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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum temporären elektrischen
Kontaktieren einer Solarzelle zu Prüfzwecken, wobei zumindest
eine Solarzelle, zumindest zwei Elektrodenanschlüsse zur
Herstellung des elektrischen Kontakts umfassend, mittels einer Probenhalterung
und zumindest eine Sonde mittels einer Sondenhalterung gehalten
werden. Die Sonde dient der Kontaktierung eines Elektrodenanschlusses
der Solarzelle Zur Kontaktierung werden die Solarzelle und die Sonde
relativ zueinander positioniert und anschließend die Sonde
auf dem Elektrodenanschluss der Solarzelle aufgesetzt. Die Erfindung
betrifft ebenso Sonden und Vorrichtungen zur Ausführung
des Verfahrens.
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Im
Verlauf der Herstellung von Solarzellen und aus Solarzellen bestehenden
Solarmodulen ist die elektrische Kontaktierung der vorder- und/oder rückseitigen
Kontakte zur Funktionsprüfung erforderlich. Hierbei sind
sowohl ein sicherer elektrischer Kontakt als auch die mechanische
Empfindlichkeit der Solarzellen zu berücksichtigen. Zum
einen erfordert die mechanische Empfindlichkeit eine Minimierung
der Kraft, mit welcher ein mechanischer und damit elektrischer Kontakt
durch Sonden hergestellt wird. Zum anderen ist eine definierte Kraft
erforderlich, um den Kontakt sicher herzustellen und im Verlauf
der Messung zu gewährleisten. Insbesondere bei der gleichzeitigen
Kontaktierung mehrerer Elektrodenanschlüsse einer Solarzelle
treten solche hohen Kräfte auf, die eine Schädigung
der Solarzelle aufgrund mechanischer Belastungen oder Spannungen
bewirken können, insbesondere, wenn die Solarzelle während
der Prüfung für eine minimale Beschattung oder
für die Möglichkeit der beidseitigen Kontaktierung
nur punktuell von einer Halterung getragen wird.
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So
wird zum Beispiel in der
US 2007/0068567 A1 Stand der Technik zur
temporären elektrischen Kontaktierung beschrieben, in der
eine Solarzelle aus kristallinem Silizium, deren als „Finger” bezeichnete
Leiterbahnen direkt oder über jene die Leiterbahnen kontaktierenden
Sammelschienen, den so genannten Bus-Bars durch mehrere Kontakt-Köpfe
kontaktiert werden, die jeweils einen Durchmesser von wenigen Millimetern
haben und einzeln mittels Federn auf die Solarzelle gepresst werden.
Um Beschädigungen durch die Kontakt-Köpfe zu vermeiden
werden in der
US 2007/0068567
A1 auf die Kontakte der Solarzelle einseitig oder beidseitig
Sonden gepresst, die als flexible, langgestreckte Leiter ausgebildet
sind. Bei dieser Kontaktierung der Solarzelle wird eine relativ
hohe und mitunter auch lokal stark differenzierte Kraft auf die
Solarzelle gebracht, um auch bei Unebenheiten oder bei verkanteter
Solarzelle oder nicht parallel verlaufenden Sonden mit Sicherheit
auf allem Fingern und auf dem gesamten Bus-Bar einen elektrischen Kontakt
herzustellen.
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Darüber
hinaus verursacht auch die Handhabung der dünnen und spröden
Solarzellen zur Übergabe in eine Prüfstation oder
in der
US 2007/0068567
A1 zur Positionierung zwischen zwei gegenüber
liegenden Sonden und zur Entnahme nach der Prüfung Stressbelastungen,
die zur Schädigung der Solarzelle führen können.
Letzteres ist insbesondere für die Herstellung von Solarzellen
in einer Durchlaufanlage von Bedeutung, da dort die Handhabung häufig
mittels Roboter erfolgt und aus Zeit- und Kostengründen
eine Korrektur eingeprägter Bewegungsabläufe z.
B. bei Abweichungen und Gestalt und Position der Solarzellen nur
bedingt möglich ist.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und dafür
nutzbare Anordnungen anzugeben, mit welchen eine Solarzelle bei
minimalem mechanischem Stress in einer Prüfstation gehandhabt
und durch Kontaktspitzen mechanisch und elektrisch kontaktiert werden
kann, wobei Verfahren und Vorrichtung auch zur Integration in industrielle Durchlaufverfahren
geeignet sein sollen.
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Die
Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren gelöst, welches
die Zustellbewegung einer oder mehrerer Sonden steuerbar macht,
so dass die mit den Sonden eingebrachte Kraft präzise dosiert
werden und den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden kann. Die
Steuerung wird mithilfe eines Referenzsensors der Sonde realisiert,
indem bekannte geometrische Beziehungen zwischen dem Referenzsensor,
dem einen oder auch mehreren Kontaktelementen der Sonde und dem
einen oder mehreren Elektrodenanschlüssen der Solarzelle
der Zustellbewegung ab einem gemessenen Ort der Sonde relativ zur
Solarzelle zugrunde gelegt werden. Dieser Ort, im Folgenden als
Referenzposition bezeichnet, wird durch ein Signal des Referenzsensors
angezeigt, welcher so ausgeführt und angeordnet ist, dass
er eine Distanz zu einer Referenzfläche auf der Solarzelle
misst. Bei Erreichen der Referenzposition ist eine definierte geometrische
Beziehung zwischen dem Kontaktelement und einem Elektrodenanschluss
der Solarzelle hergestellt und diese Einstellung des Referenzsensors
mit einer vordefinierten Distanz zu einer Referenzfläche
der Solarzelle wird durch ein elektrisches Signal des Referenzsensors, ein
Referenzsignal, angezeigt. An den ersten Teil der Zustellbewegung
bis zur Referenzposition schließt sich eine finale Zustellbewegung
an, mit der die Berührung des Kontaktelements auf dem Elektrodenanschluss
und ein sich daran anschließender Overtravel entlang eines
bekannten und somit auch programmierbaren Weges erfolgen kann.
