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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Chip-Befestigung einer Fotovoltaikzellenanordnung, insbesondere für die elektrische linieninterne Überwachung einer Qualität der Chip-Befestigung einer Konzentrator-Fotovoltaikzelle (CPV) während der Herstellung von Konzentrator-Fotovoltaikmodulen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist allgemein bekannt, dass eine niedrige Betriebstemperatur erforderlich ist, um die Effizienz und die Langzeitstabilität oder Lebensdauer von Fotovoltaikzellen zu erhöhen. Daher muss überschüssige Wärme, die in der Zelle durch Bestrahlung erzeugt wird, die nicht in elektrische Energie umgewandelt wird, abgeführt werden. Diese Abführung kann durch passive oder aktive Kühlmittel erfolgen, wobei eine aktive Kühlung beispielsweise durch dynamischen Kontakt mit einem Kühlfluid erreicht werden kann, und wobei eine passive Kühlung durch Befestigung der Zelle an einer Wärmesenke erreicht werden kann.
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Die Chip-Befestigung oder das Chip-Bonden ist der Prozess der Befestigung eines Halbleiter-Chips oder Plättchens an einem Substrat, einem Gehäuse oder einem weiteren Chip oder Plättchen. Für eine Fotovoltaikzellenanordnung entspricht dies insbesondere dem Prozess der Befestigung der Solarzelle an einer Wärmesenke, die für eine passive Kühlung verwendet werden kann, wie zuvor erwähnt ist. Es ist allgemein bekannt, dass diese Befestigung durch Löten, Schweißen, Verbinden durch Haftmittel, Sintern und dergleichen ausgeführt werden kann, und dass die Qualität der Befestigungsschicht, die durch jedes dieser Verfahren erreicht werden kann, für eine effiziente Übertragung von Abwärme von der Fotovoltaikzelle zu der Wärmesenke wichtig ist.
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Die Qualität der Chip-Befestigung ist daher ein entscheidender Parameter für die Bewertung von Fotovoltaikzellenanordnungen, insbesondere im Hinblick auf ein effizientes Ausscheiden fehlerhafter Fotovoltaikzellenanordnungen, d. h. von Anordnungen, für die die Chip-Befestigung bezüglich eines effizienten Transports von Wärme aus der Zelle zu der Wärmesenke fehlerhaft ist, vor dem Montieren von Fotovoltaikmodulen, die einen Rahmen und eine oder mehrere Fotovoltaikzellenanordnungen aufweisen. Dies ist noch wichtiger für Konzentrator-Fotovoltaikmodule mit entsprechenden Linsen zur Bündelung von Licht auf die Zellen, da diese Anordnungen teuer sind, und der Austausch einer fehlerhaften Fotovoltaikzellenanordnung darin ist aufwändig und kostenintensiv.
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Es ist allgemein bekannt, eine Prüfung des Wärmeübergangs anzuwenden, um die Chip-Befestigung einer LED an ihrem Montagesubstrat zu verifizieren. Derartige Verfahren nutzen vorteilhaft das lineare Verhalten des Temperaturkoeffizienten des zu prüfenden LED-Materials und die Tatsache aus, dass die thermische Masse der LED mehrere Größenordnungen kleiner ist als die des Montagesubstrats. Die Durchlassspannung der LED wird zunächst unter Anwendung eines geringen des Stromes mit geringer Heizwirkung gemessen, der klein gewählt wird, so dass im Wesentlichen eine nennenswerte Erwärmung in der LED-Einrichtung nicht hervorgerufen wird. Die LED wird dann einem kurzen nicht zerstörenden aufheizenden Strom unterworfen. Kurz nach dem Abschalten des Heizstromes wird der Messstrom erneut angelegt und die Durchlassspannung wird erneut gemessen und mit dem vor dem Heizimpuls gemessenen Wert verglichen. Die Differenz der Durchlassspannungen vor und nach dem Einprägen des Heizstromes und der Temperaturkoeffizient des LED-Materials werden dann verwendet, um den Temperaturanstieg der LED über die Montagesubstrattemperatur hinaus zu ermitteln. Eine zeitaufwändige Temperaturkalibrierung an den Messpunkten (die in Temperatur stabil sind) durch einen externen Temperatursensor ermöglicht die Kalibrierung derartiger Messungen auf Absolutwerte des Wärmewiderstands.
