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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung von Solarzellen.
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Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, welches eine elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom umzuwandeln vermag. In vielen Fällen wird ein Halbleitermaterial für die Stromerzeugung eingesetzt. Eine auf die Vorderseite einer solchen Solarzelle auftreffende elektromagnetische Strahlung erzeugt im Halbleitermaterial freie Ladungsträger, also Elektronen und Löcher. Eine solche Solarzelle umfasst ferner einen p-n-Übergang, durch den ein internes elektrisches Feld bereitgestellt wird, welches die erzeugten Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen lenkt. Löcher gelangen so zum auf der Rückseite angeordneten p-Kontakt und Elektronen zum auf der Vorderseite liegenden n-Kontakt. Die Vorder- und die Rückseite einer solchen Solarzelle sind außerdem mit elektrischen Kontakten versehen, über den der erzeugte Strom schließlich zu einem Verbraucher geleitet wird.
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Die Kontakte auf der Vorderseite können aus Fingerelektroden und Busbars – auch Busschienen oder Busschienenelektroden genannt – bestehen. Eine Solarzelle mit Fingerelektroden und Busschienenelektroden geht beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2004 049 160 A1 hervor. Fingerelektroden sind einerseits schmaler bzw. dünner als Busschienenelektroden. Andererseits ist die Anzahl der Fingerelektroden größer als die Anzahl der Busschienenelektroden. Im Halbleitermaterial erzeugte Elektronen erreichen in der Regel zunächst eine Fingerelektrode und gelangen von hier aus weiter zu einer Busschienenelektrode. Busschienenelektroden dienen also als Sammelleiter für erzeugte elektrische Ladung. Die aus der Druckschrift
DE 10 2004 049 160 A1 bekannten Fingerelektroden verlaufen untereinander parallel sowie senkrecht zu den Busschienenelektroden. Es sind aber auch andere geometrische Anordnungen bekannt, so zum Beispiel sternförmig angeordnete Fingerelektroden.
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Mehrere Solarzellen werden in der Regel elektrisch in Serie geschaltet und so zu einem Modul zusammengefasst. Zu diesem Zweck werden daher beispielsweise die Busschienenelektroden einer Solarzelle mit einem Rückkontakt einer weiteren Solarzelle mittels eines weiteren elektrischen Leiters verbunden.
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Im Anschluss oder während der Herstellung ist es erforderlich, die Qualität von Solarzellen zu überprüfen. Es ist bekannt, mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen die Qualität einer hergestellten Solarzelle zu überprüfen bzw. zu beurteilen.
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Elektrolumineszenz ist die Aussendung von elektromagnetischen Wellen als Folge einer von außen an die Solarzelle angelegten Spannung. Dazu werden nach dem Stand der Technik einerseits sämtliche Busschienenelektroden einer zu prüfenden Solarzelle mit Hilfe von Federkontakten kontaktiert und andererseits der Rückkontakt. Dazwischen wird eine elektrische Spannung angelegt. Die dadurch in die pn-Schicht der Solarzelle injizierten Elektronen können mit dort vorhandenen Löchern rekombinieren. Die bei dieser Rekombination frei werdende Energie wird zum Teil als Photon abgegeben. Das mit einer CCD-Kamera aufgenommene Bild zeigt die Intensitätsverteilung der ausgesandten Strahlung an. Das so erhaltene Elektrolumineszenzbild wird von einem Fachmann betrachtet, um Defekte aufzufinden.
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Vor allem bei multikristallinen Solarzellen ist es in der Regel schwierig, Defekte von Korngrenzen und Versetzungen anhand von Elektrolumineszenzbildern zu unterscheiden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Qualität einer Solarzelle verbessert überprüfen zu können.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Prüfung der Qualität einer Solarzelle mittels Elektrolumineszenz angegeben, gemäß dem zwei unterschiedliche Elektrolumineszenzmessungen durchgeführt werden. Unter Verwendung der zwei dadurch erhaltenen Elektrolumineszenzbilder wird die Qualität der Solarzelle geprüft.