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Als
Zustellbewegung soll hier die Bewegung der Sonde verstanden sein,
die durch die Sonde nach Herstellung einer Relativposition zwischen
Sonde und Solarzelle in einer Richtung bis zur endgültigen
Herstellung des Kontakts ausgeführt wird. Sie umfasst somit
die Zustellbewegung bis zum Erreichen der durch den Referenzsensor
signalisierten Position, die sich daran anschließende Fortsetzung dieser
Bewegung in derselben Richtung bis zur Berührung eines
Elektrodenanschlusses durch ein Kontaktelement und darüber
hinaus die allgemein als Overtravel bezeichnete Fortsetzung dieser
Zustellbewegung zur Herstellung eines sicheren, von z. B. mechanischen
oder thermischen Belastungen unabhängigen Kontakts. Der
Overtravel ist eine Größe, die hauptsächlich
von den verwendeten Materialien der miteinander in Kontakt zu bringenden
Komponenten, von der Größe der Anschlussflächen,
von der die Bewegung ausführenden Maschinentechnik und
von den Toleranzen dieser Parameter abhängt. Sie wird meist
experimentell ermittelt, um sicherzustellen, dass während
des Overtravels die Sonde nicht plastisch verformt wird, eine zu
kontaktierende Flächen nicht von die Sonde durchstochen
oder anderweitig beschädigt wird und die Sonde diese Fläche,
z. B. durch eine Verschiebung der Komponenten zueinander nicht verlässt.
Mit Kenntnis des Overtravels aus einer Versuchsreihe an der jeweils
verwendeten Kontaktierungsvorrichtung kann die Zustellbewegung bis zur
Herstellung eines sicheren Kontakts gesteuert werden.
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Von
der Referenzposition an ist eine Lage zwischen einem Kontaktelement
und einem Elektrodenanschluss der Solarzelle erreicht, die ausschließlich
durch die Vorrichtung definiert ist. Zum einen ist der Referenzsensor
durch seine Montage an der Sonde geometrisch zur Spitze des Kontaktelements über
deren Anordnung relativ zu einer Montageebene als Bezugsebene bestimmt.
Zum anderen ist die Lage der Referenzfläche auf der Solarzelle
relativ zu deren Elektrodenanschluss bekannt. Die Verbindung zwischen
beiden geometrischen Systemen ist mit Erreichen der Referenzposition
in Verbindung mit der Zustellbewegung in nur einer Richtung hergestellt.
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Sofern
bisher und im Folgenden nur ein Kontaktelement, eine Sonde oder
ein Elektrodenanschluss beschrieben ist, trifft das ebenso auf eine Mehrzahl
davon zu, da auch in diesen Fällen in der beschriebenen
Weise stets eine genaue geometrische Zuordnung möglich
ist. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Elektrodenanschlüsse
zu kontaktieren. So ist das Aufsetzen auf einem einzelnen kleinen
Anschluss ebenso möglich, wie die gleichzeitige Kontaktierung
einer komplexen Anschlussstruktur oder einer als „Bus Bar” bezeichneten
Sammelschiene von mono- oder polykristallinen Solarzellen. Auch
deren parallele verlaufende so genannte Finger sind mit dem beschriebenen
Verfahren kontaktierbar.
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Die
nach dem Referenzsignal zu ergänzende Zustellbewegung der
Sonde ist abhängig von der Relativposition der Kontaktelemente
zum Referenzsensor. Die Lage des Referenzsensors wiederum hängt
z. B. von der Art des Sensors ab. Bei der Verwendung eines Tastsensors
wird dessen Tastspitze in einer Ebene mit der Spitze des Kontaktelements liegen,
so dass das Kontaktelement der Sonde bereits auf dem Elektrodenanschluss
aufliegt, wenn das Referenzsignal erzeugt wird und die sich daran
anschließende finale Zustellbewegung lediglich dem Overtravel
dient. Bei Sensoren, die einen Abstand messen, wie z. B. optischen
Sensoren setzt sich die finale Zustellbewegung wie oben beschrieben
zusammen.
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Die
Ausführung des Overtravels ermöglicht es in einer
Ausgestaltung des Verfahrens, bei der Verwendung geeigneter Kontaktelemente,
einen so genannten „Scrub” auszuführen.
Dabei schaben die Kontaktspitzen aufgrund deren Verschiebung während
des Overtravels über den Elektrodenanschluss und beseitigen
damit mögliche Verunreinigungen oder Passivierungsschichten.
Auf diese Weise ist es möglich, die Kontaktsicherheit allein
durch die Ausführung der Zustellbewegung zu erhöhen.
Sofern in einer Ausgestaltung auch der Referenzsensor den Kotaktelementen
vergleichbare Referenzelemente aufweist, ist auch durch die Referenzelemente
ein Scrub zu sicheren Erzeugung des Referenzsignals ausführbar.
Darüber hinaus ist auch bei der Verwendung eines elastisch
verformbareren, elektrisch leitfähigen Kunststoffkörpers
als Kontaktelement durch eine Strukturierung der Oberfläche
des Kunststoffkörpers und eine seitliche Bewegung der Sonde
ein Scrub ausführbar.
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Als
Referenzfläche können auf der Solarzelle stets
vorhandene Flächen, z. B. ein zu kontaktierender Elektrodenanschluss
oder eine andere, auch gesondert gefertigte Fläche sein.
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Bei
direkter Auflage der Solarzelle auf einer Auflagefläche
der Probenhalterung kann die Referenzfläche auch auf der
Probenhalterung angeordnet sein, wobei durch eine präzise
Position der Solarzelle zu dieser externen Referenzfläche
wiederum die oben beschriebenen bekannten geometrischen Verhältnisse
herzustellen sind.