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Ein Verfahren zur Prüfung zur Bewertung eines bereits vollständig montierten Solarmoduls unter Betriebsbedingungen ist offenbart in Plesz, B. et al., 2011, (Bewertung von Solarzellen durch Prüfung des Wärmeübergangs, Veröffentlichung zum 17. internationalen Arbeitstreffen über thermische Untersuchungen an ICs und Systemen, THERMINIC 2011, vom 27. bis 29. September 2011 in Paris, Frankreich). Dieses Dokument offenbart insbesondere ein Verfahren zur Prüfung und Bewertung der Qualität der Chip-Befestigung in einem Konzentrator-Fotovoltaikmodul, das für die Qualitätssteuerung des vollständig montierten Moduls oder für die Prüfung des Moduls bei Betriebsbedingungen verwendet wird.
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Zudem, dass das Verfahren von Plesz, B. et al., 2011 nur an einem vollständig montierten Fotovoltaikmodul ausgeführt wird und dieses unter Betriebsbedingungen bewertet wird, insbesondere im Falle von Konzentrator-Fotovoltaikmodulen, erfordert das Verfahren die Messung von Absolutwerten des Wärmewiderstands Rth und somit eine temperaturempfindliche Kalibrierung, die unter dunklen Bedingungen ausgeführt werden muss, anders ausgedrückt, wenn das Solarmodul nicht bestrahlt wird. Insbesondere der Wert des Temperaturempfindlichkeitsparameters muss für für jedes zu prüfende Element kalibriert werden, um die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung der Diode zu messen. Das Verfahren verwendet ferner einen konstanten Sensorstrom, der der Diode eingeprägt wird, während die Werte der Durchlassspannung bei ausgewählten Temperaturempfindlichkeitspunkten gemessen werden.
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Daher ist das in Plesz, B. et al., 2011 offenbarte Verfahren, ebenso wie andere bekannte Verfahren zur Prüfung der Chip-Befestigung, zu zeitraubend und zu aufwändig, um in eine Fertigungstechnik, insbesondere vor der Montage der Fotovoltaikmodule, integriert werden. Anders ausgedrückt, dieses Prüfverfahren kann nicht als ein Teil des Fertigungsprozesses von Fotovoltaikzellenanordnungen integriert oder automatisiert werden und kann nur in einer späten Phase auf Basis einzelner Proben, beispielsweise für die Bauteilbewertung während des Betriebs der bereits vollständig montierten Fotovoltaikzellenanordnung eingerichtet werden.
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Daher ist das in Plesz, B. et al., 2011 offenbarte Verfahren nicht verwendbar, um die Montage vollständiger Fotovoltaikmodule, die eine oder mehrere fehlerhafte Fotovoltaikzellenanordnungen enthalten, zu verhindern.
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Anders ausgedrückt, es gibt einen großen Bedarf in der Fotovoltaik-Industrie für ein geeignetes Verfahren zur effizienten Überwachung der Chip-Befestigungsqualität in einer Fotovoltaikzellenanordnung. Insbesondere gibt es einen Bedarf für ein Verfahren zur linieninternen Überwachung, das ein sofortiges Ausscheiden von nicht-funktionsfähigen Fotovoltaikzellenanordnungen, insbesondere vor dem Transport zu den Montagelinien für das Montieren von Fotovoltaikmodulen, ermöglicht.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Prüfung der Chip-Befestigung einer Fotovoltaikzellenanordnung unter Berücksichtigung der zuvor genannten Probleme bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schnelles und zuverlässiges Prüfverfahren und folglich ein Verfahren bereitzustellen, das für eine linieninterne Prüfung und/Überwachung der Chip-Befestigung während des Herstellungsprozesses von Fotovoltaikzellenanordnungen verwendet werden kann, um fehlerhafte Anordnungen insbesondere vor dem Montieren von Fotovoltaikmodulen auszuscheiden.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren zur Prüfung der Chip-Befestigung einer Fotovoltaikzellenanordnung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und werden auch im Weiteren detailliert dargestellt.
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Die Erfindung nutzt vorteilhaft die bekannte Temperaturempfindlichkeit der Durchlassspannung aus, die an einer Fotovoltaikzelle gemessen werden kann, die im Wesentlichen eine Reihe von p-n-Übergängen ist, um die Chip-Befestigungsqualität einer montierten Fotovoltaikzelle mit Wärmesenke zu prüfen. Dadurch können eine unzureichende Haftung, Spalten oder Hohlräume, die zu einer nicht korrekten Anordnung oder Befestigung der Fotovoltaikzelle an der Wärmesenke führen, einfach erfasst werden.
