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Technisches Gebiet:
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsverfahren und eine Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsvorrichtung.
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Ein typisches Solar- bzw. Photovoltaikmodul weist auf seiner im Einsatz der Sonne zugewandten Seite eine Glasscheibe auf, welche eine darunter angeordnete durchsichtige Kunststoffschicht schützt. In der Kunststoffschicht sind mono- oder polykristalline Solarzellen, nachfolgend als Zelle bezeichnet, angeordnet. Eine Abfolge in Reihe angeordneter solcher Zellen sind als sogenannte Strings mit Lötbändchen elektrisch miteinander verbunden. Sogenannte Bändchen dienen als dazwischen angeordnete Sammelleiter. Auf der Rückseite der Kunststoffschicht mit den Zellen ist eine Schutzschicht angeordnet. Ein solches Photovoltaikmodul weist außerdem eine Anschlusseinrichtung auf, welche neben elektrischen Anschlüssen zum Anschließen an insbesondere ein Stromnetz auch Dioden zu Bypass- und Schutzzwecken auf. Umrahmt ist die Anordnung mit einem Rahmen aus insbesondere Aluminium, um der Anordnung Stabilität zu geben und eine Montage am Einsatzort zu ermöglichen.
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Bei oder nach der Herstellung solcher Photovoltaikmodule ist deren Funktion bzw. eine ausreichende Fehlerfreiheit zu prüfen. Dazu ist bekannt, mittels Elektrolumineszenz in das Modul einen Strom einzuprägen, wobei es derzeit zwei Rekombinationsmechanismen, strahlende und nichtstrahlende, gibt. Der strahlende Anteil der Lumineszenz wird mit einer geeigneten Kamera aufgenommen. Anhand der derart aufgenommenen Lumineszenzbilder werden dann Aussagen über die Beschaffenheit des Halbleiters, des Moduls bzw. der Zellen getroffen. So werden verschiedene auftretende Defekte bereits auf Zellebene sichtbar gemacht und damit Moduldefekte erkannt. Allgemein bekannt ist außerdem, ein Modul mittels Photolumineszenz anzuregen.
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DE 10 2005 040 010 A1 beschreibt diesbezüglich allgemein ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung von Produktionsfehlern in einem Halbleiterbauelement durch Erzeugung von Überschussladungsträgern in dem Halbleiterbauelement und Bestimmung des elektrischen Potentials in diesem. Um ohne Beschädigung des Halbleiterbauelementes Produktionsfehler ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass das Halbleiterbauelement zur Lumineszenz angeregt und deren ortsaufgelöste Intensitätsverteilung zur Ermittlung der ortsaufgelösten Verteilung des elektrischen Potentials in dem Halbleiterbauelement bestimmt wird.
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Eine Fehlererkennung an mikroelektronischen Bauelementen auf Basis von kristallinen Silizium-Wafern mit der sogenannten Photoemissions-Mikroskopie (PEM) ist auch bekannt aus z. B.: T. Fuyuki et al., Photovoltaic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence, Appl. Phys. Lett., 2005, Vol. 86, 262108.
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Photovoltaikmodulhersteller müssen derzeit in der Regel 20–25 Jahre oder länger die Funktion der Module garantieren. Dieses technische und finanzielle Risiko geht einher mit der Problematik etwaige Garantieansprüche durch eineindeutige Identifikation der Module zu verifizieren und damit aus Sicht des jeweiligen Herstellers sicherzustellen, dass nur Garantieleistungen für Module erbracht werden, die auch tatsächlich von diesem Modulhersteller produziert wurden. Somit ist es für den Hersteller wichtig, auch nach langer Zeitdauer „Originale” von „Plagiaten” zu unterscheiden. Wichtig ist für die Modulhersteller somit eine dauerhafte Möglichkeit einer Modulidentifikation. Eine Modulidentifikation ist auch durch die derzeitige Gesetzlage erforderlich, gemäß der Produzenten garantieren müssen, dass Produkte während der Produktlebensdauer sicher identifizierbar sind.
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Ein weiteres Problem, welches eine eindeutige Modulidentifikation erforderlich macht, besteht darin, dass eine zunehmende Anzahl von Photovoltaikanlagen zu einer zunehmenden Zahl von Moduldiebstählen und somit einem Schwarzmarkt von Photovoltaikmodulen geführt hat. Es ist anzunehmen, das diese Problematik weiter zunimmt. Händler, Endkunden, Rechtsverfolgungsbehörden und Hersteller sehen sich daher der Problematik konfrontiert, legale von illegalen bzw. gestohlenen Photovoltaikmodulen unterscheiden zu können. Aus diesem Grunde veröffentlichte das Landeskriminalamt Baden-Württemberg bereits eine Sicherheitsempfehlung „Sicherheitstechnische Prävention, Diebstahl von Photovoltaikanlagen – Sicherheitsempfehlung, 09/2007” und rät darin, sämtliche Photovoltaikanlagen mit einer permanenten „Eigentümer-Identifikations-Nummer” zu kennzeichnen, um im Rahmen von Ermittlungen eine Beweisführung zu erleichtern.
