DE102012022825A1

DE102012022825A1 - Verfahren zur Prüfung der Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation bei Komponenten von Solarmodulen

Info

Publication number: DE102012022825A1
Application number: DE201210022825
Authority: DE
Inventors: Volker Naumann; Dominik Lausch; Christian Hagendorf; Jörg Bagdahn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-23
Also published as: DE102012022825B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation (PID) bei Komponenten von Solarmodulen. Bei dem Verfahren wird zumindest der Halbleiterkörper der Solarzelle mit der darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht auf eine plane Metallauflage aufgelegt. Auf die dielektrische Schicht werden eine Polymerfolie sowie gegebenenfalls eine optisch transparente Deckplatte aufgelegt. Ein Stempel mit einer planen metallischen Kontaktfläche wird auf diesen Schichtstapel aufgedrückt. Der Schichtstapel wird auf eine Prüfungstemperatur gebracht und über einen Prüfungszeitraum zwischen der planen metallischen Kontaktfläche und der Metallauflage eine elektrische Spannung angelegt. Der Ionenstrom, der ein Maß für die PID-Anfälligkeit der Materialien ist, kann während des Prüfungszeitraums gemessen werden. Am Ende oder nach Ablauf des Prüfungszeitraums wird schließlich die potentialinduzierte Degradation der Solarzelle bzw. des Halbleiterkörpers bestimmt. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lassen sich Komponenten von Solarmodulen auf einfache und kostengünstige Weise hinsichtlich der Anfälligkeit für PID prüfen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation (PID) bei Komponenten von Solarmodulen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Handelsübliche Solarmodule können unter bestimmten Umgebungsbedingungen und den aktuell üblichen elektrischen Potentialverhältnissen in Photovoltaik-Anlagen eine potentialinduzierte Degradation aufweisen. Dieser physikalische Effekt kann sich neben einer deutlichen Verringerung der Effizienz auch durch eine Reduzierung des Parallelwiderstands der Solarzelle im Solarmodul auszeichnen. Eine physikalische Ursache konnte bisher nicht eindeutig ermittelt werden. Es steht jedoch fest, dass sich im Solarmodul Ionen sowohl im Glas als auch im Verkapselungsmaterial, einer Kunststoffschicht zwischen dem Deckglas und den Solarzellen, unter dem Einfluss eines elektrischen Potentialunterschieds in Richtung der Solarzellenoberfläche bewegen. Sie führen dort innerhalb der auf dem Halbleiterkörper der Solarzelle aufgebrachten Antireflexbeschichtung über einen bisher noch nicht genau bekannten physikalischen Prozess zur Degradation der Solarzellen. Die Herabsetzung der Effizienz durch PID-induzierte Kurzschlüsse kann bis zu einem totalen Leistungsausfall betroffener Module führen. Weiterhin führt die Reduzierung des Parallelwiderstands unter Abschattung zu einer gefährlichen sog. Hot-Spot Situation, wobei durch lokal fließende Ströme neben der Zerstörung des Moduls potentiell auch eine akute Brandgefahr vorherrschen kann. Es besteht daher ein Bedarf an Prüfungsverfahren, mit denen die Anfälligkeit von Solarmodulen und deren Komponenten für potentialinduzierte Degradation bestimmt werden kann.
Stand der Technik
Aus S. Koch et al., in: Proceedings 26th EU-PVSEC, Hamburg, Germany, 2011, Seiten 1726 bis 1731, ist ein Verfahren zur Prüfung der PID-Anfälligkeit von Solarmodulen und Solarzellen bekannt, bei dem als Prüfling ein Laminat mit einer Schichtfolge aus Glas-EVA-Solarzelle-EVA-Glas hergestellt wird, auf dessen Oberfläche eine Kupfer-Folie aufgebracht wird. Der laminierte Schichtstapel wird in eine Klima-Kammer eingebracht und bei einer Temperatur von 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% über einen Prüfungszeitraum von 48 Stunden mit einer Spannung von 200 Volt zwischen der Kupfer-Folie und den elektrischen Anschlüssen der Solarzelle beaufschlagt. Anschließend wird die Solarzelle auf potentialinduzierte Degradation untersucht. Für eine derartige Prüfung müssen die Prüflinge allerdings vorher prozessiert werden, so dass die nachfolgende Untersuchung erschwert ist. Weiterhin ist für die Prüfung sehr teures Equipment erforderlich. Als routinemäßige Qualitätskontrolle für Solarzellen und weitere Komponenten bzw. Materialien in der Modulprozessierung ist dieses Verfahren daher nicht geeignet.