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Insbesondere können die Spannung und damit der elektrische Widerstand der Fotovoltaikzellenanordnung während des Einprägens eines Stroms überwacht werden. Der Strom kann vorzugsweise ein hoher Durchlassstrom sein. Er kann vorzugsweise auch eine Strompuls oder eine Reihe aus Pulsen sein. Die Fotovoltaikzelle fungiert als ein elektrisches Widerstandselement und erwärmt sich während der Einprägung des Stromes rasch. Das Ausmaß der Erwärmung wird dann durch Messung der Spannung an der Fotovoltaikzelle während der Stromeinprägung aufgezeichnet.
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Die gemessene Spannung kann verwendet werden, um den elektrischen Widerstand der Fotovoltaikzellenanordnung zu ermitteln. In bevorzugten Ausführungsformen können die Spannungsmessungen und/oder die Ermittlung des elektrischen Widerstands unter Anwendung eines 2-Leiter-Erfassungsverfahrens ausgeführt werden. Für genauere Messungen wird ein 4-Leiter-Erfassungsverfahren bevorzugt. Eine typische Prüfanlage kann eine programmierbare DC-Leistungsversorgung mit geringem Rauschen, die in der Lage ist, ausreichend Strom zu liefern, und ein schnelles Spannungsmessgerät mit ausreichender Präzision und Geschwindigkeit umfassen.
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Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren für die Prüfung des Wärmeübergangs der Chip-Befestigung zwischen einer LED und einem Montagesubstrat verwendet das erfindungsgemäße Verfahren die Änderung der Durchlassspannung einer Fotovoltaikzelle während des Einprägens des Heizstroms. Daher wird der Verlauf der Durchlassspannung anstelle der Spannung vor und nach dem Anlegen eines heizenden Strompulses überwacht.
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Somit liefert in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Ausmaß des Spannungsabfalls während der Stromeinprägung ein direktes Maß für die Chip-Befestigung einer Fotovoltaikzellenanordnung, in anderen Worten, der Qualität der thermischen Grenzfläche zwischen der Fotovoltaikzelle und dem Basiselement der Anordnung, d. h. der Wärmesenke, wodurch unzureichend anhaftende Fotovoltaikzellenanordnungen erkannt und ausgesondert werden können.
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Wie ferner in bekannten Verfahren der Prüfung des Wärmeübergangs muss in dem erfindungsgemäßen Verfahren das zu prüfende Element (DUT) in der Lage sein, den heizenden Strom ohne Schädigung auszuhalten. Im Falle von montierten Fotovoltaikzellen muss die Fotovoltaikzelle in der Lage sein, hohe Stromwerte auszuhalten, da diese die Genauigkeit der Messungen verbessern.
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Des Weiteren verbessern längere Pulsdauern für einen eingeprägten Strompuls die Genauigkeit der Messungen noch weiter. Dennoch ist es wünschenswert, die Prüfungen so kurz wie möglich zu halten, obgleich sie ausreichend zuverlässig zur Erkennung fehlerhafter Fotovoltaikzellenanordnungen sind. Daher können Pulsdauern im Bereich von ungefähr 50 ms bis ungefähr 150 ms, vorzugsweise von ungefähr 80 ms bis ungefähr 100 ms, insbesondere ungefähr 90 ms, angewendet werden und diese haben sich als vorteilhaft erwiesen.
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Da die erfindungsgemäße elektrische Prüfung in einem sehr kurzen Zeitrahmen ausgeführt werden kann, kann sie nicht nur als Prüfung von Stichproben oder von Eigenschaften eingerichtet werden, sondern insbesondere auch als eine linieninterne Prüfung. Anders ausgedrückt, das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen Test bereit, der für alle hergestellten Bauelemente anwendbar ist, der unmittelbar nach der Montage in der Fertigungslinie für Fotovoltaikzellenanordnungen ausgeführt werden kann.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es keinen externen Temperatursensor erfordert. Tatsächlich fungiert die Fotovoltaikzelle selbst als ein Temperatursensor. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren zur Prüfung des Wärmeübergangs sind jedoch Messungen von Absolutwerten des thermischen Widerstand Rth für das erfindungsgemäße Verfahren nicht relevant. Daher wird keine Temperaturkalibrierung der Fotovoltaikzelle benötigt. Dies hat den Vorteil gegenüber zeitaufwändigen bekannten Verfahren für das Prüfen des Wärmeübergangs der Chip-Befestigung von Fotovoltaikzellen in vollständig montierten Fotovoltaikmodulen unter Betriebsbedingungen, dass das erfindungsgemäße Verfahren für die linieninterne Überwachung eingesetzt werden kann, da es vollständig den zeitaufwändigen Schritt der Temperaturkalibrierung vermeidet. Tatsächlich führen sogar sehr kurze Aufheizphasen zu einem zuverlässigen Detektieren.