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Alternativ
können auch mehrere Referenzsensoren zur Steuerung der
Zustellbewegung verwendet werden. Z. B. kann bei zweidimensional
ausgedehnten Sonden oder Sondenträgern mit linear oder
flächig verteilten Sonden durch geeignete Anzahl und Positionen
von Referenzsensoren die Zustellbewegung lokal differenziert gesteuert
werden. Dies wird unterstützt, wenn eine geeignete Halterung einer
Sonde oder eines Sondenträgers deren Kippen über
eine oder zwei Achsen ermöglicht. Zu diesem Zweck wird
eine Sonde oder ein Sondenträger, welcher mehrere Sonden
aufnimmt, die sich entlang einer Ausdehnungsrichtung oder in einer
Ebene erstrecken mit zwei oder mehr Gelenken an der Sondenhalterung
montiert, so dass das System statisch bestimmt ist, d. h. dass die
Anzahl der Reaktionen diesen Lagern gleich ist der Anzahl der Freiheitsgrade der
Sonde oder des Sondenträgers. Auf diese Weise wird verhindert,
dass weder in der Sonde noch in der Solarzellen Spannungen auftreten,
die Schädigungen an einem oder beiden hervorrufen können.
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Die
Aufgabenstellung wird auch durch eine Sonde gelöst, die
einen Referenzsensor umfasst, welcher in einer definierten geometrischen
Position relativ zu einem Kontaktelement der Sonde steht, mit dem
der elektrische Kontakt durch Aufsetzen auf einem Elektrodenanschluss
hergestellt wird. Eine definierte Relativposition ist sowohl die
Anordnung in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander als auch ein seitlicher
und/oder Höhenversatz zueinander. Indem der Referenzsensor
Bestandteil der Sonde ist, wird er mit dieser gemeinsam bewegt,
so dass sich die Relativposition nicht ändert. Ein geometrischer
Bezug der Sonde zur Vorrichtung und speziell zu deren Positionierungs-
und Bewegungssystem wird regelmäßig durch die
Montage der Sonde hergestellt, so dass eine oder mehrere Kontaktelemente
und von diesen insbesondere die Spitzen zu einer Montageebene ausgerichtet
sind. Eine Ebene als Bezug zu verwenden ermöglicht es,
mehrere Kontaktelemente zu dieser Ebene auszurichten, z. B. so dass
die Spitzen der Kontaktelemente in einer Ebene liegen, die parallel zur
Montageebene liegt.
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In
einer Ausgestaltung weist eine Sonde eine dreifingrige Struktur
auf, die so eng beieinander liegen, dass sie nebeneinander selbst
auf einer Elektrodenanschlussfläche von kleiner einem Millimeter
aufgelegt werden können. Der mittlere Finger einer solchen
Struktur stellt das Kontaktelement dar, während die beiden äußeren
Finger Referenzele mente sind, die zur Erzeugung des Referenzsignals
mit einem definierten, die Messung nicht beeinträchtigenden Referenzpotential,
z. B. Groundpotential, beaufschlagt sind. Alle drei Finger sind
federelastisch und auslegerartig derart an einer Konsole montiert,
dass deren Spitze bei der kurzzeitigen Fortsetzung der Zustellbewegung
nach deren Berühurng auf dem Elektrodenanschluss, dem Overtravel;
eine Auslenkung erfahren, die eine Richtungskomponente in Zustellbewegung
und eine Richtungskomponente rechtwinklig dazu aufweist. Auf diese
Weise wird mit der Zustellbewegung der oben beschriebene „Scrub” möglich.
Denn die Richtungskomponente der Auslenkung der Spitze des Kontaktelements,
die senkrecht zur Zustellbewegung verläuft, verursacht
das Schaben der Spitze über den Elektrodenanschluss.
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Aufgrund
eines beim Aufsetzen der Referenzelemente oder eines Tastsensors
meist auftretenden zeitlichen Verzögerung zwischen dem
Kontaktsignal und dem tatsächlichen Ende der Zustellbewegung
erfolgt ein ausreichender Overtravel häufig bereits aufgrund
dieser messtechnisch bedingten Verzögerung.
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In
vergleichbarer Weise können eine Reihe von Kontaktelementen
nebeneinander angeordnet werden, die zum gemeinsamen Aufsetzen auf
einen hochohmigen Elektrodenanschluss, wie einem gedruckten Bus
Bar, parallel geschalten sind. Um bei einer solchen linearen oder
flächigen Ausdehnung einer Sonde deren Kippen zur Elektrodenanschlussfläche
und damit eine Verfälschung der Prüfung zu vermeiden,
können zwei oder mehr Referenzsensoren an der Sonde angeordnet
sein, die einen gleichmäßigen Abstand verschiedener
Punkte der Sonde zur Solarzelle signalisieren. Hierbei würde
ein größtmöglicher Abstand zwischen den
Referenzsensoren die beste Nivellierung der Sonde erzielen. Die
Referenzsensoren können dabei zwei, mit einem Referenzpotential
beaufschlagte Finger zur Erzeugung eines Kontaktsignals als Referenzsignal
oder anderer geeignete Tast oder Abstandssensoren sein.
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Die
Aufgabenstellung wird des Weiteren durch eine Vorrichtung gelöst,
die eine derartige Sonde aufweist sowie geeignete Bewegungs- und
Positionierungseinrichtungen für die unabhängig
voneinander auszuführende Positionierung von Solarzelle und
Sonde relativ zueinander und die finale Zustellbewegung der Sonde
zur Solarzelle. Die Positionierung von Solarzelle und/oder Sonde
kann je nach vorangegangener oder nachfolgender Fertigungs- oder Testabläufe
sowohl eine von beiden als auch nur beide gemeinsam betreffen. In
letzterem Fall wird die Solarzelle gemeinsam mit der Probenhalterung
und die Sonde gemeinsam mit der Sondenhalterung bewegt. Darüber
hinaus kann die Positionierung in Grob- und Feinpositionierung unterteilt
sein. Im Ergebnis der Positionierungsbewegung stehen Solarzelle
und Sonde derart zueinander, dass die Sonde nur noch in einer Richtung
zur Solarzelle zugestellt wird, um den Kontakt herzustellen. Mittels
einer geeigneten Steuereinheit wird das Referenzsignal empfangen,
ausgewertet und der Steuerung der finalen Zustellbewegung und damit
des Overtravels zur Verfügung gestellt.
