DE10339519A1

DE10339519A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung der Biegefestigkeit von Solarzellen

Info

Publication number: DE10339519A1
Application number: DE2003139519
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Westphal
Original assignee: Westphal Klaus-Dieter Drsctechn
Current assignee: Westphal Klaus-Dieter Drsctechn
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Biegefestigkeit von Solarzellen im Fertigungs-Prozess der Module. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Zellen mit rekombinations-wirksamen und festigkeits-mindernden Defekten, unzureichender mechanischer Festigkeit und von mechanischer Belastung abhängigen Leistungs-Kennwerten, ermittelt werden können. DOLLAR A Das neue Verfahren soll es ermöglichen, durch eine Zerstörung vermeidende, in dem Prozessfluss angeordnete schnelle Prüfung der Solarzellen - insbesondere nach mechanischen und thermischen Behandlungsschritten wie Stringen - die Qualität der Module zu sichern. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch die Messung von Impedanzänderungen, die bei Beaufschlagung der Zelle mit der im Prozess oder bei der Nutzung im Modul auftretenden Last erfolgen. DOLLAR A Die Prüfvorrichtung besteht aus einer Belastungs- und Kontakt-Anordnung mit einer Justier-Einrichtung für Zellen, Schwingungs-Erzeugern, Übertragern und akustischen Sensoren, einer Transport-Einrichtung für Zellen oder Strings, einem Abstandssensor, einer Belastungs-Einrichtung, einem Impedanz-Messgerät, dem Datenlogger, einem Steuergerät, einer Auswerte-Einrichtung und diversen Kabeln. DOLLAR A Die Ergebnisse der Prüfung dienen der Entscheidungsfindung über die Weiterverarbeitung der Zellen. DOLLAR A Die Anwendungsgebiete der Erfindung liegen vorwiegend in der Prozesskontrolle der Modulfertigung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Biegefestigkeit von Solarzellen im Fertigungsprozess der Module.
Es ist bekannt, dass die Art und Eigenschaften des Halbleiter-Materials sowie dessen Konzentration an rekombinations-wirksamen Defekten den Wirkungsgrad der Solarzellen beeinflussen.
Die Zellen werden im Herstellungs-Prozess der Module, beim Transport, Kontaktieren und Laminieren thermisch und mechanisch belastet. Eine weitere mechanische Belastung erfolgt bei Nutzung der einlaminierten Zellen durch Umwelt-Einflüsse wie Windlast, Eis, Schnee, Hagel und Temperatur-Schwankungen.
Die Zellen haben zufolge Schichtaufbau Eigenspannungen, denen verschiedene Belastungsfälle mit unterschiedlichen mechanischen und mechanisch-thermischen Betriebsbelastungen überlagert werden.
Die Biegefestigkeit der Zellen ist kein konstanter Materialkennwert. Sie wird auch durch die Beschaffenheit der Oberflächen beeinflusst. Neben strukturellen Fehlern führen mechanische Einwirkungen zu Kerben in der Oberfläche.
Bei Zugbeanspruchung entstehen am Grund der Kerben Spannungsspitzen, die – bei Überschreitung des Grenzwertes – zum Bruch führen. Für das Einsetzen des Risswachstums ist der Zusammenhang zwischen Rissausbreitungskraft, Risswiderstand und der Änderungsgeschwindigkeit des Spannungsintensitätsfaktors entscheidend.
Beanspruchungs-Zustände, bei denen der linear-elastische Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung verloren geht und das Materialverhalten zeitabhängig wird, führen zum Bruch der Zelle.
Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Wandlung von Strahlung in Strom zu erreichen, müssen die photo-generierten Ladungsträger den pn-Übergang nahe der Oberfläche der Zelle erreichen und zum Photostrom beitragen.
Zur Fertigung photovoltaischer Erzeugnisse werden deshalb Zellen verwendet, die keine Mängel in der Form und Struktur, der Biegefestigkeit, den Kontakten und der Leistungswandlung aufweisen.
Es ist weiterhin bekannt, dass die bruch-mechanischen und Leistungs-Kennwerte der Zellen mit unterschiedlichen Methoden geprüft werden können. Sie müssen vor dem Laminieren geprüft werden, da gebrochene oder kurzgeschlossene Zellen ein Ausschlusskriterium für die Verwendung der Module ist.
Zur Klassifizierung der Zellen werden die elektrischen Kenngrößen – Spannung, Strom und Widerstand – unter reproduzierbaren Standard-Bedingungen geprüft. Mängel in der Form und Struktur, wie fehlerhafte Abmessungen, Fehldrucke, Fehlfarben zufolge Abweichungen in den Filtereigenschaften, Löcher, Aus-, Ab-, und Durchbrüche werden mit optischen Verfahren – wie beispielsweise Bild-Analyse – ermittelt.
Die Bindungskräfte zwischen dem photovoltaischen Wandler Zelle und dessen Kontakt-Schichten werden mit Hilfe von Haftfestigkeits-Untersuchungen geprüft. Die bruch-mechanischen Kennwerte der Zellen sind – neben dem Wandlungs-Wirkungsgrad und der Haftfestigkeit der Kontakte – Hauptparameter.