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Da ferner das erfindungsgemäße Verfahren lediglich die Bewertung der relativen Änderung der an der Fotovoltaikzelle gemessenen Spannung erfordert, haben die unvermeidbaren Unterschiede zwischen einzelnen geprüften Bauelementen nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Messungen. Da ferner die Prüfung nur elektrisch ist, können die Messgenauigkeit und die Wiederholbarkeit bei gegebener geeigneter Prüfanlage sehr gut sein.
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Wenn die montierte Fotovoltaikzelle auch eine Bypass-Diode aufweist, kann die Chip-Befestigung der Diode in analoger Weise wie für die Fotovoltaikzelle geprüft werden.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren verwendet werden, um jegliche Arten von Chip-Befestigungen zu bewerten, beispielsweise die Chip-Befestigung, die durch Löten, Schweißen, Haftmittel-Bonden, Sintern und dergleichen ausgeführt wird.
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Anders ausgedrückt, das erfindungsgemäße Verfahren ist schneller und weniger aufwändig als bekannte Verfahren der Prüfung der Chip-Befestigung und folglich kann es in die Fertigungslinien für Fotovoltaikzellenanordnungen integriert werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, Fotovoltaikzellenanordnungen mit einer fehlerhaften Chip-Befestigung unmittelbar nach ihrem Zusammenbau auszusortieren und folglich deren nachfolgende Verwendung in Fotovoltaikmodulen zu verhindern. Folglich werden die Qualität und Zuverlässigkeit der montierten Fotovoltaikzellen, die am Ende der Fertigungslinie für die nachfolgende Verwendung in Fotovoltaikmodulen bereitgestellt werden, verbessert, wodurch die Qualität und Zuverlässigkeit der vollständigen montierten Fotovoltaikmodule ebenfalls verbessert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für die Erkennung von Fotovoltaikzellenanordnungen mit einer fehlerhaften Chip-Befestigung einsetzbar. Es kann auch verwendet werden, um den Fertigungsprozess generell zu verbessern, um einen geringeren Wärmewiderstand der montierten Fotovoltaikzellen zu erreichen. Die Verbesserung des Montageprozesses kann auch zu geringeren Prozessschwankungen führen. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren andere linieninterne elektrische Prüfungen, die mit anderen funktionalen Aspekten von Fotovoltaikzellen im Zusammenhang stehen, ergänzen, wodurch die Qualität der montierten Fotovoltaikzellen generell verbessert wird.
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Kurze Beschreibung von Zeichnungen
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Die Erfindung im Folgenden wird detailliert auf der Grundlage vorteilhafter Ausführungsformen beschrieben, die in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben sind:
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1 zeigt schematisch eine Blockansicht einer ersten anschaulichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 zeigt schematisch eine weitere Blockansicht einer zweiten anschaulichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 zeigt schematisch einen anschaulichen Aufbau, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird; und
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4 zeigt schematisch einen anschaulichen relativen Spannungsabfall, der für eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüfte Fotovoltaikzellenanordnung beobachtet wird.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch eine erste anschauliche Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Blockansicht. In einem ersten Schritt 100 wird eine zusammengebaute bzw. montierte Fotovoltaikzelle oder eine Fotovoltaikzellenanordnung zur Prüfung ihrer Chip-Befestigungsqualität bereitgestellt.