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Stand der Technik:
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Solarmodule werden derzeit auf verschiedene Art und Weise gekennzeichnet, um diese damit später identifizieren zu können und eine eindeutige Modulidentifikation zu ermöglichen.
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Üblich ist ein Schild mit geeigneten Informationen aufzukleben. Vorteilhaft ist, dass ein Schild ohne technische Geräte gelesen werden kann. Nachteilhaft ist jedoch, dass ein Schild entfernt werden, verblassen, verwischen oder sogar ausgetauscht oder selber gefälscht werden kann.
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Bekannt ist auch, eine Kodierung in Form aufzulasern. Auch diese kann ohne technische Geräte gelesen werden und erschwert eine nachträgliche Veränderung. Jedoch kann nicht ganz ausgeschlossen werden, dass mit entsprechendem Aufwand doch eine Fälschung möglich ist. Außerdem ist das Verfahren der Kennzeichnung mittels eines Laserstrahls technisch aufwändig und es besteht die Gefahr einer Beschädigung des Produkts, insbesondere des Moduls oder von Zellen.
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Bekannt ist auch ein Einbau oder ein Anbringen von RFID Transpondern (deutsch: Hochfrequenz-Identifikations-Antwortsender) an einem Modul. Diese ermöglichen unter Einsatz eines Lesegerätes ein einfaches Auslesen. Verbunden ist diese Technik jedoch ebenfalls mit einem Zusatzaufwand, ist außerdem ein herstellerabhängiges Verfahren und schließt Fälschungen auch nicht sicher aus.
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Bekannt ist außerdem ein Aufbringen einer Nanobeschichtung auf das Glas des Moduls. Eine solche kann ohne Hilfsmittel gelesen werden. Probleme bestehen jedoch darin, dass die Lesbarkeit mit der Zeit erschwert wird, ein hoher Zusatzaufwand bei der Aufbringung der Beschichtung besteht und Fälschungen möglich sind.
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Außerdem bekannt ist ein Aufbringen eines Klebestreifens und eine Prozessierung und Fixierung durch Markierlaser. Eine so aufgebrachte Information kann ohne Hilfsmittel gelesen werden, sofern sie mit der Zeit noch lesbar ist. Jedoch kann ein solcher Klebestreifen entfernt werden, bedeutet Zusatzaufwand und kann auch gefälscht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, als Alternative zu den bekannten Lösungen ein Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsverfahren bzw. eine Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsvorrichtung bereitzustellen, welche mit geringem Aufwand und auf sichere Art und Weise eine insbesondere ein-eindeutige Identifikation eines Halbleiters, eines Photovoltaikmoduls oder einer Photovoltaikzelle auch zu einem späteren Zeitpunkt ermöglichen. Insbesondere soll ein eineindeutiges Identifikationsverfahren für Halbleiter, insbesondere Photovoltaikmodule, Zellen und Strings oder Matrizen mit solchen Zellen zur Rückverfolgbarkeit während der vorzugsweise gesamten Lebensdauer ohne Ein- bzw. Anbringen von zusätzlichen Merkmalen an einem solchen Photovoltaikmodul ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bzw. durch eine Speichereinrichtung mit gespeicherten Daten als Identifikationsmerkmalen einer solchen Vorrichtung oder eines solchen Verfahrens gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Bevorzugt wird demgemäß ein Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsverfahren, bei dem einem Photovoltaikmodul, einer Photovoltaikzelle oder einem Halbleiterbauelement eine Kennzeichnung zugeordnet wird, wobei von dem Photovoltaikmodul, von einer Photovoltaikzelle des Photovoltaikmoduls, von der Photovoltaikzelle bzw. von dem Halbleiterbauelement ein Lumineszenzbild erzeugt und aufgenommen wird und aus dem Lumineszenzbild zu dem Photovoltaikmodul, zu der Photovoltaikzelle des Photovoltaikmoduls, zu der Photovoltaikzelle bzw. zu dem Halbleiterbauelement im Fall einer einzelnen oder isolierten Photovoltaikzelle zumindest ein Identifikationsmerkmal als die Kennzeichnung bestimmt wird.
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Anwendbar ist die Verfahrensweise ganz allgemein auf Halbleiterbauelemente, welche zu einer Lumineszenzstrahlung anregbar sind und deren Lumineszenzbild derart erfassbar und auswertbar ist. Vorliegend wird als Anwendungsfall besonders der Einsatz im Bereich der Photovoltaik-Bauelemente und deren Zwischenprodukte bevorzugt.
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Ausgenutzt wird somit ein bildgebendes Verfahren für eine Extraktion von eineindeutigen Produktmerkmalen und der Erzeugung eines einmaligen Identifikationscodes auf Basis der Photo- bzw. Elektrolumineszenz-Produktmerkmale. Vorteilhaft kann dabei ausgenutzt werden, dass die für sich genommen bekannte Elektrolumineszenz bereits gattungsfremd vereinzelt zur Fehlererkennung in fertig prozessierten Solar- bzw. Photovoltaikmodulen angewendet wird. Somit sind wesentliche technische Geräte für die Anwendung des bevorzugten Verfahrens bei den Zell- oder Modulherstellern bereits vorhanden. Diese Geräte können mit relativ geringem technischen Aufwand, ggfs. sogar nur Softwareerweiterungen nun auch für eine Identifikation von Photovoltaikmodulen auf Basis von Lumineszenz-Informationen eingesetzt werden.
