DE102009003544A1

DE102009003544A1 - Verfahren zur Überprüfung von Solarzellenoberflächen

Info

Publication number: DE102009003544A1
Application number: DE200910003544
Authority: DE
Inventors: Dominik Lausch; Kai Petter; Patrick Clemens; Ronny Bakowskie
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: DE102009003544B4

Abstract

Verfahren zur Überprüfung von Solarzellenoberflächen, insbesondere zur Erkennung von Ablagerungen eines Kontakt-Materials auf einem Solarzellensubstrat, umfassend die folgenden Schritte: Anlegen einer Rückwärtsspannung an die Solarzelle; Auswählen eines Bereichs auf einer Oberfläche der Solarzelle, auf dem die Bildung von Kontakten mittels eines Kontakt-Materials nicht vorgesehen ist; spektral und/oder temporal aufgelöstes Erfassen elektromagnetischer Strahlung, welche aufgrund der angelegten Rückwärtsspannung von dem ausgewählten Bereich der Solarzellenoberfläche emittiert wird; und Auffinden von Ablagerungen des Kontakt-Materials mittels Analysieren der erfassten elektromagnetischen Strahlung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung von Solarzellenoberflächen, insbesondere zur Erkennung von Ablagerungen eines Kontakt-Materials auf einem Solarzellensubstrat.
Zur Herstellung elektrischer Kontakte auf Solarzellen mittels Siebdruck werden Kontakt-Materialien in Pastenform, beispielsweise in Form von Metallpasten, auf die Solarzellenoberfläche aufgetragen. Bei einem nachfolgenden Feuerungs- oder Sinter-Prozess entsteht dann ein Metallkontakt, wobei gleichzeitig ein Teil des Metalls in die Halbleiterschicht der Solarzelle eindiffundiert und die Halbleiterschicht dotiert. Beispielsweise zur Realisierung eines so genannten Back-Surface-Fields wird hierzu oftmals eine Aluminium-Paste verwendet. Daher entsteht eine p-dotierte Schicht unterhalb des Aluminiumkontaktes.
Bei der Handhabung der Metallpaste während der Solarzellenherstellung passiert es häufig, dass Pastenreste an den Verarbeitungsmaschinen zurückbleiben. Dadurch ist es möglich, dass Pastenreste an unerwünschten Stellen auf nachfolgenden Solarzellensubstraten gelangen und die Solarzellen so kontaminiert werden. Hierdurch entstehen zum Beispiel auf der dem Licht zugewandten Solarzellenoberfläche Ablagerungen des Kontakt-Materials, welche die Effizienz der fertigen Solarzelle wesentlich vermindern. Zum Einen vermindern die Ablagerungen aufgrund ihres Schattenwurfs die zur Solarenergieumwandlung verwendbare Oberfläche der Solarzelle. Darüber hinaus können bei der Feuerung unterhalb der Ablagerungen durch Diffusion Dotierbereiche entstehen, welche die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle verändern, beispielsweise wodurch sie bevorzugte Auftrittspunkte für Shunt-Effekte bilden.
Aus diesem Grund müssen Solarzellen, auf denen derartige Ablagerungen entstanden sind, erkannt und aussortiert werden. Aufgrund der geringen Größe der Ablagerungen, oft durch Spritzer in kleinen Mengen verursacht, sind sie in der Regel nicht mit dem bloßen Auge erkennbar. Sie lassen sich erst mittels Lichtmikroskopen bei sehr hoher Auflösung oder mittels Rasterelektronenmikroskopen erkennen. Als alternatives Verfahren werden auch Shunt-Kameras eingesetzt, um Ablagerungen des Kontakt-Materials auf der Solarzellenoberfläche auszumachen. Die Ablagerungen des Kontakt-Materials auf der Solarzellenoberfläche verursachen lineare (ohmsche) Kurzschlüsse oder Shunts. Legt man an die Solarzelle eine kleine Sperrspannung von etwa 4 V an, fließen lokal durch diese linearen (ohmschen) Shunts starke Ströme. Diese Ströme verursachen Joulsche Wärme, welche durch eine Shunt-Kamera detektiert werden kann. Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es nicht verlässlich genug sind. Zudem ist es sehr zeitaufwändig, was den Durchsatz der Solarzellenherstellung im in-line-Betrieb senken würde.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Überprüfung von Solarzellenoberflächen vorzuschlagen, mit dem schnell und zuverlässig Ablagerungen eines Kontakt-Materials auf Solarzellenoberflächen erkannt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Rückwärtspolung der Solarzelle, die Stellen auf der Solarzellenoberfläche, an denen Ablagerungen des Kontakt-Materials vorhanden sind, bereits bei relativ kleinen Rückwärtsspannungen zu leuchten beginnen. Hierbei handelt es sich nicht um ein thermisch induziertes Leuchten.