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Zwei unterschiedliche Elektrolumineszenzmessungen im Sinne der Erfindung liegen vor, wenn die beiden Stromflüsse in der Solarzelle, die im Rahmen der beiden Elektrolumineszenzmessungen erzeugt wurden, unterschiedlich verlaufen, so dass unterschiedliche Bilder erhalten werden.
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Diese beiden Bilder werden erfindungsgemäß eingesetzt, um die Qualität der Solarzelle zu beurteilen. Vorzugsweise wird das eine Bild durch das andere dividiert. Das aus der Division resultierende Bild wird analysiert, um Defekte aufzufinden. Es hat sich herausgestellt, dass so im Vergleich zum eingangs beschriebenen verbessert Defekte wie Risse in einer Solarzelle erkannt werden können. Insbesondere können bei multikristallinen Solarzellen durch die Erfindung Defekte verbessert von Korngrenzen unterschieden werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Durchführung einer ersten Elektrolumineszenzmessung eine erste und eine dritte Busschienenelektrode sowie in bekannter Weise der Rückkontakt der zu untersuchenden Solarzelle kontaktiert und eine Spannung zwischen den kontaktierten Busschienenelektroden und dem Rückkontakt angelegt. Zur Durchführung der zweiten Elektrolumineszenzmessung wird wenigstens eine zweite Busschienenelektrode kontaktiert und eine Spannung zwischen der kontaktierten zweiten Busschienenelektrode und dem Rückkontakt angelegt. Beispielsweise wird zur Durchführung der zweiten Elektrolumineszenzmessung nur die zweite Busschienenelektrode kontaktiert, um einen geänderten Stromfluss in der Solarzelle zu erzeugen. Die zweite Busschienenelektrode liegt dann vorzugsweise zwischen der ersten Busschienenelektrode und der dritten Busschienenelektrode. Es werden so unterschiedliche Stromflüsse innerhalb der Solarzelle im Rahmen der beiden Elektrolumineszenzmessungen erzeugt. Die Busschienenelektroden können zur Durchführung der Messungen in bekannter Weise nacheinander kontaktiert werden, so beispielsweise mit Federkontakten. Sämtliche Busschienenelektroden können aber auch sofort mit Federkontakten kontaktiert werden. Mit Hilfe von elektrischen oder elektronischen Schaltern wird dann das Anlegen einer Spannung in erfindungsgemäßer Weise zwischen zwei Messungen geändert. Gerade die zuletzt genannte Ausführungsform ermöglicht auf preiswerte Weise eine automatisierte Durchführung des Verfahrens.
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Im Rahmen der ersten Elektrolumineszenzmessung können auch mehr als zwei Busschienenelektroden kontaktiert werden. Das gleiche gilt auch für die zweite Elektrolumineszenzmessung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kommt es lediglich darauf an, dass nicht dieselben Busschienenelektroden bei der ersten und zweiten Messung verwendet werden. Es muss also wenigstens eine Busschienenelektrode bei der zweiten Messung kontaktiert werden, der im Rahmen der ersten Messung nicht kontaktiert worden ist.
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Es müssen nicht zwingend Busschienenelektroden kontaktiert werden. Beispielsweise können anstelle von Busschienenelektroden Fingerelektroden kontaktiert werden. Wiederum kommt es dann darauf an, dass im Rahmen einer ersten Messung nicht dieselben Fingerelektroden kontaktiert werden, die im Rahmen einer zweiten Messung kontaktiert werden. Auf diese Weise werden unterschiedliche Ströme innerhalb der Solarzelle erzeugt, die zu unterschiedlichen Bildern führen.
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Eine erste Messung kann sich in einer Ausführungsform der Erfindung von der zweiten Messung durch Änderung der Stromrichtung unterscheiden. Es genügt also eine Umpolung zwischen erster und zweiter Messung, um zwei verschiedene Abbildungen im Sinne der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden insgesamt wenigstens vier verschiedene Messungen durchgeführt. Sämtliche aus diesen Messungen resultierenden vier Bilder werden verwendet, um die Qualität einer Solarzelle zu überprüfen. Vorteilhaft werden die beiden Abbildungen, die mit dem ersten und zweiten Strom erhalten worden sind, beispielsweise dividiert, um so eine Abbildung zu erhalten, welches Defekte wie Risse in einer ersten Richtung zeigt. Die beiden Abbildungen, die mithilfe des dritten und vierten Stroms erhalten worden sind, werden ebenfalls dividiert, um so Risse besonders gut sichtbar werden zu lassen, die in einer zweiten Richtung verlaufen, die mit der ersten Richtung zumindest in etwa einen rechten Winkel einschließt.