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Eine solche Bestimmung von Identifikationsmerkmalen kann somit auf einfache Art und Weise in Photo- oder Elektrolumineszenz-Prüfsysteme integriert und dadurch abgesehen von zusätzlicher Datenverarbeitung und Speicherung fester Bestandteil der Qualitätssicherung werden. Ermöglicht wird somit eine möglichst weitreichende Qualitätssicherung verbunden mit einer kostengünstigen und zuverlässigen Identifikation.
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Vorteilhaft kann eine solche Verfahrensweise ohne zusätzlichen Marken, Merkmale oder Schilder am Photovoltaikmodul umgesetzt werden. Insbesondere besteht somit keine Veränderung von Produkteigenschaften und somit kein zusätzliches Risiko, wie z. B. im Fall von Glasbeschädigungen bei Laserbeschriftung. Vor allem beim Einsatz bei einem Hersteller, welcher bereits eine Qualitätsprüfung mittels Lumineszenzbildern vornimmt, entstehen keine oder nur geringe zusätzliche Kosten, kein zusätzliches Verbrauchsmaterial und keine zusätzliche Umweltbelastung. Insbesondere ist eine Entfernung von solchen Identifikationsmerkmalen nicht möglich, da nur eine vollständige Zerstörung des Photovoltaikmoduls, so dass dieses keine elektrische Funktion mehr hätte, eine Identifikation unmöglich machen würde.
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Neben der Anwendung auf die ausdrücklich genannten Photovoltaikmodule oder Photovoltaikzellen ist eine Anwendung auch auf daraus gebildete Konstrukte möglich, wie z. B. auf einen sogenannten String oder eine sogenannte Matrix, welche aus mehreren Photovoltaikzellen bestehen.
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Bevorzugt wird zum Sichern der Kennzeichnung des Photovoltaikmoduls, der Photovoltaikzelle bzw. des Halbleiterbauelements das zumindest eine Identifikationsmerkmal in einem Speicher, insbesondere in einer zentralen Datenbank gespeichert.
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Vorteilhaft kann dadurch zum Prüfen der Identität des Photovoltaikmoduls, der Photovoltaikzelle bzw. des Halbleiterbauelements das zumindest eine Identifikationsmerkmal mit zumindest einem zu einem früheren Zeitpunkt derart bestimmten und in einem Speicher, insbesondere in einer zentralen Datenbank gespeicherten Identifikationsmerkmal verglichen werden.
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Bevorzugt wird als das zumindest eine Identifikationsmerkmal eine eineindeutige, insbesondere dauerhaft eineindeutige Halbleiter-, Modul- oder Zelleneigenschaft verwendet. Insbesondere kann als das zumindest eine Identifikationsmerkmal eine Marmorierung, ein Fingerfehler, ein Kurzschluss, eine Leiteranordnung, ein Mikroriss, ein Zellbruch, ein Sauerstoffeinschluss, eine Fingerunterbrechung, eine Verunreinigung im Modul- oder Zellmaterial oder eine Ausgestaltung einer Kante oder Kantenisolierung verwendet werden. Weitere beispielhafte Identifikationsmerkmale sind Abmaße, Risse, Löcher, Ausbrüche, Dunkelstellen, Bereiche unterschiedlicher Leistung, sogenannte Hot-Spots und insbesondere bei Dünnschichtmodulen eine Strukturierung.
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Als das Identifikationsmerkmal wird vorteilhaft nur eine reduzierte Datenmenge der im Lumineszenzbild verfügbaren Gesamtdatenmenge von Bilddaten verwendet, insbesondere gespeichert. Als das Identifikationsmerkmal kann zur weiteren Reduzierung der Datenmenge sogar eine reduzierte Datenmenge der im Lumineszenzbild zu nur diesem Identifikationsmerkmal verfügbaren Datenmenge von Bilddaten verwendet, insbesondere gespeichert werden. Dadurch kann die Menge der zu speichernden und ggfs. zuvor zu einer zentralen Speichereinrichtung zu übertragenden Daten reduziert werden. Vorteilhaft ist dabei auch, dass bei späteren Überprüfungen von Modulen nicht riesige Datenmengen zu vergleichen sind, sondern nur ausgewählte reduzierte Daten besonders aussagekräftiger Identifikationsmerkmale, so dass nur eine geringe Rechenzeit für solche Vergleiche erforderlich ist.
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Insbesondere beim Speichern einer derart reduzierten Datenmenge ist es vorteilhaft, wenn von dem Photovoltaikmodul redundante Daten zu dem Identifikationsmerkmal oder zu mehreren Identifikationsmerkmalen des Photovoltaikmoduls, der Photovoltaikzelle des Photovoltaikmoduls, von der Photovoltaikzelle bzw. des Halbleiterbauelements verwendet, insbesondere gespeichert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um eine Eineindeutigkeit sicherzustellen und auszuschließen, dass zufällig mehrere Module ein identisches solches Identifikationsmerkmal aufweisen oder ein Identifikationsmerkmal bei einer späteren Prüfung durch zeitliche Effekte oder durch Beschädigungen nicht mehr eindeutig genug identifizierbar ist.