Nach dem Stand der Technik werden Mängel im Makrogefüge von Halbleiter-Scheiben – wie Risse, Spalte und ähnliche Defekte – unter anderem mit zerstörungsfreien kristallographischen, thermographischen, thermo-mechanischen, bildanalytischen, spektrometrischen-, strahlungs-technischen, Zeitstands-, Schall-Emissions-, Dauerschwing- und Ultraschall-Verfahren untersucht.
Mit der DE 10 101 203 wird ein Verfahren zum Erfassen und Klassifizieren von Kratzern auf Halbleiter-Wafern dargestellt. Auf dem Wafer wird ein Koordinaten-System definiert und die Verteilung der Fehlerzellen ermittelt. Aus der Verteilung der Fehlerzellen ergibt sich die Art der Schädigung.
Mit einem Wafer-Inspektionssystem auf der Basis der Streustrahlungs-Teilchenmessung, das eine Vielzahl von Dunkelfeld-Detektoren enthält, werden nach DE 100 48 432 Defektstellen an Wafern ermittelt.
Kratzer als Riss-Ausgang werden an monokristallinem Halbleitermaterial nach DE 198 40 197 mit der strutur-analytischen Methode μ-Ramanspektroskopie ermittelt.
Eine Kombination von Photolumineszenz-Heterodyn-Spektroskopie und photo-thermischer Heterodyn-Spektroskopie mit anderen Verfahren werden in DE 198 27 202 und DE 199 51 774 dargestellt.
Nachteilig – speziell bei spektrometrischen Verfahren – ist der hohe geräte-technische Aufwand.
In DE 198 22 360 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren dargestellt, mit dem die energetische Lage und Breite von Defekten durch Messung der Bandverbiegung in Abhängigkeit von der Lichtintensität und/oder Temperatur ermittelt wird.
Die elektrischen Materialeigenschaften von Halbleitern – speziell die Ladungsträgerbeweglichkeit – werden nach einem Vorschlag in DE 100 61 106 als verlustbehaftetes Dielektrikum im Feldbereich einer kapazitiven Sonde und unter Einwirkung eines Magnetfeldes geprüft.
Das Halbleitermaterial wird in DE 199 41 135 zur Detektion von Rissen einem Hochfrequenz-Magnetfeld ausgesetzt und der Wirbelstrom im Halbleiter kontaktlos ausgelesen. Die Ladungsträger werden mit Licht erzeugt.
Materialdefekte und Kurzschlüsse werden in vorgespannten Solarmodulen auch durch die Auswertung eines mit Infrarot-Kamera erfassten Wärmebildes orts-aufgelöst dargestellt.
Zur ortsaufgelösten Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Materialien wird das Halbleiter-Material nach DE 199 15 051 einer flächigen Infrarot-Bestrahlung ausgesetzt. Mit einer zwei-dimensionalen Infrarot-Detektoranordnung wird die Wechselwirkung der Strahlung mit den freien Ladungsträgern aufgezeichnet.
Schädigungen einer Halbleiterscheibe werden in DE 39 05 798 aus der Wechselwirkung von Plasma- und Temperatur-Wellen mit der Scheibe ermittelt.
Kristallrisse in Leistungs-Halbleitern werden mit Hilfe mehrerer Lastimpulse nach DE 197 23 080 festgestellt, indem die Änderung der thermischen Widerstände ausgewertet wird.
In DE 101 51 127 wird das Vorhandensein von Defekten zwischen den Leitungspfaden aus dem Kontrast – der mittels Sekundärelektronenemission erzeugt worden ist – ermittelt.
Nach DE 100 41 118 wird die Wafer-Oberfläche mit Licht unter einem vorgegebenen Einfallswinkel abgerastert und das unter einem vorgegebenen Winkel reflektierte Licht zur Signalerzeugung für die Mikrokratzer-Detektion verwendet.
Die kristallographische Orientierung von Einkristall- bzw. Kristallit-Oberflächen und deren Verzerrungen können nach DE 197 25 535 aus dem drehwinkel-abhängigen Rückstreulicht ermittelt werden.
Bei dem in DE 100 27 780 offenbarten Verfahren wird ein Laserstrahl – mit größerer Energie als der Bandabstand des Halbleiters – schräg auf den Halbleiter-Wafer gestrahlt und die von Defekten verursachten Streustrahlen mit einer Bildaufnahme-Einrichtung erfasst. Die Defekttiefe wird mit Hilfe von Temperatur-Variationen ermittelt.
Durch Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse können nach DE 199 48 382 Oberflächenkonzentrationen verschiedener Fremdatome ortsaufgelöst detektiert werden.
Nach DE 100 00 362 werden strukturierte Substrate mit einem Ladungsteilchenstrahl bei feststehender Strahloptik-Säule gerastert und die erfassten Bilder mit einer Referenz zur Defektanalyse verglichen.
Mit diesen Verfahren werden eine Vielzahl Defekte erfasst, sie sind aber nur einschränkt zur Bestimmung der bruch-mechanischen Eigenschaften von Solarzellen unter Fertigungs-Bedingungen geeignet.
Bei Schwing-Untersuchungen werden die mechanischen Werkstoff- und Bauteil-Kennwerte unter schwellender oder wechselnder Zug-, Biege- oder Torsions-Beanspruchung ermittelt. Durch Darstellung der Spannungsausschläge über dem Logarithmus der Lastspielzahl wird die Zeit- und Dauer-Festigkeit beschrieben.
Zu diesen Prüf-Methoden gehört unter anderem das „Twisten", bei dem das Entstehen von Geräuschen bei einer Torsionsbelastung der Zelle um die Diagonale als Ausschlusskriterium für die weitere Verwendung gilt.