M. Schütze et al., in: Proceedings 26th EU-PVSEC, Hamburg, Germany, 2011, Seiten 3097–3102 beschreiben ein Verfahren, bei dem Corona-Ladungen auf die Oberfläche von Solarzellen oder Solarmodulen aufgebracht werden. Diese Ladungen bewirken jedoch keine Degradation der Solarzellen. Vielmehr wird nur der Einfluss von Oberflächenladungen auf die Solarzelle simuliert. Eine direkte Korrelation zwischen den aufgebrachten Oberflächenladungen und der an Modulen beobachteten Degradation ist bisher nicht nachgewiesen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung von Komponenten von Solarmodulen auf PID-Anfälligkeit anzugeben, die eine einfache und kostengünstige Prüfung ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können Komponenten von Solarmodulen auf Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation geprüft werden. Solarmodule bestehen aus mehreren miteinander verschalteten Solarzellen, die auf der zur Sonne gewandten Seite mit einer optisch transparenten Deckplatte, insbesondere einer Glasscheibe, abgedeckt und in einer transparenten Polymerschicht unter der Deckplatte eingebettet sind. In der Regel ist ein Solarmodul zur Stabilisierung und Handhabung in einem Trägerrahmen gelagert. Die Solarzellen bestehen aus einem geeignet dotierten Halbleiterkörper, auf dem eine dielektrische Schicht, bspw. als Antireflexbeschichtung, aufgebracht ist. Auf der dielektrischen Schicht sowie auf der Rückseite des Halbleiterkörpers sind Metallisierungen zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle aufgebracht. Bei dem Halbleiterkörper handelt es sich in der Regel um einen Halbleiterkristall, bspw. um einen Silizium-Kristall. Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich jedoch auch mit Solarzellen bzw. Halbleiterkörpern aus anderen Halbleitermaterialien durchführen, die für einen Einsatz als photovoltaisches Material in Solarzellen geeignet sind oder bereits in Solarzellen eingesetzt werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zumindest der Halbleiterkörper der Solarzelle mit der darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht auf eine plane Metallauflage aufgelegt, um einen vollflächigen elektrischen Kontakt des Halbleiterkörpers mit der Metallauflage zu erhalten. Es ist somit keine fertigprozessierte Solarzelle für das vorgeschlagene Prüfungsverfahren erforderlich. Vielmehr kann bereits der entsprechend prozessierte Halbleiterwafer mit der darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht auf die Metallauflage aufgelegt und der Prüfung unterzogen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine bereits fertig prozessierte Solarzelle mit den vorder- und rückseitigen Metallisierungen für die Prüfung einzusetzen. Auf die dielektrische Schicht wird in einer Verfahrensalternative vor der Prüfung eine Polymerfolie aufgelegt. Es kann sich dabei um eine Polymerfolie handeln, die für eine Verkapselung von Solarzellen bei der Herstellung von Solarmodulen geeignet ist, oder auch um eine andere Polymerfolie, die entsprechende Eigenschaften hinsichtlich der gewünschten Ionenleitfähigkeit aufweist. Dies kann vor dem Auflegen des Halbleiterkörpers auf die Metallauflage oder auch nach dem Auflegen erfolgen. Bei der Polymerfolie kann es sich beispielsweise um eine EVA-Folie (Ethylenvinylacetat) handeln, wie sie üblicherweise zur Verkapselung von Solarzellen eingesetzt wird. Optional kann zusätzlich eine optisch transparente Deckplatte auf die Polymerfolie aufgelegt werden, wie sie ebenfalls bei der Herstellung von Solarmodulen eingesetzt wird. Auf den auf diese Weise gebildeten Schichtstapel wird dann von oben ein Stempel mit einer planen metallischen