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Eigenständig vorteilhaft ist demgemäß auch eine Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsvorrichtung mit einer Kamera zum Aufnehmen eines Lumineszenzbildes eines Photovoltaikmoduls, einer Photovoltaikzelle eines Photovoltaikmoduls, einer Photovoltaikzelle bzw. eines Halbleiterbauelements oder mit einer Schnittstelle zum Empfangen eines Lumineszenzbildes eines Photovoltaikmoduls, einer Photovoltaikzelle eines Photovoltaikmoduls, einer Photovoltaikzelle bzw. des Halbleiterbauelements und mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens ausgelegt oder programmiert ist und aus einem solchen Lumineszenzbild zumindest ein Identifikationsmerkmal als die Kennzeichnung bestimmt und wobei eine Speichereinrichtung zum dauerhaften Speichern einer Vielzahl solcher Identifikationsmerkmale einer Vielzahl solcher Photovoltaikmodule, Photovoltaikzellen von Photovoltaikmodulen, Photovoltaikzellen bzw. Halbleiterbauelemente in der Vorrichtung angeordnet oder über eine Schnittstelle zugreifbar ist.
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Eigenständig vorteilhaft ist demgemäß auch eine Speichereinrichtung mit gespeicherten Daten, insbesondere eine Speichereinrichtung in einer solchen Vorrichtung, wobei die gespeicherten Daten Identifikationsmerkmale einer Vielzahl von Photovoltaikmodulen, von Photovoltaikzellen solcher Photovoltaikmodule, von Photovoltaikzellen oder Halbleiterbauelementen aufweisen und wobei diese Identifikationsmerkmale mittels eines solchen Verfahrens bestimmten Daten entsprechen oder mittels eines solchen Verfahren erzeugt wurden.
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Dabei ist nicht zwingend der Ort der Aufnahme des Lumineszenzbildes identisch mit dem Ort von dessen Auswertung. So kann bei einem Hersteller solcher Photovoltaikmodule mit dessen vorhandener Prüfvorrichtung zur Qualitätsprüfung von dessen Photovoltaikmodulen oder von deren Zellen ein Lumineszenzbild aufgenommen und an eine räumlich entfernte Einrichtung zur Auswertung der Bilddaten übertragen werden. Auch kann bei einem später zu prüfenden Photovoltaikmodul vor Ort ein Lumineszenzbild aufgenommen und an eine räumlich entfernte Einrichtung zur Auswertung der Bilddaten übertragen werden.
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Ermöglicht wird insbesondere eine eineindeutige Halbleiterbauelement- bzw. Modulidentifikation basierend auf extrahierten Informationen von Merkmalen aus Lumineszenzbildern, insbesondere Photo- oder Elektrolumineszenzbildern. Vorzugsweise erfolgt die Auswahl von Merkmalen so, dass eine Merkmalsidentifikation unabhängig von Alterungsprozessen des Moduls möglich ist. Vorteilhaft ist dazu auch ein Codegenerator mit Fehlerredundanz bzgl. einzelner Moduldefekte.
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Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren auf gleiche oder vergleichbare Merkmale verweisen. Es zeigen:
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1 Komponenten einer Photovoltaikmodul- oder Photovoltaikzellen-Identifikationsvorrichtung
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2 Schritte eines ersten Photovoltaikmodul- oder Photovoltaikzellen-Identifikationsverfahrens zum Bestimmen von Identifikationsmerkmalen und
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3 Schritte eines zweiten Photovoltaikmodul- oder Photovoltaikzellen-Identifikationsverfahrens zum Bestimmen und Überprüfen von Identifikationsmerkmalen.
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Wie aus 1 ersichtlich, besteht eine bevorzugte Photovoltaikmodul-, Photovoltaikzellen- oder Halbleiterbauelement-Identifikationsvorrichtung überwiegend aus Komponenten, welche zur Qualitätsprüfung von beispielsweise Photovoltaikmodulen oder Photovoltaikzellen für sich genommen bekannt sind.
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Dargestellt ist als bevorzugtes Halbleiterbauelement ein Photovoltaikmodul Mi, welches eine Vielzahl von Photovoltaikzellen Z aufweist. Nachfolgend wird zur Vereinfachung unter einem Modul ein solches Photovoltaikmodul Mi und unter Zelle eine Photovoltaikzelle Z verstanden.
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Zum Bestimmen eines oder bevorzugt mehrerer Identifikationsmerkmale mm, welche vorzugsweise eineindeutig für das Modul oder für eine oder mehrere seiner Zellen sind, wird davon ein Lumineszenzbild lb aufgenommen. Dazu wird bei Anwendung der in 1 skizzierten Elektro-Lumineszenz mittels einer Strom- oder Spannungsquelle DC in das Modul Mi ein Strom eingeprägt. Dabei gibt es zwei Rekombinationsmechanismen, strahlende und nichtstrahlende.