Es ist im wesentlichen ein zerstörendes Verfahren, weil die Art und Größe der dabei aufgewendeten Belastungen während der Betriebslebensdauer der Zellen nicht auftreten.
Mit einem Biegemoment-Sensor nach DE 101 35 686 , bei dem dehnungs-empfindliche Widerstände auf dem zu untersuchenden Bauteil in einer Brückenschaltung angeordnet sind, kann das vom Biegemoment abhängige Ausgangssignal gemessen werden.
Im bisher bekannten Stand der Technik – wie beispielsweise der DE 199 14 115 – wird ein Bildverarbeitungs-System zur Bestimmung der prozess- und strukturbedingten mechanischen Spannungen vorgestellt. Bei der Klassenbildung werden neben den Kennwerten der Bildanalyse die Kennwerte der mechanischen Spannungen, der Leistung, der akustischen Eigenfrequenz sowie die morphologischen Kennwerte Ausbruch, Loch, Spalt, Riss und Kontaktstrukturabweichung verwendet.
Mit einem Musterfehler-Kontrollsystem nach DE 198 22 724 werden von einer Bildaufnahme-Einrichtung erfasste Bilder einer Korrelations-Schaltung zugeführt. Eine Differenzschaltung vergleicht die erfassten Bilder mit Referenzbildern eines Speichers und ermittelt die Fehler.
In DE 101 31 665 wird der Rand eines Halbleiter-Wafers mittels einer drehbaren Haltevorrichtung vor einer Videokamera bewegt und die Beschädigungen durch Bildverarbeitung festgestellt.
Diese bild-verarbeitenden Verfahren setzen ein Echtzeiterkennungssystem mit einer Vergleichseinrichtung und Trainingssystem mit einer großen Datenbasis aus Beispielen voraus, welche vergleichbare Mängel haben.
Zum Herstellen lösbarer elektrischer Kontakte mit Kontaktflächen werden in DE 199 45 176 Federkontakte in einem vorbestimmten Raster angeordnet. Ein Kontaktstift ist als Signalleiter so geschaltet und im Umfang ausgebildet, dass sich zu wenigstens einem Kontaktstift als Masseleiter, ein vorbestimmter Wellewiderstand ergibt.
In DE 102 33 855 werden die Mittelwerte sowie die Klassenweiten der Spannungen, Ströme und Impedanzen der Zellen und Strings dieser Zweige in einem Trainingsprozess ermittelt und als Datenbasis für die automatische Vergleichs- und Sortier-Einrichtung mit einem Echtzeiterkennungssystems verwendet.
In DE 101 12 933 wird die nieder-frequente Flankensteilheit der Resonanzkurve eines als Leitungsdiskontinuität geschalteten Energie-Erzeugungssystems ermittelt.
Bei der Klassenbildung werden neben den Flankensteilheiten der Resonanzkurven auch die Kennwerte der Struktur und Art des Systems sowie die unter Standardbedingungen gemessenen Stromstärken und Spannungen verwendet.
Beide Verfahren können verwendet werden, um die Wirkung einer Biege-Beanspruchung auf die Kennwerte zu untersuchen.
Es existieren verschiedene genormte Verfahren und Anordnungen zur Prüfung der Biegefestigkeit, wie die Doppelring-Biege-Anordnung für Glastafeln nach DIN 52292.
In DE 197 29 438 ist ein Gerät zur diskontinuierlichen Bestimmung des E-Moduls dargestellt. Die Prüfkörper werden zwischen zwei drehbar gelagerten Einspann-Vorrichtungen angeordnet. Dieses Verfahren ist zufolge der Einspann-Anordnung für die kontinuierliche Zellenprüfung wenig geeignet.
Für die zerstörungsfreie Prüfung von Platten in Prozess-Straßen wird in DE 43 21 386 eine Anordnung vorgeschlagen, bei der das Erzeugnis zwischen den Transport-Rollen belastet wird und dabei die Durchbiegung bei konstanter Kraft bzw. die aufzuwendende Kraft für eine konstante Durchbiegung gemessen wird. Diese Anordnung setzt geeignet lange Prüfkörper voraus.
Die 4-Punkte-Biegewechselspannungs-Prüfvorrichtung für Leiterplatten nach DE 41 04 822 besteht aus zwei in gleicher Richtung beweglichen Drehgelenken, die sich zwischen zwei verschiebbaren feststehenden Drehgelenken befinden. Die Drehgelenke werden jeweils aus einem Rollenpaar gebildet.
Diese Anordnung ist für Zellen zufolge der erforderlichen spiel- und zugspannungsfreien Probeneinspannung weniger geeignet.
Ein Nachteil von bekannten Verfahren besteht darin, dass die leistungs-relevanten – von der Biegefestigkeit abhängenden – Eigenschaften der Zelle nicht unter den tatsächlich auftretenden Einwirkungen kostengünstig ermittelt werden können.
Ein weiterer Nachteil von bekannten technischen Lösungen besteht darin, dass die Zellen – zur Prüfung der prozess-, handhabungs- und nutzungs-bedingten Biegefestigkeit und Leistungsfähigkeit – dem Prozess entnommen werden müssen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die Zuverlässigkeit der Photovoltaik-Module während der Betriebslebensdauer auch durch die prozess-, handhabungs- und nutzungs-bedingte Biegefestigkeit der Zellen bestimmt wird. Die bruchmechanischen Kennwerte werden durch die Prozesse und ihre Einwirkungen auf die Solarzellen vor dem Laminieren verändert. Diese Werte sind deshalb keine konstanten Material-Kennwerte.