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Entsprechend
einer Ausgestaltung der Vorrichtung gestattet eine geeignete Probenhalterung die Übernahme
der Solarzelle eingangs und ausgangs einer Prüfstation,
sowie eine nahezu vollflächige Auflage der Solarzellen
während der Kontaktierung und Messung, indem sich die Auflagefläche
der Probenhalterung an Unebenheiten in Lage und Struktur der Solarzelle
anpasst. Damit wird selbst bei gleichzeitiger Kontaktierung mit
mehreren Sonden eine auftretende erhöhte mechanische Belastung
auf die Solarzelle aufgrund deren nahezu vollflächiger Auflage
auf der Probenhalterung aufgenommen.
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Darüber
hinaus kann die Probenhalterung derart gestaltet sein, dass auch
eine beidseitige Kontaktierung der Solarzelle möglich ist.
Zu diesem Zweck weist die Probenhalterung Ausnehmungen auf, deren
Größe und Gestalt der Anordnung der Elektrodenanschlüsse
auf der Seite der Solarzelle entspricht, mit der sie auf der Probenhalterung
liegt. Diese soll hier ohne weiteren Bezug auf die Gestaltung der
Solarzelle als Rückseite bezeichnet sein.
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Mit
der Probenhalterung ist eine Sondenhalterung kombiniert, die eine
oder in einer Ausgestaltung auch mehrere Sonden in einer definierten
Lage zueinander hält, welche mit der Lage von gleichzeitig zu
kontaktierenden elektrischen Kontakten der Solarzelle korrespondiert.
Die Sondenhalterung ist relativ zur Solarzelle so zu positionieren,
dass durch eine finale Zustellbewegung der Sonden in nur einer Richtung
der mechanische und elektrische Kontakt hergestellt werden kann.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden. In der zugehörigen
Zeichnung zeigt
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1 einen
Vertikalschnitt durch eine Prüfanordnung zur elektrischen
Funktionsprüfung von Solarzellen,
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2 eine
Draufsicht einer Probenhalterung zur Halterung von Solarzellen,
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3A, 3B eine
Detaildarstellungen einer nachgiebigen Vakuumansaugung der Probenhalterung
gemäß 2 in Schnittdarstellung und
Draufsicht
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4 zwei
Sonden in beiderseitigem Kontakt mit einer Solarzelle und
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5A, 5B verschiedene
Ausführungsformen von Sonden.
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Mit
dem im Folgenden beschriebenen Verfahren und der zu dessen Ausführung
verwendeten Vorrichtung können verschiedene Ausgestaltungen von
Solarzellen oder Solarzellen in verschiedenen Fertigungsstufen elektrisch
kontaktiert werden, soweit die Lage und die Größe
der Elektrodenanschlüsse der Solarzellen deren Kontaktierung
mit den beschriebenen Verfahren und mit den denkbaren Ausgestaltungen
von Sonden ermöglichen.
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Die
Prüfanordnung gemäß 1 umfasst eine
Sondenhalterung 11 auf einer Grundplatte 10, wobei
die Sondenhalterung 11 mit drei Freiheitsgraden parallel
zur Grundplatte 10 zu bewegen ist. Die Sondenhalterung 11 hat
im Querschnitt die Form eines U und ist derart auf der Grundplatte 10 angeordnet,
dass die offene Seite des U zur Seite weist. Von dieser offenen
Seite her ragt eine plattenförmige Probenhalterung 40 in
die Sondenhalterung 11. Die Probenhalterung 40 ist
ungefähr parallel zur Grundplatte 10 und damit
zu dem oberen und dem unteren Schenkel der Sondenhalterung 11 angeordnet.
Auf einer ebenen Auflagefläche 41 der Probenhalterung 40 wird
eine Solarzelle 1 aufgelegt und gehalten.
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Im
Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine polykristalline
Solarzelle, welche auf ihrer nach oben weisenden Vorderseite 5 eine
Vielzahl Strom sammelnder Finger (nicht dargestellt) aufweist, welche
von zwei Bus Bars miteinander verbunden sind. Auf seiner Rückseite 6 weist
die Solarzelle zwei weitere Bus Bars auf, die gemeinsam mit den
vorderseitigen Bus Bars als Elektrodenanschlüsse 2 dienen.
In anderen Ausgestaltungen können die Finger als Elektrodenanschlüsse
kontaktiert werden, indem ein gemeinsames Kontaktelement 31 über
alle Finger gelegt wird oder indem jeder Finger durch ein separates
Kontaktelement 31 kontaktiert wird. Das nachfolgend beschriebene
Verfahren gestattet im Zusammenhang mit der dafür verwendeten
Sonde und der Vorrichtung eine Positioniergenauigkeit von bis zu
50 μm, so dass auch Kontaktinseln und deren Abstand zueinander
in solchen Größenordnungen einzeln durch einzelne
Kontaktelemente kontaktierbar sind.
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Oberhalb
und unterhalb der Probenhalterung 40 ist jeweils ein Sondenträger 20 derart
an der Sondenhalterung 11 montiert, dass sich die Sondenhalterplatten 20 nahezu
parallel zur Solarzelle 1 erstrecken. Jede Sondenträger 20 trägt
zwei Sonden 30 mit jeweils einer Reihe von Kontaktelementen 31. Diese
werden nebeneinander auf einem der sich senkrecht zur Zeichenebene über
die gesamte Solarzelle 1 erstreckenden Elektrodenanschlüsse 31 über seiner
Länge verteilt zur Kontaktierung der Solarzelle 1 aufgesetzt.