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Werden zwei Bilder dividiert, so gelingt es so besonders gut, in dem resultierenden Bild Korngrenzen zu eliminieren und Defekte sehr deutlich sichtbar werden zu lassen. In Betracht kommt allerdings auch eine Subtraktion der Bilder. Ein erstes Bild wird dann von einem zweiten Bild abgezogen. Das so erhaltenen Differenzbild wird analysiert, um Defekte aufzufinden.
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Eine geeignete Division wird bevorzugt folgendermaßen durchgeführt:
Sei „A” das Bild der ersten Aufnahme und „B” das Bild der zweiten Aufnahme, dann ist „A + B” das Summenbild der beiden Einzelbilder (Summierung heißt, dass pro Pixel die Grauwerte der beiden Einzelbilder addiert werden). Zur Division wird nun Bild „A” durch das Summenbild „A + B” dividiert, d. h. pro Pixel werden die Werte aus Bild „A” durch die Wert aus dem Summenbild „A + B” dividiert. Bild „D” enthalte das Ergebnis der Division: D = A/(A + B)
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Man kann auch Bild „B” durch das Summenbild „A + B” dividieren, dies ergibt jedoch nur eine invertierte Darstellung und damit keine neue Information, da: B/(A + B) = 1 – A/(A + B).
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Die Division durch die Summe der beiden Einzelbilder hat folgenden Vorteil: Da die Werte pro Pixel in den Einzelbildern stets positiv oder Null sind (Grauwertbilder), ist der Wertebereich des Divisionsergebnisses auf das Intervall von 0 bis 1 beschränkt. Multipliziert (Skaliert) man das Ergebnis der Division in einer Ausführungsform der Erfindung anschließend noch mit 255, läßt sich das Ergebnis der Division als Grauwertbild darstellen (Wertebereich von 0..255 nach Skalierung). Ein derart dividiertes und anschließend skaliertes Bild ist in 4 dargestellt.
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Eine Summe der beiden Einzelbilder entspricht in etwa dem Bild, das man auch erhalten würde, wenn sämtliche Busbars gleichartig bestromt würden, also nach der konventionellen Aufnahmetechnik.
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Die Erfindung ermöglicht es, Bilder automatisiert auf Defekte hin zu untersuchen. Nach dem Stand der Technik war dies insbesondere bei multikristallinen Zellen nicht möglich, da Korngrenzen kaum von Defekten zu unterscheiden waren und es einer großen Erfahrung bedurfte, um Defekte auffinden zu können. Allerdings war selbst ein erfahrener Fachmann nur in der Lage, einige wenige Defekte aufzufinden. Die vorliegenden Erfindung ermöglicht es nicht nur, Defekte leichter aufzufinden. Stattdessen werden auch Defekte aufgefunden, die nach dem Stand der Technik mit Hilfe einer Elektrolumineszenzmessung nicht gefunden werden konnten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird angenommen, dass N Kontaktierungsmöglichkeiten, also zum Beispiel N Fingerelektroden von 1 bis N nacheinander durchnummeriert sind. Dann werden für die erste Aufnahme sämtliche Kontaktierungsmöglichkeiten mit einer ungeraden Nummer kontaktiert und hierüber eine Spannung angelegt. Für die zweite Aufnahme werden sämtliche Kontaktierungsmöglichkeiten mit geraden Nummern kontaktiert und eine Spannung angelegt. Somit ist bei jeder Aufnahme eine aktive Kontaktierung immer von inaktiven Kontaktierungsmöglichkeiten benachbart und umgekehrt.