Bei dem Kontakt-Material kann es sich um eine Paste mit Partikeln eines Metalls oder einer Metalllegierung handeln, beispielsweise Aluminium, die zur Herstellung von Kontakten auf die Solarzelle aufgetragen und anschließend gesintert wird. Derartige Pasten werden insbesondere mittels Siebdruckverfahren auf die Solarzellenoberfläche aufgetragen. Unerwünschte Ablagerungen können auf derselben Solarzelle oder auf einer nachfolgend in die Herstellungsvorrichtung eingebrachte Solarzelle entstehen. Ferner können sie auch auf der Solarzellenoberfläche entstehen, auf der eigentlich die Herstellung von Kontakten mittels des Kontakt-Materials erwünscht ist, allerdings in Bereichen, auf denen derartige Kontakte eigentlich nicht vorgesehen sind, beispielsweise zwischen zwei benachbarten Elektrodenfingern auf der Lichteinfalls-Oberfläche einer Solarzelle.
Wenn das Erfassen der elektromagnetischen Strahlung mittels einer elektronischen Vorrichtung ausgeführt wird, kann die erfasste elektromagnetische Strahlung in Form von elektrischen Signalen vorliegen, damit diese für EDV-Zwecke verarbeitet werden können. Beispielsweise können sie gespeichert und/oder auf einem Ausgabegerät angezeigt werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das spektral aufgelöste Erfassen der elektromagnetischen Strahlung ein Erfassen mittels spektralempfindlicher Sensoren. Als spektralempfindlich werden auch die Sensoren, Detektoren und Kameras angesehen, die eine Grenzwellenlänge aufweisen, unterhalb oder oberhalb derer der Sensor nicht mehr anspricht. Auch andere Ansprechverhalten des Sensors, die von der einfallenden elektromagnetischen Strahlung abhängen, fallen hier drunter.
Zusätzlich oder alternativ erfolgt das spektral aufgelöste Erfassen der elektromagnetischen Strahlung bei einer bevorzugten Ausführungsform mittels Spektralfilter. Beispiele hierfür sind Bandpassfilter und Sperrfilter. Unter dem Begriff der Spektralfilter fallen hierbei auch Spektralteiler wie beispielsweise Prismen.
Bevorzugterweise wird das Erfassen der elektromagnetischen Strahlung mittels der Spektralfilter auf einen Spektralbereich begrenzt, welcher einen Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm abdeckt, das heißt im Wesentlichen den sichtbaren Bereich. Durch eine Einschränkung auf bestimmte Wellenlängenbereiche kann der Einfluss von Strahlung emittierenden Effekten minimiert werden, die gewöhnlich nicht auf Ablagerungen von Kontakt-Material hindeuten oder zurückzuführen sind. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit des Verfahrens gesteigert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das temporal aufgelöste Erfassen der elektromagnetischen Strahlung ein temporales Filtern bei temporal modulierter Rückwärtsspannung umfasst. Hierzu kann beispielsweise ein Lock-In-Verstärker verwendet werden. Hierdurch werden Hintergrundstrahlung und -signale effektiv herausgefiltert. Dies hat den Vorteil, dass auch sehr kleine Effekte erkannt werden können.