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In der ersten Ausführungsform umfasst die Fotovoltaikzellenanordnung eine Fotovoltaikzelle, die an einer Wärmesenke befestigt ist. In einer bevorzugten Variante könnte die Fotovoltaikzelle eine Konzentrator-Fotovoltaikzelle (CPV) sein. Die Befestigung der Zelle an der Wärmesenke könnte ferner mit üblichen Verfahren der Chip-Befestigung, etwa Löten, Schweißen, Haftmittel-Bonden, Sintern oder dergleichen ausgeführt worden sein. Zum Zwecke der Einfachheit halber umfasst die Fotovoltaikzellenanordnung der ersten Ausführungsform eine einzelne Fotovoltaikzelle. Es ist jedoch zu beachten, dass die Chip-Befestigungsqualität einer Fotovoltaikzellenanordnung, die mehr als eine einzelne Fotovoltaikzelle aufweist, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an diversen Zellen ebenfalls ausgeführt werden könnte, entweder durch Ausführung von Messungen an den einzelnen Zellen oder an mehreren Zellen, beispielsweise in einer Fotovoltaikzellenanordnung, die mehrere Zellen aufweist, die untereinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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In anderen Varianten kann die montierte Fotovoltaikzelle auch eine Bypass-Diode aufweisen, die elektrisch mit der einen oder den mehreren Fotovoltaikzellen verbunden und auch an der Wärmesenke befestigt ist. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch verwendet werden, um die Chip-Befestigungsqualität der Bypass-Diode einer montierten Fotovoltaikzelle in analoger Weise zu messen, wie dies nachfolgend für die Fotovoltaikzelle selbst beschrieben ist.
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In der ersten Ausführungsform wird in einem nachfolgenden Schritt 101 ein Strom in die zu prüfende Fotovoltaikzellenanordnung eingeprägt. Der Strom kann beispielsweise unter Anwendung einer programmierbaren DC-Leistungsversorgung mit geringem Rauschen oder dergleichen eingeprägt werden. Um die Prüfung so kurz wie möglich zu halten, insbesondere, wenn sie als eine linieninterne Prüfung eingerichtet ist, ist es bevorzugt, einen kurzen Strompuls einzuprägen. Daher variiert in der ersten Ausführungsform die Dauer des eingeprägten Strompulses von 50 ms bis 150 ms, vorzugsweise von 80 ms bis 100 ms, und kann insbesondere ungefähr 90 ms betragen. Generell wurde beobachtet, dass längere Zeitdauern die Genauigkeit der Messungen verbesserten, aber die gesamte Prüfzeit verlängerten. Obwohl daher die zuvor angegebenen Werte als vorteilhaft erkannt wurden und daher bevorzugt werden, ist es in Varianten der ersten Ausführungsform, beispielsweise bei Einrichtung der Prüfung außerhalb der Fertigungslinie, auch möglich, Strompulse mit längeren Zeitdauern einzuprägen.
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Der Strom kann auch vorzugsweise ein hoher Strom sein, um die Genauigkeit der Messungen weiter zu verbessern. Daher wird in der ersten Ausführungsform ein hoher Strompuls im Bereich von ungefähr 0,5 A bis ungefähr 8 A in die Fotovoltaikzellenanordnung eingeprägt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während der Stromeinprägung in einem im Wesentlichen parallelen Schritt 102 die Durchlassspannung an der Fotovoltaikzelle gemessen. Insbesondere wird die Durchlassspannung während der gesamten Dauer der Stromeinprägung gemessen. Somit wird in der ersten Ausführungsform die Spannung während der Dauer des hohen Durchlassstrompulses gemessen. Zu diesem Zweck kann ein schnelles Spannungsmessgerät mit ausreichender Genauigkeit und Geschwindigkeit verwendet werden, so dass Messungen kontinuierlich oder zumindest sehr rasch ausgeführt werden können, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Messung der Durchlassspannung über die Pulsdauer hinweg zu erzeugen. 3 zeigt einen anschaulichen instrumentellen Aufbau, der zur Ausführung des Verfahrens der ersten Ausführungsform anwendbar ist, und 4 zeigt ein Diagramm der Variation der Spannung an einer geprüften Fotovoltaikzelle über die gesamte Dauer eines Hochstrompulses hinweg und wird nachfolgend erläutert.