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Die
Sonden bestehen jeweils aus einer Schiene 34, die im Querschnitt
eine Trapezform aufweist, deren kürzere der beiden parallelen
Grundflächen zur Solarzelle 1 weist. An beiden
schrägen Seitenflächen des Trapezes sind jeweils
eine Reihe von Kontaktelementen 31 angeordnet, so dass
diese zur Spitze hin aufeinanderzu verlaufen. Die Trapezform der
Schiene 34 ist derart gestaltet, dass ein Schattenwurf
der Sonde 30 senkrecht auf die Solarzelle 1 seitlich
nicht über die Fläche des jeweiligen Elektrodenanschlusses 3 hinausragt
und die Spitzen der Kontaktelemente 31 in zwei eng beieinander
liegenden Reihen verlaufen, ohne dass sich gegenüber liegende
Kontaktelemente 31 kreuzen. Alternativ kann die Schiene 34 auch
eine andere Form, z. B. mit rechteckigem Querschnitt aufweisen,
sofern sie zum einen gemeinsam mit den Kontaktelementen 31 keine
oder nur eine minimale Beschattung der lichtaktiven Fläche
der Solarzelle 1 bewirkt, eine stabile und reproduzierbare
Montage der Kontaktelemente 31 und gegebenenfalls auch
des Referenzsensors 31 bzw. dessen Referenzelemente 31 ermöglicht
und selbst eine ausreichende Stabilität insbesondere gegenüber
Belastungen in Richtung der Zustellbewegung 8 aufweist.
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Jede
Sonde wiest in ihren beiden Enden jeweils ein Referenzelement 32 (nicht
dargestellt) auf, in welchen beim vollständigen Aufsetzen
der Sonde 30 über seine gesamte Längsausdehnung
infolge der hochohmigen Verbindung zwischen beiden Referenzelementen 32 über
den Elektrodenanschluss 3 ein Referenzsignal erzeugt wird.
Dieses zeigt in dieser Ausgestaltung ein Aufliegen der Referenzelemente 32 und
gleichzeitig der Kontaktelemente 31 auf dem Elektrodenanschluss 3 an.
Alternativ können auch separate Referenzsensoren 31 an
den Enden der Sonden 30 oder an anderer Stelle der Sonden 30,
der Sondenträger 20 oder der Sondenhalterung 11 angeordnet
sein.
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Die
Auflagefläche 41 der Probenhalterung 40 weist
Ausnehmungen 42 auf, die der zu kontaktierenden Solarzelle 1 angepasst
derart verteilt sind, dass auch die unterseitigen Elektrodenanschlüsse 2 der
Solarzelle 1 frei bleiben, so dass die Sonden 30 durch
die Ausnehmungen 42 hindurch auf den Elektrodenanschlüssen 2 aufliegen
können. Die Ausnehmungen 42 sind zu diesem Zweck
in Lage und Gestalt den unterseitigen Elektrodenanschlüssen 2 angepasst
und sind längliche Schlitze, größer als
die Elektrodenanschlüsse 31.
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Sofern
in einer weiteren Ausgestaltung die Elektrodenanschlüsse
z. B. punktförmig sind, genügen in der Probenhalterung
oder deren Randbereich verteilte diskrete Durchbrüche,
wie in 2 dargestellt. Die elektrische Kontaktierung kann
in diesem Fall durch dreigliedrige Sonden 30 erfolgen,
mit einem Kontaktelement 31 und, zwei Referenzelementen 32 Referenzsensor.
Die drei Elemente 31, 32 sind in unmittelbarer
Nachbarschaft aber elektrisch isoliert zueinander angeordnet. Die
benachbarte Anordnung aller drei Elemente 31, 32 gestattet
deren gleichzeitiges Aufsetzen auf einer Kontaktinsel als Elektrodenanschluss 2.
Eine derartige Sonde 30 mit drei Elementen 31, 32 ist
in 4 verwendet. Das mittig angeordnete Kontaktelement 31 dient
dem Abgriff des Prüfsignals von der Solarzelle 1,
während die beiden äußeren Elemente 32 als
Referenzsensor 32. Der elektrische Anschluss 33 erfolgt über
ein Steckverbinder.
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In 4 ist
die beidseitige Kontaktierung einer Solarzelle 1 mittels
zweier gleichartiger Sonden 30 dargestellt. Jede der Sonden 30 ist
mit weiteren, nicht näher dargestellten Sonden auf einer
Sondenkarte 20, auch als „Probecard” bezeichnet,
mittels Schrauben 22 montiert. Die Sondenträger 20 ist
größer als die zu prüfende Solarzelle 1 und
weist in ihrem gesamten mittleren, über der Solarzelle 1 liegenden
Bereich einen Durchbruch 21 auf. Durch diesen Durchbruch 21 hindurch
erstrecken sich die Kontaktelemente 31 und die Referenzelemente 32 (hier senkrecht
zur Zeichnungsebene hintereinander liegend) in Richtung zur Solarzelle 1,
so dass sie einen spitzen Winkel mit der Oberfläche der
Solarzelle 1 bilden.
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Die
Kontaktelemente 31 und Referenzelemente 32 jeweils
einer Sonde 30 liegen auf einem Elektrodenanschluss 2 auf.
Infolge der Zustellbewegungen 8 der Sonden 30 in
Richtung zur Solarzelle 1, die wie oben beschrieben nach
dem ersten Kontakt noch kurzzeitig fortgesetzt wird, werden die
Elemente 31, 32 infolge des spitzen Winkels parallel
zur Oberfläche der Solarzelle 1 ausgelenkt und
liegen nach Abschluss der Zustellbewegung 9 mit einer gewissen
Spannung auf der Elektrodenanschluss 2. Die Richtung der
Auslenkung 9 ist durch Pfeile dargestellt. Die Zustellbewegung 9 ist
unter Berücksichtigung der Auslenkung 8 und möglicher
geometrischer Toleranzen zu einem solchen Zeitpunkt gestoppt, dass
zumindest die Kontaktelement 31 aller gleichzeitig zugestellten
Sonden noch sicher auf der Elektrodenanschluss 2 liegen.