Kontaktfläche gedrückt oder aufgelegt. In einer zweiten Verfahrensalternative ist die Polymerfolie fest mit dem Stempel verbunden, d. h. entweder direkt oder über eine oder mehrere Zwischenschichten, bspw. die obige Deckplatte, mit der planen metallischen Kontaktfläche des Stempels. Der Stempel wird dann auf den Schichtstapel bestehend aus Halbleiterkörper und dielektrischer Schicht aufgedrückt oder aufgelegt. Der Schichtstapel wird auf eine Prüfungstemperatur gebracht und über einen Prüfungszeitraum auf dieser Temperatur gehalten. Das Aufheizen kann auch bereits vor dem Aufdrücken des Stempels erfolgen. Zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels und der Metallauflage wird über den Prüfungszeitraum kontinuierlich oder wiederholt eine elektrische Spannung angelegt, um die Voraussetzungen für eine potentialinduzierte Degradation zu schaffen. Am Ende oder nach Ablauf des Prüfungszeitraums wird dann ein Maß der bei diesem Schichtstapel aufgetretenen potentialinduzierten Degradation bestimmt.
Der Prüfungszeitraum entspricht dabei dem Zeitintervall, während dem die elektrische Spannung – kontinuierlich oder mit kurzen Unterbrechungen – zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels und der Metallauflage angelegt ist. Die metallische Kontaktfläche des Stempels kann dabei beispielsweise auf positives Potential gegenüber der dann geerdeten Metallauflage gebracht werden, wobei beispielsweise eine Spannung von ≥ 100 V zwischen der metallischen Kontaktfläche und der Metallauflage angelegt wird. Selbstverständlich ist es jedoch je nach Ausbildung des Schichtstapels auch möglich, eine geringere Gleichspannung zwischen diesen beiden Metallelektroden anzulegen. Auch das Anlegen einer umgekehrten Polarität zwischen der dann nicht geerdeten Metallauflage und der metallischen Kontaktfläche ist möglich, falls dies für die Prüfung erforderlich ist. Der Prüfungszeitraum kann beispielsweise im Bereich zwischen 5 Minuten und vier Wochen liegen. Unter der Prüfungstemperatur wird die Temperatur verstanden, auf der der Schichtstapel während des Prüfungszeitraums gehalten wird. Diese Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 20°C und 200°C. Die Aufheizung bzw. Temperierung des Schichtstapels erfolgt vorzugsweise über eine in die Metallauflage integrierte bzw. an dieser angebrachte regelbare Heizeinrichtung, insbesondere einen Thermostaten, mit einem Temperatursensor.
Die plane Metallauflage ist ausreichend großflächig ausgelegt, um den Halbleiterkörper vollflächig, d. h. über seine gesamte Unterseite kontaktieren zu können. Die Abmessungen der planen Auflagefläche der Metallauflage sind daher mindestens so groß wie die Abmessungen der Unterseite des Halbleiterkörpers. Vorzugsweise weist auch die metallische Kontaktfläche des Stempels entsprechend große Abmessungen auf, um die Oberseite des Schichtstapels vollflächig elektrisch kontaktieren zu können. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt daher das Anlegen der elektrischen Spannung nicht über entsprechende Kontaktanschlüsse der Solarzelle, sondern über die Metallauflage und die metallische Kontaktfläche des Stempels. Es wird auch kein Laminierungsprozess zum Aufbringen der Polymerfolie sowie gegebenenfalls der Deckplatte durchgeführt. Vielmehr werden diese Komponenten bei der bevorzugten ersten Verfahrensalternative lediglich auf die fertige oder unfertige Solarzelle aufgelegt. Unter der unfertigen Solarzelle ist dabei der Halbleiterkörper, bspw. Halbleiterwafer, für die Solarzelle mit der dielektrischen Schicht, insbesondere einer Antireflexbeschichtung, noch vor dem Aufbringen der Metallisierungen zu verstehen.