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Zur Elektrolumineszenzmessung wird die Solarzelle in einer Ausführungsform der Erfindung an eine Gleichstromquelle (Stromregelung) angeschlossen, die vorzugsweise bis zu 20 A liefert. Die Solarzelle wird dabei in Vorwärtsrichtung (Durchlassrichtung) betrieben, d. h. der Rückkontakt der Zelle wird an den Pluspol und die zu kontaktierenden Bussschienen (Fingerelektroden) an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer entsprechend eingerichteten und programmierten Vorrichtung automatisiert durchgeführt werden. Die Vorrichtung kann eine zu prüfende Solarzelle von Anfang an an sämtlichen vorgesehenen Stellen kontaktieren. Zur Durchführung der verschiedenen Messungen wird dann mit Hilfe von Schaltern eine Stromzufuhr zu Kontakten einer zu prüfenden Solarzelle geeignet unterbrochen oder hergestellt.
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Es zeigen:
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1: nicht erfindungsgemäßes Elektrolumineszenzbild einer multikristallinen Silizium-Solarzelle.
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2: erfindungsgemäßes Elektrolumineszenzbild, bei der nur die beiden äußeren Busschienenelektroden kontaktiert wurden.
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3: erfindungsgemäßes Elektrolumineszenzbild, bei der nur die mittlere Busschienenelektrode kontaktiert wurde.
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4 Divisionsbild aus Bildern gemäß 2 und 3.
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5: erste erfindungsgemäße Kontaktierung einer Solarzelle
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6: zweite erfindungsgemäße Kontaktierung einer Solarzelle
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1 zeigt ein Elektrolumineszenzbild einer multikristallinen Silizium-Solarzelle mit drei Busschienenelektroden (Busbars) 1, 3, 4, welches nach dem aus dem Stand der Technik bekannten Elektrolumineszenzverfahren erhalten wurde. Es wurde also nur eine Messung durchgeführt. Auf der Oberseite wurden sämtliche Busschienenelektroden kontaktiert. Auf der Unterseite wurde der Rückkontakt kontaktiert. Die Breite und Länge der Solarzelle mit quadratischer Oberfläche betrug ca. ~156 mm (6 Zoll Wafer). Die Breite der Busbars betrug 1,5 mm. Der Abstand zwischen der inneren Busbar zu den äußeren Busbars (bei insgesamt drei Busbars) betrug 52 mm. Der Abstand der äußeren Busbars zum Rand (bei insgesamt drei Busbars) betrug 26 mm.
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Die dunklen Strukturen im Bild gemäß 1 sind Bereiche geringerer Lumineszenz und können einerseits von Inhomogenitäten des Siliziums (Korngrenzen, Versetzungen) als auch von Defekten (Risse, Grid-Unterbrechungen) herrühren. Rechts in 1 unterhalb der mittleren Busschienenelektrode 1 befindet sich ein kaum erkennbarer Riss 2. Nur ein Fachmann ist in der Lage, diesen Defekt zu erkennen. Darüber hinaus kann auch ein Fachmann dem Bild gemäß 1 keinen weiteren Defekt eindeutig entnehmen.
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Um elektrisch aktive Defekte von Kristallstrukturinhomogenitäten zu trennen, wurden ergänzend zwei Elektrolumineszenzaufnahmen der Solarzelle gemacht, auf die sich die 1 bezieht. Bei beiden Aufnahmen wurden jeweils unterschiedliche Busschienenelektroden kontaktiert. Den Gegenpol bildete der Rückkontakt. Zwischen dem Rückkontakt und den Busschienenelektroden wurde eine Spannung angelegt.
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2 zeigt eine Aufnahme, bei der eine Spannung nur an den beiden äußeren Busschienenelektroden 3 und 4 anlag. 3 zeigt eine Aufnahme, bei der eine Spannung nur an der mittleren Busschienenelektrode 1 anlag.
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Voraussetzung für die beschriebene Vorgehensweise ist, daß alle Busschienenelektroden untereinander lediglich über die Fingerelektroden elektrisch miteinander verbunden sind, also nicht von außen. Dies ist bei der herkömmlichen Methode zur Elektrolumineszenzmessung grundsätzlich nicht der Fall.
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Nur die innere Busschienenelektrode wurde mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden. Der flächige Rückkontakt der Solarzelle war immer mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden. Für die zweite Aufnahme (3) wurden nur die beiden äußeren Busschienenelektroden mit der Stromquelle verbunden und die mittlere Busschiene war nicht kontaktiert.