Dieser Mangel beeinflusst den Photovoltaik-Anlagenbetrieb ganz wesentlich, da Zellbrüche infolge Überschreitung des kritischen Spannungs-Intensitätsfaktors während des Betriebes zu einer wesentlichen Leistungsminderung führen. Mangelhafte Bruchfestigkeit stellt ein Risiko für die Anlagenverfügbarkeit dar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Zellen mit rekombinations-wirksamen und festigkeits-mindernden Defekten, unzureichender mechanischer Festigkeit und von mechanischer Belastung abhängigen Leistungs-Kennwerten, ermittelt werden können.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass die Biegefestigkeit der Zellen vor dem Einbau in Module – während der Taktzeit der Fertigung im laufenden Prozess – mit einer Last in der Art und Größenordnung, wie sie während der Betriebslebensdauer der Zelle auftritt – geprüft wird, um ungeeignete Zellen von der weiteren Verarbeitung auszuschließen.

Die genannten Aufgabe werden durch die Merkmale des Verfahrensanspruches 1 und die Merkmale des Vorrichtungsanspruches 2 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die in den Patentansprüchen angegebene Lösung der Probleme betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei dem die Impedanz-Änderung von bruchmechanisch beanspruchten Solarzellen ein Kennwert für deren Zuverlässigkeit während der Beanspruchungen in der vorgesehenen Betriebslebensdauer ist.