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Der strahlende Anteil kann mit einer geeigneten Kamera 1 das Lumineszenzbild lb aufgenommen.
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Alternativ kann äquivalent dazu auch ein Photolumineszenzverfahren angewendet werden, wobei das Modul dabei mittels Licht bestrahlt wird und dadurch die Lumineszenzstrahlung erzeugt wird, anstelle an das Modul eine Spannung oder einen Strom anzulegen.
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Anhand der Lumineszenzbilder lb werden nachfolgend Aussagen über die Beschaffenheit des Halbleiters getroffen. Dazu wird das Lumineszenzbild lb, welches durch die Kamera 1 aufgenommen wurde, an eine Steuereinrichtung 2 angelegt, welche einen geeignet programmierten Prozessor aufweist, insbesondere als Computer ausgestaltet sein kann.
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Die Steuereinrichtung 2 wertet das Lumineszenzbild lb aus und bestimmt daraus die Identifikationsmerkmale mm, vorzugsweise eineindeutigen Identifikationsmerkmale mm des Photovoltaikmoduls Mi oder von dessen Photovoltaikzellen Z. Dazu In für sich bekannter Art und Weise kann dazu ein Verfahren verwendet werden, wie es in der Photovoltaikindustrie als bildgebendes Verfahren im Rahmen einer Qualitätsprüfung verwendet wird, um verschiedene Defekte bereits auf Zellebene sichtbar zu machen und damit Moduldefekte zu bestimmen.
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Anschließend werden die Daten d der Identifikationsmerkmale mm in einer Speichereinrichtung DB, insbesondere einer Datenbank dauerhaft gespeichert.
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Soll zu einem späteren Zeitpunkt ein Photovoltaikmodul Mi oder eine Photovoltaikzelle Z hinsichtlich ihrer Identität überprüft werden, so werden damit die vorstehenden Verfahrensschritte erneut durchgeführt. Nach dem Bestimmen von dessen der Identifikationsmerkmalen mm bzw. den dazu bestimmten Daten d der Identifikationsmerkmale mm werden diese mit in der Speichereinrichtung zu früheren Zeitpunkten gespeicherten Identifikationsmerkmalen mm bzw. Daten d verglichen. Gesucht wird dabei eine Identität oder einer ausreichende Anzahl von übereinstimmenden Daten d, um die Identität des in Prüfung befindlichen Photovoltaikmoduls Mi bzw. der Photovoltaikzelle Z zu bestätigen. Abschließend kann z. B. über eine Anzeigeeinrichtung 3 ein Vergleichsergebnis ausgegeben werden.
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Anstelle der in diesen Vorrichtungskomponenten integrierten Speichereinrichtung DB kann auch eine externe Speichereinrichtung zum Speichern u. a. der Daten d verwendet werden, zu bzw. von welcher die Daten d über eine Schnittstelle 4 übertragen werden.
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Auch muss die Steuereinrichtung 2 zum Durchführen der diversen Verfahrensschritte nicht zwingend Bestandteil der Vorrichtungskomponenten sein. Die Steuereinrichtung kann auch in einer eigenständigen und ggfs. weit entfernten Vorrichtung angeordnet sein, mit welcher das Lumineszenzbild lb, die Identifikationsmerkmalen mm oder die daraus bestimmten Daten d über geeignete Schnittstellen 4 ausgetauscht werden.
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Neben den Identifikationsmerkmalen mm oder den daraus bestimmten Daten d aus dem Lumineszenzbild lb können auch zusätzliche Parameter p zusammen damit in der Speichereinrichtung DB gespeichert werden. Die Eingabe solcher Parameter p erfolgt z. B. über eine Tastatur 5. Solche Parameter p können bei einer Überprüfung eines Moduls Mi vorteilhaft verwendet werden, um z. B. eine Einschränkung der insgesamt gespeicherten Datensätze auf diejenigen eines bestimmten Modultyps oder Herstellers zu beschränken. Prinzipiell könnten derartige zusätzliche Daten oder Parameter auch über eine weitere industrieübliche Schnittstelle eingegeben und zusammen mit den Identifikationsmerkmalen mm gespeichert werden. Beispielsweise können auch herstellerspezifische Daten wie eine Seriennummer mit gespeichert werden.
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Vorteilhaft ist optional auch, wenn zusätzlich mit den Identifikationsmerkmalen mm durch Lumineszenz ermittelte Qualitätsdaten mit abgespeichert werden. Vorteilhaft können dann diese Qualitätsdaten mit später aufgezeichneten Qualitätsdaten verglichen werden, so dass somit auch direkte Rückschlüsse über qualitative Veränderungen der Solarmodule über die Lebensdauer ermittelt werden können.
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2 zeigt bevorzugte Verfahrensschritte eines ersten solchen Verfahrens, welches zum Bestimmen und Sichern von Identifikationsmerkmalen mm von Photovoltaikmodulen Mi dient. In einem ersten Schritt S1 wird ein neues Photovoltaikmodul Mi bereitgestellt.