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Somit kann in der ersten Ausführungsform die Qualität der Chip-Befestigung 203 zwischen der Solarzelle 201 und der Wärmesenke 202 einer Fotovoltaikzellenanordnung 200 mit einem Aufbau ermittelt werden, wie er in 3 dargestellt ist, wobei eine Leistungsversorgung 205, vorzugsweise eine ferngesteuerte DC-Leistungsversorgung, und ein Spannungsmessgerät 204, vorzugsweise ein schnelles Spannungsmessgerät, verwendet werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es mit Bezug zu 1 und Schritt 101 in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, kann die Leistungsversorgung 205 verwendet werden, um einen Strom, vorzugsweise einen hohen Strom, noch bevorzugter einen hohen Strompuls, wie zuvor beschrieben ist, in die Fotovoltaikzellenanordnung 200 einzuprägen. Das Spannungsmessgerät 204 kann dann verwendet werden, um die Spannung an der Fotovoltaikzelle 201 zu messen, wie mit Bezug zu 1 und im Schritt 102 in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. In einer Variante, die auch in 3 dargestellt ist, ist es auch möglich, eine Steuerung und/oder einen Daten-Logger 206 zu verwenden.
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In der ersten Ausführungsform wird ein 4-Leiter-Erfassungsverfahren angewendet, um genaue Durchlassmesswerte an der Fotovoltaikzelle zu erhalten. Somit wird in einer Variante der ersten Ausführungsform ebenfalls eine 4-Leiter-Widerstandsmessung angewendet, wodurch der elektrische Widerstand der Fotovoltaikzelle ebenfalls ermittelt werden kann. Wenn alternativ eine geringere Genauigkeit akzeptabel ist, könnte auch ein 2-Leiter-Erfassungsverfahren oder Widerstandsmessung verwendet werden.
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In einem nachfolgenden Schritt 103 wird der relative Spannungsabfall über die Dauer des Strompulses hinweg ermittelt. Es ist beispielsweise möglich, den Datenlogger 206, der in 3 dargestellt ist, zur Speicherung der Daten im Verhältnis zu der Spannung zu verwenden und ein Diagramm der Art auszugeben, die in 4 dargestellt ist, wobei der relative Spannungsabfall über die Dauer der Stromeinprägung hinweg, insbesondere über die Dauer des, bevorzugt hohen, Strompulses gezeigt ist. Es ist daher möglich, die Chip-Befestigung der geprüften Fotovoltaikzellenanordnung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens rasch und effizient zu bewerten, da der relative Spannungsabfall direkt die Wärmeübergangseigenschaften der Grenzschicht zwischen der Fotovoltaikzelle und der darunter liegenden Wärmesenke wiedergibt.
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In der ersten Ausführungsform wird kein externer Temperatursensor benötigt. Ferner werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Messungen von Absolutwerten von thermischen Widerständen Rth benötigt. Daher ist eine spezielle Temperaturkalibrierung nicht erforderlich, was die Qualitätsprüfung der Chip-Befestigung beträchtlich vereinfacht im Vergleich zu Verfahren für den Wärmeübergang, die im Stand der Technik bekannt sind, die verwendet werden, um die Chip-Befestigung von Fotovoltaikzellenanordnungen in vollständig montierten Fotovoltaikmodulen bei Betriebsbedingungen zu bewerten.
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2 zeigt schematisch eine zweite anschauliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zum Zwecke der Einfachheit setzt die zweite Ausführungsform die erste Ausführungsform, die zuvor beschrieben ist, fort. Sie könnte jedoch auch mit einer beliebigen Variante der ersten Ausführungsform eingerichtet werden.
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Nach dem Schritt 103 zur Ermittelung der relativen Spannungsänderung an der Fotovoltaikzelle über die Dauer des hohen Pulsstromes hinweg, umfasst die zweite Ausführungsform einen weiteren Schritt 104 zum Vergleichen des relativen Spannungsabfalls mit einem vorbestimmten Wert, insbesondere einem Toleranzschwellwert, über welchem die Chip-Befestigung als fehlerhaft eingestuft wird. Dies könnte beispielsweise unter Anwendung von Daten erreicht werden, die von der Steuerung/Datenlogger 206 in dem in 3 dargestellten anschaulichen Aufbau ausgegeben werden.
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In einer speziellen Ausführungsform könnte der Strom größer als ein vorbestimmter Schwellwert gewählt werden, über welchem die Fotovoltaikzelle geschädigt würde, wenn kein ausreichender Wärmeaustausch auftritt. Dieser Schwellwert hängt von den Zelleneigenschaften ab und kann in einfacher Weise modelliert werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine Abtastung einer vollständigen Heizsequenz zwischen zwei Messpunkten. Daher ist es möglich, einen Strom über diesem Schwellwert der Verschlechterung zu wählen, um die zur Bewertung der Chip-Befestigungsqualität erforderliche Zeit weiter zu reduzieren. Die effiziente Kombination des Strom- und des Spannungsschwellwerts während einer graduell gesteuerten Messesequenz erlaubt die Verbesserung des Durchsatzes bei der Prüfung von Fotovoltaikzellenanordnungen.