Die Zelle ist während der Impedanzmessung verdunkelt.

Vorzugsweise wird als Näherung angenommen, dass durch eine Impedanzmessung bei Hochfrequenz mit Leistungen im Bereich mW die Diodenkennlinie nur minimal ausgesteuert wird. Da alle Zellen bei der gleichen Frequenz und Leistung gemessen werden, sind die Messwerte vergleichbar.

Das anmeldegemäße Verfahren und die Vorrichtung sollen es ermöglichen, durch eine Zerstörung vermeidende, in dem Prozessfluss angeordnete schnelle Prüfung der Solarzellen – insbesondere nach mechanischen und thermischen Behandlungs-Schritten wie dem Stringen – die Qualität der Module zu sichern.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt vorwiegend bei der Prozess-Kontrolle, der Verringerung der Fertigungs-Kosten photovoltaischer Erzeugnisse sowie der Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Qualität von Solarenergie erzeugenden Systemen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Zellen vor dem Einbau in ein Modul mit den während der Modul-Fertigung und Betriebslebensdauer tatsächlich auftretenden Lasten beaufschlagt werden. Die gemessene Impedanz ist ein Haupt-Kennwert der Zelle.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Prüfanordnung kostengünstig in den Fertigungsprozess integriert und die Prüfung ohne Unterbrechung des Fertigungs-Ablaufes durchgeführt werden kann.

Ein Vorteil in der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass Mängel in der Biegefestigkeit der Zellen durch die Ermittlung von einfach zu ermittelnden Impedanz-Änderungen erfasst werden. Den Impedanz-Änderungen werden durch Lastwechsel bedingte material-abhängige Biege-Spannungen zugeordnet.

Die Nachweisgrenze der Defekte wird durch den Zusammenhang zwischen der Impedanz-Änderung und der Belastungs-Änderung bestimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Mess-Ungenauigkeit durch eine geringe Anzahl von Einflussgrößen – Temperatur, Messwertwandlung und Anstiegszeiten der Belastungen – klein gehalten werden kann.