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In einem zweiten Schritt S2 wird von dem Photovoltaikmodul Mi ein Lumineszenzbild lb erzegut. Aus diesem Lumineszenzbild lb werden Modul-Identifikationsmerkmale mm gesucht, welche später eine eindeutige Erkennung ermöglichen. Zu diesen Modul-Identifikationsmerkmalen mm werden entsprechende Daten d bestimmt, z. B. dessen Bildinformationen oder im Fall eines Fingerfehlers s dessen Lage in der entsprechenden Zelle. Außerdem werden optional sonstige Parameter p bestimmt, wie z. B. ein Typ des Photovoltaikmoduls Mi.
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In einem optionalen dritten Schritt S3 wird aus den Daten d eine reduzierte Datenmenge dr bestimmt, welche z. B. alle Bilddaten und zuvor erkannten Merkmale ausschließt, die später keine ausreichend eindeutige Identifikation ermöglichen würden. Auch können zu mehreren geeigneten Modul-Identifikationsmerkmalen mm nur die best geeignetsten ausgewählt werden. Bevorzugt wird dabei eine redundante Datenmenge drd erzeugt, so dass bei späterem Ausfall eines der Merkmale alternative Erkennungsmöglichkeiten bestehen.
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In einem vierten Schritt S4 werden dann zu dem Photovoltaikmodul Mi die Daten d und/oder reduzierten Daten und/oder die redundanten Daten drd sowie vorzugsweise auch die sonstigen Parameter p in der Speichereinrichtung, insbesondere Datenbank DB gespeichert.
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3 zeigt bevorzugte Verfahrensschritte eines ersten solchen Verfahrens zur späteren Identifikation eines derartigen Photovoltaikmoduls Mi. Dabei werden nach der Bereitstellung eines alten Photovoltaikmoduls Mi in einem ersten Schritt S5 als nachfolgende fünfte und optional sechste Schritte S5, S6 der zweite und ggfs. dritte Schritt S2, S3 des anhand 2 dargelegten ersten Verfahrensablaufs ausgeführt.
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Danach erfolgt in einem achten Schritt S8 die zu dem Photovoltaikmodul Mi so ermittelten Daten d und/oder reduzierten Daten und/oder die redundanten Daten drd sowie ggfs. die sonstigen Parameter p mit Daten in der Speichereinrichtung, insbesondere Datenbank DB verglichen.
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Im Fall eines positiven Vergleichsergebnisses v wird dieses in einem neunten Schritt S9 zusammen mit ggfs. weiteren Daten ausgegeben, welchen die eindeutige Zuordnung des Moduls anhand insbesondere der sonstigen Parameter p zu einem Hersteller etc. ermöglichen.
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Bei der Durchführung des Verfahrens wird von einem fertigen solchen Modul Mi mit einer NIR-Kamera (NIR: Nah-Infra-Rot) als das Lumineszenzbild lb ein Elektrolumineszenz- oder Photolumineszenzbild erzeugt. Jede Solar- bzw. Photovoltaikzelle Z hat aufgrund ihrer Struktur, insbesondere kristallinen Struktur bei Dickschichtzellen oder im Dünnschichtbereich oder bei Zellen auf Basis anderer Technologien aufgrund der Fertigungstoleranzen originäre Merkmale, die sozusagen wie ein Fingerabdruck oder eine Merkmalskarte das Modul Mi und dessen Zellen Z einmalig machen.
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Diese Informationen werden als Identifikationsmerkmal mm oder Identifikationsmerkmale mm mit speziellen, für sich genommen vorhandenen Bildverarbeitungsalgorithmen aus dem Lumineszenzbild lb extrahiert. Jedoch wird damit nicht lediglich die Qualität des Moduls Mi oder der Zellen Z bestimmt sondern es wird daraus ein einmaliger Identifikationscode entwickelt.
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Bevorzugt werden nur Merkmale für diese Codierung herangezogen, die über die gesamte Lebensdauer des Moduls Mi oder der Zellen Z hinweg stabil als Merkmal verbleiben und Ihre Merkmalsart nicht oder nicht relevant verändern.
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Für den „Fingerabdruck” werden Identifikationsmerkmale mm für kristalline Module insbesondere herangezogen polykristalline Strukturmerkmale der Zellen Z bei polykristallinen Zellen, z. B. eine Marmorierung m4, m5, und Fingerfehler s. Beispielhaft ist in dem in 1 abgebildeten Lumineszenzbild lb ein Fingerfehler s in einer fünften Zelle Z5 einer ersten Reihe von Zellen Z gezeigt. Markante Marmorierungen m4, m5 sind in einer vierten und der fünften Zelle Z4, Z5 abgebildet. Erkennbar sind dabei große Ähnlichkeiten aber keine Identität der Marmorierungen m4, m5. Vermutlich stammen diese beiden Zellen Z4, Z5 aus eine Produktion, und dabei vor der Trennung ursprünglich übereinander liegenden Kristallbereichen. Im Idealfall reicht eine einzige solche Marmorierung m4, m5 in einer einzigen Zelle Z4, Z5 aus, um das ganze Modul Mi eindeutig zu identifizieren.