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Weitere
Ausführungsformen von Sonden 30 zur elektrischen
Kontaktierung sich streifenförmig erstreckender Elektrodenanschlüsse 2 sind
in den 5A und 5B dargestellt.
Die Kontaktelemente 31 in 5A sind
kammartig an einer Schiene 34 nebeneinander angeordnet.
Der besseren Übersicht wegen sind lediglich einzelne Kontaktelemente 31 dargestellt.
Die Kontaktelemente 31 bestehen aus geformten, elastisch
biegsamen elektrischen Leitern. Die Form der Kontaktelemente 31 mit
einer Ausstülpung 37 in ihrem mittleren Bereich
ermöglicht deren Verformung, wenn nach dem senkrechten
Aufsetzen auf dem Elektrodenanschluss 2 diese Zustellbewegung
kurzzeitig fortgesetzt wird. Wie oben ausführlich dargelegt
wird auf diese Weise gewährleistet, dass alle Kontaktelemente 31 auf
dem Elektrodenanschluss 2 aufsitzen.
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Gleichzeitig
erfahren die Kontaktelemente 31 nach deren Aufsetzen infolge
der Form der Ausstülpung 37 und infolge der senkrecht
zur Oberfläche der Solarzelle 1 ausgeführten
Zustellbewegung 8 (dargestellt durch einen Richtungspfeil)
bei Fortsetzung der Zustellbewegung 8 eine solche Auslenkung 9,
die nahezu parallel zur Oberfläche der Solarzelle 1 verläuft.
Infolge dieser Auslenkung 9 kratzen die Spitzen der Kontaktelemente 31 eine
kurze Strecke über die Elektrodenanschluss 2,
wodurch deren oberste Schicht, meist eine Passivierungsschicht,
abgeschabt und wie oben ausführlich als „Scrub” beschrieben
ein guter elektrischer Kontakt hergestellt wird. Um ein auf die
Schiene infolge der Auslenkung 9 der Kontaktelemente 31 wirkendes
Moment auszugleichen, sind die Kontaktelemente 31 gleichmäßig verteilt
auf beiden Seiten der Schiene angeordnet.
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Die
Form der Kontaktelemente 31 als dünne Leiter,
die Breite b der Schiene und deren Länge gewährleistet,
dass bei einer Beleuchtung der Solarzelle 1 von oben durch
die Sonde 30 nur eine solche Abschattung erfolgt, die mit
nicht oder nur geringfügig über die Abmessung
des Elektrodenanschlusses 31 hinausgeht.
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Zur
Steuerung der Zustellbewegung 8 wird in dieser Ausführungsform
ein optischer Sensor, z. B. Lasertriangulationssensor verwendet
(nicht dargestellt), der am Sondenträger 20 (nicht
dargestellt) montiert sein kann. Der Referenzsensor 32 ist
erzeugt ein Referenzsignal, wenn der Referenzsensor 32 sich
soweit über der Solarzelle 1 befindet, dass die
Kontaktelemente 31 den Elektrodenanschluss 2 gerade
berühren.
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Der
elektrische Anschluss 33 erfolgt in der Ausführungsform
gemäß 5A mittels
zweier Leiterbahnen auf jeder Seite der Schiene 34, die
an der Schiene 34 entlang laufen. Die Kontaktelemente 31 sind
durch Lötstellen elektrisch und mechanisch mit den Leiterbahnen
verbunden, können aber auch auf andere Weise, z. B. durch
Klemmen oder Stecken verbunden sein.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Sonde 30 zur längserstreckten
Kontaktierung z. B. eines Bus Bars 3 oder einer Reihe parallel
angeordneten Fingern 4 von ist in 5B dargestellt.
Die Kontaktelemente 31 und gleichermaßen die am
Rand der Sonde angeordneten zwei Referenzelemente, 32 sind
hier durch eine elastisch verformbare Lippe 39 aus Kunststoff ausgeführt,
deren Oberfläche abschnittsweise durch Beschichtung elektrisch
leitfähig ist.
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Jeder
Abschnitt stellt ein Element 31, 32 dar. Durch
die Anordnung der Referenzelemente 32 an beiden Enden der
Sonde 30 kann eine Kontaktierung nur einer Seite dieser
längserstreckten Sonde 30 infolge deren Kippen über
die Längsausdehnung vermieden werden, da das Kontaktsignal
nur erzeugt wird, wenn beide Enden auf dem Bus Bar 3 aufsitzen. Durch
geeignete flexible Halterung der Sonde 30 oder alternativ
durch zwei getrennte Antriebe (nicht dargestellt), je einen für
ein Ende der Sonde 30, kann eine einseitige mechanische
Belastung der Solarzelle 1 durch eine Verkippen der Sonde 30 vermieden werden.
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Der
elektrische Anschluss (nicht dargestellt) erfolgt über
Kontaktleiter und Referenzleiter entlang der Schiene 34,
an deren Unterkante die Lippe 39 angeordnet ist. Alternativ
zur leitfähigen Oberfläche kann der Kunststoff
auch selbst leitfähig sein, beispielsweise durch elektrisch
leitfähige Partikel. In diesem Fall ist die Unterteilung
der Lippe 39 in einzelne Elemente 31, 32 durch
eine sich wiederholende Unterbrechung der Lippe 39 selbst
oder deren elektrischer Leitfähigkeit realisierbar. Die
Kontaktierung mit der Elektrodenanschluss 2 der Solarzelle 1 erfolgt durch
flächiges Aufpressen der Lippe 39 über
ihre gesamte Länge.
