
- 44
- Rückseitenkontaktierung
- 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58
- Verbindungsleitung
- 60
- Benutzerhand
- 61
- Solarmodul
- 62
- Schutzglas
- 64
- Verbundmittel
- 66
- Rückenplatte
- 68
- elektromagnetische Strahlen
- 70
- Erfassungsvorrichtung
- 71
- Gehäuse
- 72
- Handgriff
- 74, 75, 76
- Lumineszenzdiode
- 78
- Streustrahlen-Filter
- 79
- Absorptionsschicht
- 80
- Strahlbündelmittel
- 85, 87, 89, 91, 93
- Verfahrensschritt