Das Erfassen der elektromagnetischen Strahlung umfasst bei bevorzugten Ausgestaltungen ein Erfassen einer zweidimensionalen Oberflächenabbildung. Beispielsweise kann hierfür eine CCD-Kamera verwendet werden. Durch Auswertung der zweidimensionalen Oberflächenabbildung können die Positionen der Ablagerungen auf der Solarzellenoberfläche präzise ermittelt werden. Diese Information kann gegebenenfalls bei einem Zerteilen der Solarzelle in kleinere Einheiten berücksichtigt werden, so dass nicht die gesamte Solarzelle, zum Beispiel ein ganzer Wafer, entsorgt werden muss. Wird festgestellt, dass die Ablagerungen bei mehreren Solarzellen an der gleichen Stelle auf der Oberfläche erscheinen, kann zudem gezielt nach dem Grund der Verschmutzung gesucht werden.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Analysieren der erfassten elektromagnetischen Strahlung einen Schwellwertvergleich umfasst. Auf diese Weise kann automatisch eine zügige Einschätzung erfolgen, ob die Solarzelle weiterverarbeitet oder aussortiert werden soll. Der Schwellwert entspricht beispielsweise einer bestimmten, von der Solarzellenoberfläche abgestrahlten Lichtmenge bei einer gegebenen angelegten Rückwärtsspannung. Beim Erfassen zweidimensionaler Oberflächenabbildungen, können diese auch ausgewertet werden, um eine Anzahl von Ablagerungspunkten auf der Solarzellenoberfläche zu ermitteln. Diese Anzahl kann anschließend einem Schwellwertvergleich unterzogen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Erfassen der elektromagnetischen Strahlung bei Umgebungsbeleuchtung. Dies bedeutet, dass für das Verfahren kein auf besondere Weise abgedunkelter Raum oder Behälter verwendet werden muss. Es ist möglich, dieses Verfahren bei Tageslicht oder bei herkömmlicher Laborraum- oder Büroraum-Beleuchtung durchzuführen.
Eine weitere bevorzugte Variante des Verfahrens sieht vor, die Solarzelle zu kühlen. Dies hat den Vorteil, dass üblicherweise temperaturabhängige Messparameter, unter denen das Verfahren durchgeführt wird, besser definiert sind, was zur Folge hat, dass die Ergebnisse des Verfahrens nicht durch Temperatureinflüsse verfälscht werden. Darüber hinaus kann einer Beschädigung oder sogar Zerstörung der Solarzelle vorgebeugt werden. Die Kühlung erfolgt beispielsweise mittels eines flächigen Peltier-Elementes.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die angelegte Rückwärtsspannung in einem Bereich zwischen etwa –4 V und etwa –8 V liegt, vorzugsweise bei etwa –6 V.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Überprüfen einer Solarzelle;
2 ein Flussdiagramm eines Überprüfungsverfahrens; und
3 ein Spektrum der Elektrolumineszenz einer Ablagerung bei einer in Sperrrichtung betriebenen Solarzelle unter unterschiedlichen Spannungen.
Die 1 veranschaulicht schematisch eine einfache Anordnung zum Überprüfen einer Solarzelle 1 mit einer Ablagerung 7. Die Ablagerung 7 ist hier lediglich schematisch und übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit können die Ablagerungen 7, die beispielsweise aufgrund von Spritzern aus Metallpasten entstehen, Abmessungen von wenigen Mikrometern aufweisen, so dass sie mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind.
In der 1 ist die Ablagerung 7 auf einer Oberfläche 3 der Solarzelle 1 dargestellt, die keine Kontakte 5 aufweist. Die Kontakte 5 der Solarzelle 1 sind auf einer der betrachteten Oberfläche 3 gegenüberliegenden Seite der Solarzelle 1 aufgebracht. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Ablagerung 7 auf der gleichen Seite der Solarzelle 1 bildet, auf der die Kontakte 5 aufgebracht sind. In diesem Fall kann die Überprüfung der Solarzelle 1 auf Bereiche beschränkt werden, die nicht mit den Kontakten 5 bedeckt sind.