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Berücksichtigt werden können als Identifikationsmerkmale mm auch Fingerfehler, d. h. Fehler der üblicherweise weiße Bedruckungen als Finger f bzw. Stromleiter, wie z. B. Fingerunterbrechungen, unter Berücksichtigung von deren potentiellen Veränderungen im Laufe der Lebensdauer, insbesondere von Vergößerungen dieser Fehler.
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Auch können Mikrorisse, Ausbrüche, Zellbrüche, Sauerstoffeinschlüsse und Löcher unter Berücksichtigung von deren potentiellen Veränderung im Laufe der Lebensdauer aus dem Lumineszenzbild lb bestimmt und als Identifikationsmerkmale mm verwendet werden.
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Weitere für sich genommen bekannte Fehler, wie z. B. schlechte Kantenisolierung, Verunreinigungen im Material, Dunkelstellen oder Ofenabdrücke, können unter Berücksichtigung potentieller Veränderungen im Laufe der Lebensdauer des Moduls Mi bzw. der Zellen Z bestimmt und als Identifikationsmerkmale mm verwendet werden.
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Als insbesondere sonstige Parameter p können bei den Modulen verwendet werden z. B. eine Größe des Moduls Mi, eine Größe der Zellen Z, eine Anzahl der Zellen Z im sogenannten String, welcher z. B. 10 Zellen zusammenführt, eine Breite von sogenannten Busbars, welche als Sammelleiter mit Bändchen Zellen Z zu Strings zusammenführen. Weitere sonstige Parameter p sind z. B. auch eine Anzahl der Strings im Modul Mi, eine Anzahl der Busbars, ein Abstand der Zellen Z im String oder ein Abstand der Strings zueinander.
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Bei monokristalinen Zellen Z ist die Bestimmung von Identifikationsmerkmalen mm aufwändiger. Genutzt werden können bei Dünnschichtmodulen wieder typische Strukturmerkmale der Zellen, welche auch je nach Technologie verschieden sein können. Insbesondere gilt dies wieder unter Berücksichtigung der potentiellen Veränderung im Laufe der Lebensdauer, wie z. B. Durchkontaktierungsstellen oder Strukturen der Laserbearbeitung. Verwendbar sind auch bekannte Zellfehler, wie z. B. Dunkelstellen, vorzugsweise ebenfalls unter Berücksichtigung der potentiellen Veränderung im Laufe der Lebensdauer.
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Als zusätzliche Parameter sind verwendbar z. B. eine Größe des Moduls, eine Anzahl der Zellen im String, wenn eine Stringaufteilung existiert, eine Anzahl der Strings im Modul, wenn eine Stringaufteilung existiert, oder eine Anzahl der Busbars.
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Entsprechende Bestimmungen können auch bei Modulen anderer Photovoltaikzellen-Technologien erfolgen. Allgemein können dabei je nach Hersteller und Modultyp einzelne Merkmale weggelassen bzw. hinzugenommen werden.
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Weitere beispielhafte Merkmale sind Abmaße, Risse, Löcher, Ausbrüche, Dunkelstellen, Bereiche unterschiedlicher Leistung, sogenannte Hot-Spots und insbesondere bei Dünnschichtmodulen eine Strukturierung.
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Ausgenutzt werden kann dabei insbesondere, dass eine Veränderung der Leistung während der Lebensdauer auf den Fingerabdruck keinen Einfluss hat, da eine Leistungsmessung bzw. Leistungsdaten entweder nicht direkt Bestandteil des Fingerabdruckes sind, sondern nur der Zuordnung des Fingerabdrucks zum Modultyp in der Datenbank, oder da eine Veränderungen in der Leistung, die auch Einfluss auf das Lumineszenzbild bl haben weggefiltert werden.
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Es werden also optional die originären Produktmerkmale ermittelt, z. B. Länge, Breite, Anzahl, Strukturen, und vor allem Fehler, insbesondere alle Fehler ermittelt, die über die Lebensdauer verbleiben und ggf. noch größer werden können. Insbesondere von diesen Fehlern, die über die Lebensdauer verbleiben, werden die „Basisdaten”, d. h. der Fehlerursprung, bevorzugt einschließlich relativer Lage auf der Zelle, dem String bzw. dem Modul, und die Art des Fehlers vermerkt. Wird der Fehler dann im Laufe der Lebensdauer größer ober verbleibt, so ist in dem Fingerabdruck immer noch der bei Erstellung der Codierung der Fehlerursprung vorhanden. So entsteht eine Liste von originären Merkmalen sowie die Art „Merkmalskarte” welche die Art und Lage von Merkmalen enthält.
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Vorteilhaft ist die Bestimmung reduzierter Daten rd, um eine Datenreduktion zu erzielen. Lumineszenzbilder lb für Photovoltaikmodule Mi haben, um eine entsprechende Güte und den erforderlichen Informationsgehalt zu haben, in der Regel ein Datenvolumen größer 8 MB. Durch Erfassen der angeführten Merkmale können die erforderlichen Daten des „Fingerabdruckes” bzw. der Identifikationsmerkmale mm bzw. deren Daten d der entsprechenden Bildausschnitte deutlich reduziert werden, insbesondere auf wenige Kilobyte reduziert werden. Durch Dekodierung der Information entsteht quasi ein auf das wesentliche reduzierter Datensatz als die bevorzugte „Merkmalskarte” zum Photovoltaikmodul Mi. Beispielsweise werden nur die Bilddaten der besonders charakteristischen Marmorierungen mi4, mi5 oder von Fingerfehlern s gespeichert.