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Wenn somit der ermittelte relative Spannungsabfall über dem akzeptierten Toleranzwert liegt, dann wird in einem nachfolgenden Schritt 105 die geprüfte Fotovoltaikzellenanordnung ausgeschieden, da sie eine fehlerhafte Chip-Befestigung hat. Ansonsten wird in einem nachfolgenden Schritt 106 diese als eine Fotovoltaikzellenanordnung beibehalten, die eine als zulässig bewertete Chip-Befestigung hat.
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In einer noch raueren Prüfumgebung könnte die Verschlechterung der Fotovoltaikzelle aufgrund dessen, dass überschüssige Wärme aufgrund einer geringeren Befestigungsqualität nicht abgegeben werden kann, genutzt werden, um ein oder mehrere Kriterien zum Ausscheiden derartiger Zellen zu definieren.
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In der zweiten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Prüfverfahren als eine elektrische linieninterne Prüfung ausgeführt, die in einer Fertigungslinie für das Montieren von Fotovoltaikzellen integriert ist. In einer Variante davon könnte sie als eine separate Prüfung außerhalb der Fertigungslinie, beispielsweise nur als ein Bewertungstest, eingerichtet sein. In einer Variante könnte sie stattdessen am Beginn der Fotovoltaikmodul-Montagelinie eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass zusammengebaute Module ausschließlich Fotovoltaikzellenanordnungen enthalten, die eine als zulässig bewertete Chip-Befestigung haben. In all diesen Varianten könnten der in 3 dargestellte anschauliche Aufbau oder Varianten davon eingesetzt werden.
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Wie zuvor erwähnt ist, ist 4 ein Diagramm, das einen anschaulichen relativen Spannungsabfall darstellt, der durch Überwachung der Durchlassspannung an der Fotovoltaikzelle einer geprüften Fotovoltaikzellenanordnung über die Dauer eines eingeprägten Stromes hinweg beispielsweise in der ersten oder der zweiten Ausführungsform unter Anwendung eines Aufbaus messbar ist, etwa der in 3 dargestellte anschauliche Aufbau. In diesem Beispiel wird ein Strompuls in eine montierte Fotovoltaikzelle, die insbesondere eine relativ kleine standardmäßige Dreifach-Übergang-Konzentrator-Solarzelle umfasst, bei einer Strompuls Startzeit t = 6 ms eingeprägt. Die Spannung V wird kontinuierlich an der Fotovoltaikzelle während der Dauer des eingeprägten Strompulses gemessen. Es wird eine Anfangsspannungsspitze bei Vmax = 3322 mV zu Beginn des Strompulses gemessen. In dem in 4 dargestellten Beispiel hat nach ungefähr 86 ms die Spannung progressiv auf einen Wert von Vmin = 3257 mV abgenommen, was einen relativen Spannungsabfall von ungefähr Vdrop = 1,96% über eine Pulsdauer von ungefähr 90 ms ergibt.
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In dem in 4 dargestellten Beispiel ermöglicht es der relative Spannungsabfall, eine zulässige Chip-Befestigung zu erkennen. Die geprüfte Fotovoltaikzellenanordnung wird daher als zulässig bewertet und wird daher unmittelbar nach dem Ergebnis der Prüfung behalten. Für relativ kleine standardmäßige Dreifach-Übergang-Konzentrator-Solarzellen kann daher ein Schwellwert für den relativen Spannungsabfall ungefähr 2% liegen. In weiteren Ausführungsformen können jedoch Schwellwerte für den relativen Spannungsabfall in Abhängigkeit von der Art und Größe der Zelle, dem Verfahren zur Chip-Befestigung, dem Montageprozess oder anderen Prüfparametern variieren.