Die Kontakte 5 können dazu verwendet werden, eine für die Überprüfung der Solarzelle 1 benötigte Rückwärtsspannung anzulegen. Es ist auch durchaus möglich, dass die Kontakte 5 auf der zu überprüfenden Solarzelle 1 nicht mittels des Kontakt-Materials gebildet sind, welches die Ablagerung 7 verursacht hat. Aufgrund der angelegten Rückwärtsspannung wird von dem von der Ablagerung 7 bedeckten Bereich der Solarzellenoberfläche 3 elektromagnetische Strahlung ausgestrahlt, welche mittels eines Sensors 9 erfasst wird, beispielsweise mittels einer Kamera.
Die 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Überprüfung von Solarzellenoberflächen zur Erkennung der Ablagerungen 7 auf einem Solarzellensubstrat beziehungsweise auf der fertigen Solarzelle 1. Zunächst wird an der Solarzelle 1 eine Rückwärtsspannung angelegt 101, indem die Kontakte 5 mit einer Spannungsversorgung verbunden werden. Anschließend wird ein Bereich auf der Oberfläche 3 der Solarzelle 1 ausgewählt 103, auf dem die Bildung von Kontakten (5) mittels des Kontakt-Materials nicht vorgesehen ist, wo also das Kontakt-Material nicht gewünscht ist. In diesem Bereich wird eine elektromagnetische Strahlung erfasst 105, welche aufgrund der angelegten Rückwärtsspannung von dem ausgewählten Bereich der Solarzellenoberfläche 3 emittiert wird.
Das Erfassen 105 der elektromagnetischen Strahlung erfolgt hierbei entweder spektral oder temporal aufgelöst. Es ist auch ein kombiniert spektral und temporal aufgelöstes Erfassen 105 möglich. Das Erfassen 105 der elektromagnetischen Strahlung erfolgt mittels eines Sensors 9, der oberhalb der Substratoberfläche 3 angeordnet ist. Bei dem Sensor 9 kann es sich beispielsweise um eine Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, zur Erfassung einer zweidimensionalen Abbildung der Substratoberfläche 3 handeln. Alternativ kann das Erfassen 105 mittels Rasterung derart erfolgen, dass zeitlich versetzt die von kleinen Teilbereichen emittierte elektromagnetische Strahlung erfasst und anschließend zu einem Gesamtbild der von dem Bereich ausgesandten elektromagnetischen Strahlung zusammengesetzt wird.
Schließlich wird die erfasste elektromagnetische Strahlung analysiert, um so eine oder mehrere Ablagerungen 7 auf der Solarzellenoberfläche 3 aufzufinden 107. Das Analysieren 107 kann mittels Datenverarbeitungssystemen unter Zuhilfenahme geeigneter Bildverarbeitungsprogramme erfolgen. Bei einem vereinfachten Verfahren kann das Analysieren 107 mittels eines einfachen Schwellwertvergleiches erfolgen, wobei als Schwellwertparameter Intensität, Wellenlänge eines Emissionsmaximums und/oder dergleichen verwendet werden können.
Beispielsweise kann nach dem Anlegen 101 der Rückwärtsspannung ein Sensor 9 in Form einer Kamera auf einen ausgewählten Bereich der Oberfläche 3 gerichtet werden, der eine zweidimensionale Abbildung des Bereiches aufnimmt. In dieser Abbildung könnten sich Ablagerungen 7 in Form von hellen Flecken abzeichnen. Gegebenenfalls kann die Abbildung mittels Einstellung von Kontrast und/oder Helligkeit für die Erkennung der Ablagerungen 7 optimiert werden. Anschließend kann die Verteilung und/oder können die räumlichen Abmessungen der in der Abbildung erkennbaren Ablagerungen 7 ermittelt werden, um zu beurteilen, ob die überprüfte Solarzelle 1 gegebenenfalls aussortiert werden muss.
Ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass die von den mit Ablagerungen 7 bedeckten Bereichen der Solarzellenoberfläche 3 emittierte Strahlung zumindest bei Ablagerungen 7 Aluminium ein Emissionsmaximum im optischen Spektrum aufweist. Spektral aufgelöste Intensitätsverteilungen 11, 13, 15 dieser Strahlung sind in der 3 für drei unterschiedliche Spannungen graphisch dargestellt. Entlang der Abszisse ist die Wellenlänge in Nanometern (nm) aufgetragen, während die Intensität der erfassten Strahlung entlang der Ordinate in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist.