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Bevorzugt wird außerdem der Einsatz der Erstellung redundanter Daten drd, um eine Erkennungsredundanz zu bieten. Berücksichtigt wird dadurch u. a., dass die Photovoltaikmodule Mi durch Beschädigungen unterschiedlichster Art, wie z. B. Transportschäden, Informationen teilweise „verlieren” können bzw. quasi Bereiche Ihre originale Information verlieren können, die Photovoltaikmodule Mi an sich aber noch weiter verwendet werden kann. Findet z. B. beim Transport ein Zellenbruch statt, so kann die entsprechende Zelle Z dann später beim Lumineszenzbild lb als inaktiver, also schwarzer Bereich für die Codierung nutzlos geworden sein.
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Um die Identifikation trotzdem sehr schnell zu gestalten, wird von dem Photovoltaikmodul Mi, welches identifiziert werden soll, aus dem Lumineszenzbild lb ein Code generiert, welcher redundante Daten drd verschiedener Identifikationsmerkmale mm bzw. von deren Daten d des Photovoltaikmoduls Mi so enthält, dass verschiedene Fehler oder Alterungserscheinungen berücksichtigt, welche typischerweise über die Lebensdauer des Photovoltaikmoduls Mi entstehen können. Dieser Code bzw. die redundanten Daten drd werden an die Datenbank DB übermittelt und in dieser dauerhaft gespeichert. In dieser Datenbank sind dann die gewünschten Informationen und vorzugsweise zusätzlich Hersteller, Herstelljahr, Modultyp, Modulleistung, Zellhersteller, Zellenanzahl, usw. hinterlegt. Unter dem dauerhaften Speichern wird verstanden, dass die Informationen in der Datenbank DB für eine typische Lebensdauer eines Photovoltaikmoduls Mi oder eine erforderliche Garantiezeit gespeichert werden.
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Zum Erstellen der Erkennungsredundanz zur Sicherung der späteren Erkennbarkeit wird gemäß einer Variante von dem gesamten Modul die „Merkmalskarte” erstellt. Bei intakten Modulen ist so in der Regel aufgrund der Eineindeutigkeit der Merkmale bereits nach Analyse der Merkmale einer Zelle das Modul eineindeutig identifizierbar. Sollten nun durch Alterung oder Transportschäden Teilbereiche des Moduls so stark beschädigt sein, das ein Erstellen von Lumineszenz-Informationen nicht mehr möglich ist, so ist davon auszugehen, das mindestens eine aktive Zelle pro Modul ausreicht, um eine eineindeutige Identifikation zu ermöglichen. Daher kann das Verfahren auch zur Identifikation von Zellen und Strings, sofern diese noch elektrisch aktiv sind, verwendet werden. Für die Modulidentifikation bedeutet dies, das eine X-fache Redundanz für die Fehlererkennung vorhanden ist, wenn X der Anzahl der Zellen pro Modul bedeutet, von denen jeweils mindestens eines derer Merkmale erfasst wird.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung und Verfahrensweise ist allgemein auf Halbleiterbauelemente übertragbar, von welchen ein Lumineszenzbild erfasst und derart ausgewertet werden kann. Vorstehend beschriebene Photovoltaikmodule und Photovoltaikzellen sowie deren Vorprodukte oder daraus weiterverarbeitete Produkte stellen letztendlich spezielle Formen von Halbleiterbauelementen dar. Sofern bei einem solchen Halbleiterbauelement keine Kontaktpunkt zum Anlegen einer Spannung vorhanden sind, wird bevorzugt auf Photo-Lumineszenz zurückgegriffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kamera
- 2
- Steuereinrichtung
- 3
- Anzeigeeinrichtung
- 4
- Schnittstelle
- 5
- Eingabetastatur
- d
- Daten aus Lumineszenzbild
- DB
- Speichereinrichtung, insbesondere Datenbank
- DC
- Strom- oder Spannungsquelle
- dr
- reduzierte Daten
- drd
- redundante Daten
- f
- Finger
- lb
- Lumineszenzbild
- m4, m5
- Marmorierung
- Mi
- Photovoltaikmodul mit i = 1, 2, 3, ...
- mm
- Identifikationsmerkmal
- p
- sonstige Parameter
- s
- Fingerfehler
- S1–S9
- Verfahrensschritte
- v
- Vergleichsergebnis
- Z; Z1, Z4, Z5, Z10, Z11
- Photovoltaikzelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005040010 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- T. Fuyuki et al., Photovoltaic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence, Appl. Phys. Lett., 2005, Vol. 86, 262108 [0005]
- Sicherheitstechnische Prävention, Diebstahl von Photovoltaikanlagen – Sicherheitsempfehlung, 09/2007 [0007]