Zwischen der sonnenzugewandten Oberfläche (Front- bzw. Deckglas) und den Solarzellen eines Solarmoduls werden durch einen Potentialunterschied Leckströme hervorgerufen. Es wird eine Drift von Ladungsträgern im elektrischen Feld verursacht. Die Leckströme korrelieren bei PID-empfindlichen Solarzellen mit der Geschwindigkeit, mit der die Degradation der Solarzellen voranschreitet. Da die Materialien, die sich zwischen Moduloberfläche und Solarzelle befinden, elektrische Isolatoren bzw. Leiter zweiter Klasse sind, findet in ihnen die elektrische Leitung überwiegend als Ionenleitung statt. Die Ionenleitfähigkeit hängt stark von der Temperatur der Medien ab. Außerdem hängt der Ionenstrom vom angelegten elektrischen Feld ab. Die Temperatur und das elektrische Feld, das durch den Potentialunterschied vorgegeben wird, sind neben den zu untersuchenden Materialparametern die wesentlichen Einflussgrößen, von denen die Degradationsgeschwindigkeit einer Solarzelle in einem Solarmodul abhängt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden für einen Vergleich der zu prüfenden Komponenten bzw. Materialien hinsichtlich des Degradationsverlaufs die Temperatur der Materialien (Prüfungstemperatur) und das elektrische Feld (Stärke, Homogenität) hinreichend definiert bzw. kontrolliert.
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung ermöglichen eine einfache und schnelle Prüfung der für Solarmodule verwendeten Materialien und Materialstärken bzw. Komponenten auf PID-Anfälligkeit. Bei diesen Materialien kann es sich um das Material der aufgelegten Polymerfolie, das Material des Halbleiterkörpers oder der darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht oder auch um das Material der gegebenenfalls aufgebrachten Deckplatte sowie um Kombinationen dieser Materialien handeln. Für die Durchführung des Verfahrens muss weder die Solarzelle fertig prozessiert und mit Kontakten versehen werden, noch müssen die verwendeten Komponenten zu einem Modul laminiert werden. Daher sind neben der Kostenersparnis eine schnelle Qualitätskontrolle und die Basis für weitere Untersuchungen der verwendeten Materialien gegeben. Ein Test verschiedener Prozess- und Materialvariationen kann in kürzester Zeit vorgenommen werden, wodurch sich das verwendete Verfahren insbesondere neben einer Prozessentwicklung auch als Werkzeug zur Qualitätskontrolle eignet.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann einfach zu einem Mehrfachprüfstand erweitert werden, so dass sich mehrere Prüflinge bzw. Schichtstapel parallel prüfen lassen. Damit kann das Verfahren auch genutzt werden, um eine statistische Verteilung der Degradationsanfälligkeit von Solarzellen in der produktionsnahen Qualitätskontrolle/Eingangskontrolle zu erfassen. Das Ergebnis des durchgeführten Prüfungsverfahrens ist ein Degradationszustand, wie er bei Verwendung gleicher Komponenten bzw. Materialien in einem Solarmodul unter PID-förderlichen Bedingungen im Freifeld hervorgerufen würde. Mit dem Verfahren lässt sich sowohl der gesamte Modulaufbau aus Solarzelle, Polymerfolie und Deckplatte als auch je nach Fragestellung eine einzelne Komponente dieses Modulaufbaus prüfen. Da sowohl seitens der Solarzellen (Antireflexbeschichtung) als auch bei den Verkapselungsmaterialien (Polymerfolie) intensiv an Modifikationen zur Verminderung der PID-Empfindlichkeit geforscht wird, lässt sich das Verfahren zur Untersuchung beider Komponenten sehr vorteilhaft einsetzen. Dabei werden jeweils mehrere Prüfungen mit unterschiedlichen Variationen dieser Komponenten, insbesondere unterschiedlichen Materialien und/oder Herstellungstechniken, durchgeführt, wobei die jeweils anderen Komponenten des Schichtaufbaus gezielt PID-anfällig gewählt werden und bei jeder dieser Vergleichsprüfungen identisch gewählt werden.