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Dieses Verfahren lässt sich auch weiter verallgemeinern, in dem alle Busschienen bei jeder der beiden Aufnahmen an eine Stromquelle angeschlossen werden, wobei nur darauf geachtet werden muss, dass benachbarte Busschienen mit möglichst unterschiedlichen Stromstärken versorgt werden. D. h. es ist nicht unbedingt notwendig, daß jede zweite Busschiene nicht kontaktiert wird.
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Ein Beispiel für den Fall von drei Busschienen wird nachfolgend beschrieben: Wird an die mittlere Busschiene ein Strom von z. B. 20 A angelegt, sollte an den beiden äußeren Schienen ein deutlich unterschiedlicher (in der Regel geringerer) Strom angelegt werden. Dies könnte kein Strom sein (keine Kontaktierung), aber auch ein geringer Strom von z. B. 1 A. Dies würde zwar zwei separate Stromquellen erfordern, wäre aber auch möglich. Bei der zweiten Aufnahme sollte nun an der mittleren Busschiene ein kleinerer Strom als an den äußeren Busschienen angelegt werden (invertiert zur ersten Aufnahme), wobei auch da wieder andere Stromstärken angelegt werden könnten als bei der ersten Aufnahme. Z. B. könnte man jetzt 2 A an die mittlere Busschiene anlegen, an den äußeren 19 A. Diese Modifikationen bringen aber keine weiteren Vorteile für das Verfahren.
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Elektrisch aktive Defekte unterbrechen den Ladungsträgerfluss und generieren in den Einzelbildern sichtbare Helligkeitsunterschiede, wie in den 2 und 3 erkennen ist. In beiden 2 und 3 ist der bereits in 1 gezeigte Riss auf der rechten Seite unterhalb der mittleren Busschienenelektrode zu sehen.
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Berechnet man nun die Division wie im Detail bereits beschrieben aus den beiden Einzelbildern (Bild aus 2 geteilt durch Bild aus 3), so wird das in 4 gezeigte Ergebnis erhalten.
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In dem in 4 gezeigten Divisionsbild heben sich die Kristallstruktureffekte weitestgehend auf, während die elektrisch aktiven Defekte deutlich erkennbare Kontrastsprünge erzeugen. Neben dem Riss 2 auf der rechten Seite des Bildes sind nun auch zwei Grid-Unterbrechungen (Unterbrechung von Fingerelektroden) 5 und 6, also zwei weitere Defekte erkennbar, welche in der herkömmlichen Aufnahme gemäß 1 nicht zu erkennen sind. Die in der 4 sichtbaren drei Defekte 2, 5 und 6 sind derart deutlich erkennbar, dass diese problemlos auch automatisiert ermittelt werden können.
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Die Zahl und Art der Defekte stellt ein Maß für die Qualität der untersuchten Solarzelle dar.
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Werden die Busschienenelektroden kontaktiert, so lassen sich Defekte detektieren, die innerhalb der Busschienenelektroden liegen. Um Defekte auch in den Bereichen der Solarzelle jenseits der äußeren Busschienenelektroden zu detektieren, werden in einer Ausführungsform zwei zusätzliche Kontaktiereinheiten an beliebiger Stelle und insbesondere am Außenrand der Solarzelle seitlich angebracht und für die Durchführung von Lumineszenzmessungen kontaktiert.
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Die 5 und 6 verdeutlichen ergänzend den Aufbau einer Solarzelle mit drei Buselektroden 1, 3 und 5, die eine Vielzahl von Fingerelektroden 10 miteinander verbinden. Der Minuspol einer Stromquelle 9 wird im dargestellten Beispiel für die erste Aufnahme zunächst gemäß 5 mit den beiden äußeren Buskontakten 3 und 4 verbunden und der Pluspol dieser Stromquelle 9 mit dem Rückkontakt der Solarzelle 11. 6 verdeutlicht die geänderte Kontaktierung für die zweite Aufnahme. Der Minuspol ist nun lediglich mit dem mittleren Buskontakt 1 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004049160 A1 [0003, 0003]