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Wenn daher das erfindungsgemäße Prüfverfahren am Ende der Fertigungslinie für Fotovoltaikzellenanordnungen ausgeführt wird, beispielsweise gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform, ist es möglich, die Fotovoltaikzellenanordnung mit einer guten Chip-Befestigung unmittelbar auszuwählen (Schritt 106). Die guten Fotovoltaikzellenanordnungen können dann für die weitere Verwendung ausgewählt werden, insbesondere zur Verwendung in einem vollständig montierten Fotovoltaikmodul. Andererseits können Fotovoltaikzellenanordnungen mit einer fehlerhaften Chip-Befestigung unmittelbar erkannt und ausgeschieden werden (Schritt 105), so dass sie im Montageprozess für Fotovoltaikmodule nicht verwendet werden. Daher wird die Qualität der bereitgestellten Fotovoltaikzellenanordnungen am Ende der Fertigungslinie durch das erfindungsgemäße elektrische linieninterne Chip-Befestigungs-Prüfverfahren verbessert.
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In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen und den Varianten davon kann das erfindungsgemäße Verfahren getrennt von dem Herstellungsprozess eingerichtet werden. Beispielsweise kann das Verfahren verwendet werden, um die Chip-Befestigungsqualität von Fotovoltaikzellen, die an einen Hersteller/Monteur von Fotovoltaikmodulen ausgeliefert werden, vor dem Montieren der Module zu prüfen, um unzulässige Fotovoltaikzellenanordnungen auszusondern.
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In bevorzugten Varianten kann das erfindungsgemäße Verfahren als ein Teil des Herstellungsprozesses für Fotovoltaikzellen und damit als eine linieninterne Prüfung eingerichtet werden. Beispielsweise könnte das Verfahren verwendet werden, um sofort die guten Fotovoltaikzellenanordnungen von denen mit einer fehlerhaften Chip-Befestigung zu unterscheiden, sobald die Fotovoltaikzellen an entsprechenden Wärmesenken montiert sind. Je früher somit die Prüfung in den diversen Montageprozessen eingerichtet wird, umso früher ist es möglich, fehlerhafte Fotovoltaikzellenanordnungen auszusondern. Dies ist vorteilhaft für die Hersteller von Fotovoltaikzellen, die montierte Fotovoltaikzellen an außenstehende Parteien, etwa Modulhersteller liefern. Es ist auch vorteilhaft für einen Hersteller und Montagebetrieb, der die montierten Fotovoltaikzellen zu einer Modulmontagelinie weitersenden würde. In jedem Falle würden nur montierte Zellen mit guter Chip-Befestigungsqualität für die weitere Verwendung ausgewählt.
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Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Erkennung von Fotovoltaikzellenanordnungen mit einer fehlerhaften Chip-Befestigung anwendbar ist, sondern generell auch für die Verbesserung ihres Herstellungsprozesses, indem beispielsweise ein kleinerer thermische Widerstand für die montierten Fotovoltaikzellen erreicht wird, oder indem der Prozess verbessert wird, um Prozessschwankungen zu reduzieren. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung generell eine kurze Rückkopplungsschleife für Prozessoptimierungen. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren andere linieninterne elektrische Prüfungen, die mit weiteren funktionalen Aspekten von Fotovoltaikzellen im Zusammenhang stehen, ergänzen, wodurch die Qualität der montierten Fotovoltaikzellen generell verbessert wird.
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Aus dem Vorhergehenden ergibt sich auch, dass jede der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Varianten in Fertigungslinien für Fotovoltaikzellen und/oder in Montagelinien für Fotovoltaikmodule eingerichtet werden können. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren für die elektrische linieninterne Prüfung der Chip-Befestigungsqualität von montierten Fotovoltaikzellen am Ende der Fertigungslinie und/oder in frühen Phasen einer Modulmontagelinie verwendet werden.
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Es ist daher möglich, Fotovoltaikzellenanordnungen mit einer fehlerhaften Chip-Befestigung auszusondern und deren Verwendung in einer späteren Phase zu vermeiden. Folglich können die Qualität und Zuverlässigkeit der montierten Fotovoltaikzellen, die am Ende der Fertigungslinie ausgeliefert werden, im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden, wodurch die Qualität und Zuverlässigkeit von Endprodukten, etwa von den vollständig montierten Fotovoltaikmodulen, ebenfalls verbessert werden.
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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 Nicht-Patentliteratur
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- Plesz, B. et al., 2011, (Bewertung von Solarzellen durch Prüfung des Wärmeübergangs, Veröffentlichung zum 17. internationalen Arbeitstreffen über thermische Untersuchungen an ICs und Systemen, THERMINIC 2011, vom 27. bis 29. September 2011 in Paris, Frankreich) [0006]
- Plesz, B. et al., 2011 [0007]
- Plesz, B. et al., 2011 [0008]
- Plesz, B. et al., 2011 [0009]