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Auch
die beiden Sonden 30 gemäß der 5A und 5B sind
für die beidseitige Kontaktierung einer Solarzelle 1 verwendbar.
In diesem Fall weist die Probenhalterung längserstreckte
Ausnehmungen auf. Darüber hinaus sind diese Sonden 30 durch
geeignete Adaptionen an Sondenträgern 20 montierbar,
um nebeneinander mehrere Sonden zu montieren und zu kontaktieren.
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Zur
Fixierung der Solarzelle auf der Auflagefläche 41 der
Probenhalterung weist die Probenhalterung 40 mehrere Vakuumansaugungen 43 auf (2).
Die Zahl und die Lage der Vakuumansaugungen 43 kann der
Gestalt und Größe sowie der Lage der Elektrodenanschlüsse 2 der
Solarzelle 1 oder weiteren Parametern der vorangehenden
oder sich anschließenden Handhabung der Solarzelle 1 angepasst
werden. Im Ausführungsbeispiel sind vier Vakuumansaugungen 43 gewählt.
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Eine
Vakuumansaugung
43 ist in der Draufsicht und im Schnitt
in den
3A und
3B dargestellt.
Eine Platte, bezeichnet als Vakuumsaugplatte, mit mehreren Vakuumansaugungen
43 ist
ausführlich in der
DE 198 59 048 A1 beschrieben, auf die hiermit
ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Bezeichnungen der
Komponenten der Vakuumsaugplatte in der
DE 198 59 048 A1 entsprechen
den hier verwendeten Bezeichnungen.
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Jede
Ansaugbohrung 45 einer Vakuumansaugung ist mit dem Vakuumanschluss 44 verbunden,
um eine aufgelegte Solarzelle 1 zu fixieren. Infolge der
Ansaugung wird die Dichtung 46 jeder Vakuumansaugung vollständig
komprimiert, so dass die Solarzelle 1 vollflächig
auf der Auflagefläche 41 der Probenhalterung 40 aufliegt.
Die vollflächige Auflage verhindert Spannungen innerhalb
der Solarzelle 1, falls diese Unebenheiten aufweist, und
somit ein Bruch während des Prüfens. Wird die
Solarzelle 1 auf einer Probenhalterung 40 fixiert,
um sie so für weitere Herstellungs- oder Prüfschritte
innerhalb einer Abfolge von Prozessen zu handhaben, kann die mechanische
Belastung und somit der Verlust infolge Bruch deutlich reduziert
werden.
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In
einer Ausgestaltung sind eine oder mehrere Vakuumansaugungen 43 getrennt
von anderen mit dem Vakuumanschluss 44 zu verbinden, um
hinsichtlich der Größe und Anzahl der auf der
Probenhalterung 40 zu haltenden Solarzellen 1 flexibel
zu sein.
-
Zur
Prüfung einer Solarzelle 1 wird diese temporär,
d. h. nur über den definierten Zeitabschnitt der Prüfung
und lösbar, durch Sonden kontaktiert und einem auf die
Vorderseite 5 gerichteten und diese fast vollständig
treffenden Lichtblitz ausgesetzt. Ein durch die Lichteinwirkung
erzeugter Strom und eine Spannung werden als Messsignal wird über
die Sonden abgegriffen und einer Auswertung zugeführt.
Die Kontaktierung erfolgt nur durch Auflegen der Sonden 30 auf
den Elektrodenanschlüsse 2 der Solarzelle 1, die
Unterbrechung des Kontakts durch Abheben der Sonden 30.
Auf diese Weise kann fortlaufend hintereinander eine Reihe von Solarzellen 1 temporär
kontaktiert, geprüft und weiter transportiert werden.
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Die
temporäre elektrische Kontaktierung soll im Folgenden anhand
der Prüfanordnung gemäß 1 beschrieben
werden. Zunächst wird eine Solarzelle 1 auf der
Auflagefläche 41 einer Probenhalterung 40 aufgelegt
und mittels der Vakuumansaugungen 43 auf der Fläche
fixiert. Die Probenhalterung 40 mit der Solarzelle 1 wird
nachfolgend mittels einer nicht dargestellten Positionierungseinrichtung
innerhalb einer Sondenhalterung 11 zwischen sich gegenüber
stehenden Sonden 30 positioniert.
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Die
Sonden 30 sind zuvor mittels der oben beschriebenen Sondenträgern 20 relativ
zueinander so ausgerichtet, dass die Lage der Kontaktelemente 31 zueinander
der Anordnung der Elektrodenanschlüsse 2 auf der
Solarzelle 1 zueinander entspricht. Dies ist sowohl für
die oberen Sonden 30, die oberhalb der Solarzelle 1 angeordnet
sind, als auch für die unteren Sonden geschehen. Des Weiteren
sich auch die oberen zu den unteren Sonden entsprechend der Lage
der oberseitigen Elektrodenanschlüsse 2 der Solarzelle
relativ zu den unterseitigen zueinander ausgerichtet. Gleichermaßen
sind auch Höhenpositionen der einzelnen Sonden 30 genau
auf die Höhenpositionen der Elektrodenanschlüsse 2 bei positionierter
Solarzelle 1 eingestellt. Die Höhenposition wird
definiert durch die Dicke der Probenhalterung 40 und der
Solarzelle 1 zuzüglich der Distanz der Zustellbewegung 8.
Nach der Höhenausrichtung weisen die Sonden 30 einen
gleichmäßigen Abstand zueinander auf, der dieser
Maßkette entspricht.
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Zur
Ausrichtung der Sonden 30 kann die Sondenhalterung über
Mittel zur Feinjustierung der Sonden 30 verfügen.