Die abschließende Bestimmung des Maßes der potentialinduzierten Degradation der fertigen oder noch unfertigen Solarzelle kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird während der Prüfung, d. h. über den gesamten Prüfungszeitraum, eine Ionenstrommessung durchgeführt, bei der der Stromfluss zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels und der Metallauflage kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen gemessen wird. Die Größe des gemessenen Stromes ist dabei ein Maß für die potentialinduzierte Degradation, deren Fortschritt bei einer derartigen Messung in Echtzeit beurteilt werden kann. Neben dieser parallelen Messung des Ionenstroms kann die potentialinduzierte Degradation nach Ablauf des Prüfungszeitraums auch mit bekannten Methoden des Standes der Technik an der im Schichtstapel eingesetzten Solarzelle bzw. deren Halbleiterkörper bestimmt werden. Beispiele für Techniken zur Bestimmung der Degradation sind Leistungsmessung, Aufnahme von Strom-Spannungskennlinien, Elektrolumineszenz, Photolumineszenz, Thermographie, Elektronenmikroskopie (u. a. EBIC-Methode (Electron-beam-induced current)) oder Massenspektrometrie jeweils an der Solarzelle bzw. dem Halbleiterkörper. Derartige Verfahren werden bereits bisher für die Bestimmung der potentialinduzierten Degradation von Solarzellen eingesetzt, so dass an dieser Stelle nicht mehr näher darauf eingegangen wird. Beispielhaft wird hierzu auf die bereits in der Beschreibungseinleitung genannte Veröffentlichung von M. Schütze et al., in: Proceedings 26th EU-PVSEC, Hamburg, Germany, 2011, Seiten 3097–3102, verwiesen.
Die Prüfung wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens in einer geschlossenen Kammer durchgeführt, die ferner vorzugsweise vakuumdicht ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird diese Kammer nach dem Fertigstellen des Schichtstapels, d. h. nach dem Auflegen der Polymerfolie sowie gegebenenfalls der Deckplatte, zunächst zumindest teilweise evakuiert, um eventuelle Luftblasen zwischen den einzelnen Komponenten des Schichtstapels auszutreiben. Anschließend wird die Kammer wieder belüftet und die Prüfung durch Anlegen der entsprechenden elektrischen Spannung durchgeführt. Die Aufheizung des Schichtstapels auf die Prüfungstemperatur kann dabei vor oder nach dem Evakuierungsschritt erfolgen. Das Gleiche gilt für das Aufdrücken des Stempels. In einer weiteren Ausgestaltung kann auch ein Wasserreservoir in der Kammer vorgehalten werden, durch das die relative Luftfeuchtigkeit während der Prüfung auf einen gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhten Wert gebracht werden kann.