Eine erste Intensitätsverteilung 11 wurde mittels Integration über 4 Minuten bei einer angelegten Sperrspannung von 5 V ermittelt. Dementsprechend wurden eine zweite Intensitätsverteilung 13 bei 6 V und eine dritte Intensitätsverteilung 15 bei 10 V ermittelt, jeweils mittels Integration über 2 Minuten. Es wird deutlich, dass das Emissionsmaximum in allen gemessenen Fällen bei etwa 700 nm auftritt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens könnte die Erfassung 105 der von der Solarzellenoberfläche 3 emittierten elektromagnetischen Strahlung durch einen Filter (nicht dargestellt) hindurch erfolgen, der zwischen dem Sensor 9 und der Oberfläche 3 angeordnet ist. Auf diese Weise können beispielsweise Einflüsse auf die Messergebnisse aufgrund von Umgebungslicht vermindert werden, so dass das Verfahren nicht in einem verdunkelten Raum durchgeführt zu werden braucht. Es kann sich hierbei um einen Hochpassfilter, einen Tiefpassfilter, einen Bandpassfilter oder dergleichen handeln.
Bei dem vorangehend beschriebenen Fall, bei dem Ablagerungen von Aluminiumpasten erkannt werden sollen, welche Intensitätsverteilungen wie in der 3 wiedergegeben ergeben, wäre die Verwendung eines Filters vorteilhaft, der im Wesentlichen die Spektralbereiche zwischen etwa 400 nm und 800 nm durchlässt, bevorzugt zwischen etwa 650 nm und 750 nm. Möglich ist auch eine Betrachtung der emittierten Strahlung nur in einem kleinen Wellenlängenbereich.

1: Solarzelle
3: Solarzellenoberfläche
5: Kontakte
7: Ablagerung
9: Sensor
11, 13, 15: Spektral aufgelöste Intensitätsverteilungen
100: Überprüfungsverfahren
101: Anlegen einer Rückwärtsspannung
103: Auswählen eines Bereichs
105: Erfassen elektromagnetischer Strahlung
107: Auffinden von Ablagerungen

Claims

Verfahren zur Überprüfung von Solarzellenoberflächen, insbesondere zur Erkennung von Ablagerungen eines Kontakt-Materials auf einem Solarzellensubstrat, umfassend die folgenden Schritte: – Anlegen (101) einer Rückwärtsspannung an die Solarzelle (1); – Auswählen (103) eines Bereichs auf einer Oberfläche (3) der Solarzelle (1), auf dem die Bildung von Kontakten (5) mittels eines Kontakt-Materials nicht vorgesehen ist; – spektral und/oder temporal aufgelöstes Erfassen (105) elektromagnetischer Strahlung, welche aufgrund der angelegten Rückwärtsspannung von dem ausgewählten Bereich der Solarzellenoberfläche (3) emittiert wird; und – Auffinden (107) von Ablagerungen (7) des Kontakt-Materials mittels Analysieren der erfassten elektromagnetischen Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral aufgelöste Erfassen (105) der elektromagnetischen Strahlung ein Erfassen mittels spektralempfindlicher Sensoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral aufgelöste Erfassen (105) der elektromagnetischen Strahlung mittels Spektralfiltern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (105) der elektromagnetischen Strahlung mittels der Spektralfilter auf einen Spektralbereich begrenzt wird, welcher einen Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm abdeckt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temporal aufgelöste Erfassen (105) der elektromagnetischen Strahlung ein temporales Filtern bei temporal modulierter Rückwärtsspannung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (105) der elektromagnetischen Strahlung ein Erfassen einer zweidimensionalen Oberflächenabbildung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysieren der erfassten elektromagnetischen Strahlung einen Schwellwertvergleich umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (105) der elektromagnetischen Strahlung bei Umgebungsbeleuchtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kühlen der Solarzelle (1).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Rückwärtsspannung in einem Bereich von etwa –4 V bis etwa –8 V, vorzugsweise bei etwa –6 V liegt.