Die präzise Ausrichtung der Sonden 30 zueinander
entsprechend der zu prüfenden Solarzelle 1 und
deren Anordnung auf der Probenhalterung 40 ermöglicht
später die Kontaktierung durch eine einzige Zustellbewegung 8 in
nur einer Richtung, gemäß dem dargestellten Koordinatensystem 1 in
Z-Richtung. Für die Zustellbewegung in Z-Richtung sind
im Ausführungsbeispiel für jede Sondenträger 20 vier
Führungselemente 13 angeordnet. Diese verhindern
ein Kippen der Sonden 30 aus ihrer zur X-Y-Ebene parallelen
Ebenen. Dies gestattet zur Zustellbewegung 8 jedes Sondenträgers 20 mit
nur einem Antrieb und die Anordnung der oben beschriebenen Referenzelemente 32 an
jedem Ende einer Sonde 30. Infolge des oben beschriebenen
Abstandes zwischen den Sonden 30 kann die Probenhalterung 40 zwischen
den Sonden 30 positioniert werden, ohne deren Relativposition
zu verändern.
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Die
Positionierung der Probenhalterung 40 mit der Solarzelle 1 erfolgt
in der X-Y-Ebene gemäß dargestelltem Koordinatensystem
und damit in X-Richtung, in Y-Richtung und im Winkel Θ.
Nach der Bewegung der Probenhalterung 40 in die Sondenhalterung 11 und
einer möglichen Grobjustierung erfolgt die Feinjustierung
durch eine Positionierungseinrichtung 14. Diese ist im
Ausführungsbeispiel mit der Sondenhalterung 11 kombiniert,
kann alternativ aber ebenso der Probenhalterung 40 zugeordnet
sein und diese feinausrichten. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die
Feinausrichtung in X-Y-Ebene zwischen Sondenhalterung 11 und
Probenhalterung 40 mittels einer Lagerung der Sondenhalterung 11 auf
drei Kugeln zwischen Grundplatte 10 und Sondenhalterung 11 sowie
durch drei geeignete, in dieser Ebene agierende Antriebe (nicht
dargestellt).
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Ist
die Solarzelle 1 präzise zwischen den Sonden 30 positioniert
erfolgt die Zustellbewegung 8 der oberen Sonden 30 gemeinsam über
die Zustellung der oberen Sondenträger 20 in Zustellrichtung von
oben nach unten und der unteren Sonden 30 gemeinsam über
die untere Sondenträger 20 in entgegengesetzter
Zustellrichtung von unten nach oben. Bei Erreichen der Elektrodenanschlüsse 2 der
Solarzelle durch die Referenzelemente 32 an jedem Ende eine
Sonde werden wie oben dargelegt Referenzsignale in den Referenzelementen 32 erzeugt.
Diese werden über die elektrische Verbindung der Referenzelemente 32 einer
Steuereinheit zugeleitet, die mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung
die Zustellbewegung 8 stoppt. Die Zeitverzögerung
dient hier wegen der gleichzeitig aufsetzenden Kontakt- und Referenzelemente 31, 32 nur
dem Overtravel, so dass sie wie oben ausführlich beschrieben
aus der zulässigen Auslenkung 9 der Kontaktelemente 31 bei
einer zurückgelegten Distanz in Richtung der Zustellbewegung 8 sowie
den weiteren Vorrichtungsparametern experimentell ermittelt wird.
Nach der Belichtung der Solarzelle 1 wird der Kontakt durch
eine Bewegung der Sonden 30 entgegengesetzt der Zustellbewegung 8 gelöst.
-
Die
beschriebene Vorrichtung unterstützt auch die Prüfung
in einem Durchlaufverfahren, indem in einer Ausgestaltung des Verfahrens
zunächst eine Solarzelle 1 auf einer Probenhalterung 40 angeordnet
wird, Nachfolgend werden beide gemeinsam in der Sondenhalterung
positioniert, der Kontakt wird hergestellt und die Solarzelle 1 wird
geprüft. Während dessen wird in der vorangegangenen
Station bereits die nächst Solarzelle 1 auf einer
weiteren Probenhalterung angeordnet. Zur Positionierung der von einer
Probenhalterung 40 gehaltenen Solarzelle 1 relativ
zur Sondenhalterung und damit zur Sonde wird ein Bild von der Anordnung
der Elektrodenanschlüsse 2 aufgenommen und die
Positionierung anhand der Auswertung dieser Bildaufnahme vorgenommen. Dies
kann z. B. durch eine erste Grobpositionierung der Probenhalterung 40 in
der Station der Sondenhalterung 11 und eine darauf folgende
Feinausrichtung der Sondenhalterung 11 in X- und Y-Richtung sowie
im Winkel Θ gemäß dem Koordinatensystem
in 1 erfolgen. Von dieser Position aus kann die elektrische
Kontaktierung durch die Zustellbewegung 8 allein in Z-Richtung
erfolgen.
-
- 1
- Solarzelle
- 2
- Elektrodenanschluss
- 3
- Bus
Bar
- 4
- Finger
- 5
- Vorderseite
- 6
- Rückseite
- 8
- Zustellbewegung
- 9
- Auslenkung
- 10
- Grundplatte
- 11
- Sondenhalterung
- 13
- Führungselemente
- 14
- Positionierungseinrichtung
- 20
- Sondenträger
- 21
- Durchbruch
- 22
- Schraube
- 30
- Sonde
- 31
- Kontaktelement
- 32
- Referenzsensor,
Referenzelement
- 33
- elektrischer
Anschluss
- 34
- Schiene
- 35
- Kontaktleiter
- 36
- Referenzleiter
- 37
- Ausstülpung
- 39
- Lippe
- 40
- Probenhalterung
- 41
- Auflagefläche
- 42
- Ausnehmung
- 43
- Vakuumansaugung
- 44
- Vakuumanschluss
- 45
- Ansaugbohrung
- 46
- Dichtung
- 47
- Baugruppe
- 48
- Aufnahmeöffnung
- 49
- Ringnut
- 50
- Stützring
- 51
- Schraube
- 52
- Bohrung
- 53
- Wölbung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2007/0068567
A1 [0003, 0003, 0004]
- - DE 19859048 A1 [0049, 0049]