Die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung weist einen Probentisch mit einer planen Metallauflage und einer integrierten regelbaren Heizeinrichtung auf, durch die die Metallauflage auf eine vorgebbare Temperatur gebracht und auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Über der Metallauflage ist ein Stempel mit einer planen metallischen Kontaktfläche gehaltert, der über einen Mechanismus mit der Kontaktfläche gegen die Metallauflage oder einen darauf liegenden Prüfling gedrückt werden kann. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Gleichspannungs- oder Gleichspannungs-Hochspannungsquelle, deren positiver Pol mit der metallischen Kontaktfläche und deren negativer Pol mit der Metallauflage verbunden sind oder umgekehrt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich Probenaufnahmetisch und Stempel in einer evakuierbaren Kammer, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die plane metallische Kontaktfläche des Stempels hat eine kleinere Fläche als die plane Auflagefläche der Metallauflage. Die plane Auflagefläche der Metallauflage weist dabei Abmessungen von mindestens 20 × 20 cm² auf, die metallische Kontaktfläche des Stempels Abmessungen von mindestens 2 × 2 cm². In einer weiteren Ausgestaltung ist auch eine Einrichtung zur Messung und/oder Aufzeichnung des durch einen eingelegten Schichtstapel zwischen der metallischen Kontaktfläche und der Metallauflage fließenden Stromes vorgesehen. Die einzelnen spannungsführenden Teile der Vorrichtung sind selbstverständlich geeignet gegenüber den Kammerwänden isoliert.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich in der Fertigung von Solarzellen und Solarmodulen vom eigentlichen Solarzellenprozess bis hin zur Modulfertigung einsetzen. Darüber hinaus können das Verfahren und die Vorrichtung auch von Zulieferern der Solarindustrie, beispielsweise von Folienherstellern, genutzt werden, um auf Basis der Prüfungsergebnisse Folien zu entwickeln, die eine geringere Anfälligkeit gegen PID verursachen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Seitenansicht einer beispielhaften Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie
2 eine Aufsicht auf einen Teil der Vorrichtung gemäß 1.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die in der 1 in Seitenansicht dargestellte Vorrichtung umfasst eine evakuierbare Kammer 1, in der ein Probentisch 2 mit einer Metallauflage 3 angeordnet ist. Der untere Teil des Probentisches 2 ist gegenüber der Kammer elektrisch isoliert. In die Metallauflage 3 ist eine elektrische Heizeinrichtung 4 integriert, mit der die Auflage über einen Temperaturregler 5 und einen Temperatursensor 6 auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Über der Metallauflage 3 ist ein Metallstempel 7 an der Oberseite der Kammer gelagert, der über einen Federmechanismus 8 gegen die Metallauflage 3 bzw. einen auf der Metallauflage befindlichen Schichtstapel gedrückt wird. Bei einem ausreichend schweren Metallstempel kann auch auf einen Federmechanismus verzichtet werden, da dann für den Druck auf den Schichtstapel schon die Schwerkraft des Metallstempels ausreicht. Die Oberseite des Metallstempels 7 ist mit einer elektrischen Isolation 9 versehen, um den Metallstempel gegenüber der Kammer 1 elektrisch zu isolieren. Der Metallstempel 7 weist an seiner Unterseite eine entsprechend plane elektrische Kontaktfläche zur Kontaktierung der Oberseite eines eingelegten Schichtstapels auf. Der Metallstempel 7 ist mit dem positiven Pol einer Hochspannungsversorgung 10 verbunden. Die Metallauflage 3 des Probentisches 2 ist entsprechend geerdet. Eine Strommesseinrichtung 13 zur Ionenstrommessung an einem zwischen Metallstempel 7 und Metallauflage 3 eingeklemmten Schichtstapel ist in der Figur ebenfalls angedeutet. Der während des Prüfungszeitraums gemessene Stromfluss wird an einem Computer-Bildschirm 14 oder auf einer sonstigen Anzeige in Echtzeit dargestellt.
Die Kammer 1 ist in diesem Beispiel über ein Ventil 11 mit einer Vakuumpumpe 12 verbunden, über die sie zumindest teilweise evakuiert und auch wieder belüftet werden kann.
Bei der Durchführung der Prüfung wird die Oberseite der Kammer 1 mit dem daran gelagerten Metallstempel 7 abgehoben. Anschließend wird der Prüfling auf die Metallauflage 3 des Probentisches 2 aufgelegt. Im vorliegenden Beispiel umfasst dies das Einlegen einer fertigen oder noch unfertigen Solarzelle 15, bspw. des Halbleiterwafers mit aufgebrachter Antireflexbeschichtung. Auf diese Solarzelle 15 wird eine Kunststofffolie 16 und auf diese Kunststofffolie 16 eine Glasscheibe 17 aufgelegt. Die Solarzelle 15 hat dabei typischerweise eine Dicke von etwa 150 bis 250 μm. Als Polymerfolie 16 kann beispielsweise eine EVA-Folie mit einer ähnlichen Dicke aufgelegt werden. Die Glasscheibe 17 hat eine Dicke von ca. 3 mm. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Metallauflage 3 des Probentisches 2 der Kammer, in der die auf der Metallauflage 3 liegende (in diesem Beispiel fertige) Solarzelle 15 durch die Glasscheibe und die Polymerfolie hindurch mit ihrer Metallisierung 18 erkennbar ist.
Die Oberseite der Kammer 1 wird dann geschlossen, wodurch der Metallstempel 7 mit seiner unteren metallischen Kontaktfläche auf die Glasscheibe 17 aufgedrückt wird. Anschließend kann die Kammer 1 über die Vakuumpumpe 12 evakuiert und wiederbelüftet werden, um Lufteinschlüsse zwischen Glas 17, Folie 16 und Solarzelle 15 auszutreiben. Anschließend erfolgt die Aufheizung des Schichtstapels mit der in die Metallauflage 3 integrierten Heizeinrichtung 4 auf die gewünschte Prüfungstemperatur, im vorliegenden Beispiel 85°C. Nach Erreichen der Prüfungstemperatur wird über die Hochspannungsversorgung 10 die gewünschte Spannung zwischen Metallstempel 7 und metallische Auflage 3 angelegt, beispielsweise eine Spannung von 1000 V. Gleichzeitig kann die kontinuierliche Aufzeichnung des Ionenstroms mit der Strommesseinrichtung 13 gestartet werden. Der Fortschritt der Degradation kann dabei in Echtzeit am Monitor 14 beobachtet werden. Die Hochspannung, die zwischen dem Metallstempel 7 als obere Elektrode und der geerdeten Metallauflage als untere Elektrode anliegt, verursacht im elektrischen Gleichfeld eine Drift von möglicherweise in dem Schichtstapel vorhandenen beweglichen Ladungsträgern.
Nach dem Ablauf des gewählten Prüfungszeitraums wird der Deckel der Kammer 1 geöffnet, wodurch der Metallstempel 7 von dem Schichtstapel abgehoben wird.
Der Schichtstapel wird aus der Kammer 1 entnommen und der Wafer bzw. die Solarzelle 15 von Folie 16 und Glas 17 abgelöst. Anschließend wird die Solarzelle 15 mit geeigneten bekannten Methoden hinsichtlich des Auftretens von PID charakterisiert.
Bezugszeichenliste

1: Kammer
2: Probentisch
3: Metallauflage
4: Heizeinrichtung
5: Temperaturregler
6: Temperatursensor
7: Metallstempel
8: Federmechanismus
9: Elektrische Isolierung
10: Gleichspannungs-/Hochspannungsversorgung
11: Ventil
12: Vakuumpumpe
13: Strommesseinrichtung
14: Computer-Monitor
15: Solarzelle/Halbleiterwafer
16: Polymerfolie
17: Glasscheibe
18: Metallisierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Koch et al., in: Proceedings 26th EU-PVSEC, Hamburg, Germany, 2011, Seiten 1726 bis 1731 [0003]
M. Schütze et al., in: Proceedings 26th EU-PVSEC, Hamburg, Germany, 2011, Seiten 3097–3102 [0004]
M. Schütze et al., in: Proceedings 26th EU-PVSEC, Hamburg, Germany, 2011, Seiten 3097–3102 [0014]

Claims

Verfahren zur Prüfung der Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation bei Komponenten von Solarmodulen mit Solarzellen, die einen Halbleiterkörper (15) mit einer darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht und eine oder mehrere Metallisierungen (18) zur elektrischen Kontaktierung aufweisen, bei dem – zumindest der Halbleiterkörper (15) der Solarzelle mit der darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht auf eine plane Metallauflage (3) aufgelegt wird, um einen vollflächigen elektrischen Kontakt des Halbleiterkörpers (15) mit der Metallauflage (3) zu erhalten, – entweder über der dielektrischen Schicht eine Polymerfolie (16) aufgelegt und ein Stempel (7) mit einer planen metallischen Kontaktfläche auf den Schichtstapel aus dem Halbleiterkörper (15), der dielektrischen Schicht und der Polymerfolie (16) sowie gegebenenfalls weiteren aufgebrachten Komponenten gedrückt oder aufgelegt wird, – oder ein Stempel (7) mit einer planen metallischen Kontaktfläche, auf die eine Polymerfolie (16) sowie gegebenenfalls weitere Komponenten aufgebracht sind, auf den Schichtstapel aus dem Halbleiterkörper (15) und die dielektrische Schicht gedrückt oder aufgelegt wird, – der Schichtstapel auf eine Prüfungstemperatur gebracht und über einen Prüfungszeitraum auf dieser Temperatur gehalten wird, – zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels (7) und der Metallauflage (3) über den Prüfungszeitraum kontinuierlich oder wiederholt eine elektrische Spannung angelegt wird, und – am Ende oder nach Ablauf des Prüfungszeitraums ein Maß einer potentialinduzierten Degradation des Halbleiterkörpers mit dielektrischer Schicht (15) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel über eine in die Metallauflage (3) integrierte Heizeinrichtung (4) auf die Prüfungstemperatur gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (7) so gewählt wird, dass seine plane metallische Kontaktfläche den Schichtstapel vollständig überdeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Polymerfolie (16) vor dem Aufdrücken des Stempels (7) eine optisch transparente Deckplatte (17), insbesondere eine Glasplatte, aufgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Prüfungszeitraums ein Stromfluss zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels (7) und der Metallauflage (3) gemessen wird und die Bestimmung des Maßes der potentialinduzierten Degradation anhand einer aus dem Stromfluss ermittelten insgesamt transportierten Ladung am Ende des Prüfungszeitraums erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Maßes der potentialinduzierten Degradation nach Abheben des Stempels (7) und Entfernen des Schichtstapels von der Metallauflage (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Prüfung einer vollständigen Solarzelle die Bestimmung des Maßes der potential-induzierten Degradation während des Prüfungszeitraums durch Messen des elektrischen Widerstands zwischen zwei Kontakten der Solarzelle erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels (7) und der Metallauflage (3) eine Gleichspannung zwischen 10 V und 10.000 V angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfungszeitraum im Bereich zwischen 5 Minuten und 4 Wochen gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfungstemperatur im Bereich zwischen 20°C und 200°C gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung in einer geschlossenen Kammer (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (1) nach der Fertigstellung des Schichtstapels und vor dem Beginn des Prüfungszeitraums zumindest teilweise evakuiert und anschließend wiederbelüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dass ein Wasserreservoir in der Kammer (1) bereitgestellt wird, um die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer (1) anzuheben.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die – einen Probenaufnahmetisch (2) mit einer planen Metallauflage (3) und einer integrierten regelbaren Heizeinrichtung (4–6), durch die die Metallauflage (3) auf eine vorgebbare Temperatur gebracht und bei dieser Temperatur gehalten werden kann, – einen über der Metallauflage (3) gehalterten Stempel (7) mit einer planen metallischen Kontaktfläche, die eine kleinere Fläche als die plane Metallauflage (3) aufweist und gegen die plane Metallauflage (3) gedrückt werden kann, und – eine Gleichspannungsquelle (10) aufweist, deren Pole mit der metallischen Kontaktfläche und der Metallauflage (3) verbunden sind, wobei die plane Metallauflage (3) eine Fläche von mindestens 20 × 20 cm² und die plane metallische Kontaktfläche eine Fläche von mindestens 2 × 2 cm² aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenaufnahmetisch (2) und der Stempel (7) in einer evakuierbaren Kammer (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung (13) zur Messung und/oder Aufzeichnung eines zwischen der metallischen Kontaktfläche des Stempels (7) und der planen Metallauflage (3) fließenden Stromes aufweist.