Die Änderung des ohmschen Widerstandes liegt – in Abhängigkeit von der Art der Zellen-Schädigung – in der Größenordnung einiger Prozent. Sie kann auch von beispielsweise 77 Ω – gemessen vor der Belastung – auf 7 Ω bei Belastung abfallen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigen
1 Schnitt durch die Anordnung der Zellen im Laminat eines Moduls
2 Draufsicht auf einen Ausschnitt der Anordnung von Zellen im Laminat
3 Einzelheit Schnitt durch die Anordnung der Zelle vor dem Laminieren
4 Schnitt durch ein Stück polykristalline Zelle
5 Schnitt durch ein Stück belastete polykristalline Zelle
6 Zelle in der Ansicht von drei Seiten
7 Das vereinfachte Ersatzschaltbild für eine Zelle
8 Schaltelemente einer Elementar-Zelle
9 Zusammenschaltung der Elementar-Zellen einer Zelle
10 Wirkung einer Kraft auf eine Zelle im Ersatzschaltbild
11 Schnitt durch die Vorrichtung zur Prüfung der Biegefestigkeit von Solarzellen
12 Draufsicht auf die Ebene AB der Prüfanordnung
13 Prüf-Anordnung während der Krafteinwirkung
14 Anordnung zur Messung der belastungs-abhängigen effektiven Zellen-Impedanz
1 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung der Zellen 1 im Laminat 2 eines Moduls 3. Die Zelle 1 ist zwischen den Folien 4 und 5 aus Ethylenvinylacetatcopolymer (EVA) eingeschmolzen. Die lichtempfindliche Seite der Zelle 1 ist durch die Folie 4 mit dem Deckglas 6 luftdicht verbunden.
Die Rückseite der Zelle 1 ist durch die Folie 5 mit der Rückseitenfolie 7 aus Tedlar luftdicht verbunden. Die Bandleiter 8 sind auf beiden Seiten der Zelle 1 kontaktiert sowie durch die Folien 4 und 5 gegen das Deckglas 6 und die Rückseitenfolie 7 isoliert.
Die Zelle 1 hat die Breite b, die Länge l und die Dicke d.
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Anordnung von Zellen 1 im Laminat 2 des Moduls 3.
3 zeigt die Einzelheit Schnitt durch die Anordnung der Zelle 1 vor dem Laminieren. Beim Laminieren werden die luftgefüllten Räume 9 zwischen dem Deckglas 6, den Folien 4 und 5, der Zelle 1, Rückseitenfolie 7 und der Laminator-Matte 10 evakuiert. Der Druck 11 auf die evakuierte Anordnung entspricht dem Luftdruck. Die Zelle 1 mit den Bandleitern 8 wird von der Laminator-Matte 10 gegen die auf dem Deckglas 6 aufliegende Folie 4 gedrückt und dabei außerhalb der Bandleiter 8 einer Biegebeanspruchung ausgesetzt.
4 zeigt den Schnitt durch ein Stück polykristalline Zelle 1.
Zum großen Teil wird zur Herstellung von Solarzellen 1 blockgegossenes multikristallines Silizium verwendet. Infolge des Herstellungs-Prozesses hat es Strukturdefekte 12. Der Verlauf der Kristallisation und die Spannungen werden u. a. vom Temperaturgradienten in der Kokille bestimmt.
Die Erstarrungsfront folgt bei der Kristallisation dem Temperaturgradienten. Die Korngrenzen 13 des block-gegossenen Materials verlaufen deshalb nahezu senkrecht zur Flüssig-Fest-Grenze. Die Kristallite 15 wachsen anfangs von den Wänden in das Innere des Blocks, um dann eine kolumnare, senkrecht zum Boden verlaufende Struktur zu bilden. Mit abnehmender Wachstumsgeschwindigkeit entstehen größere Kristallite 15. Die einzelnen – in 4 mit Kleinbuchstaben versehenen – Kristallite 15 sind in einer erstarrten Restschmelze 16 eingebettet.
Die einzelnen Kristallite 15 sind im Gefüge des Ausgangsblockes mit ihren Achsen 14 ungeordnet gelagert. Die aus dem Ausgangsblockes gesägten Silizium-Scheiben werden zu Wafern 17 verarbeitet. Dabei werden die Kristallite 15 mit ihren Korngrenzen 13 in verschiedenen Achsenrichtungen 14 durchgeschnitten. Die Korndurchmesser der Kristallite 15 liegen zwischen mehreren Zentimetern und weniger als einem Millimeter. Kristallite 15 und Kristalle 18 sind anisotrop.
Die Orientierung der Kristallite 15 und die geometrische Struktur von deren Korngrenzen 13 haben Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Zelle 1. Die Struktur von Großwinkel-Korngrenzen 13 ist der von Versetzungskernen ähnlich. Die Korngrenzen 13 der Kristallite 15 haben eine Getterwirkung. An ihnen sammeln sich Verunreinigungen 19 (Fremdatome). Die Konzentration von Atomen 19 verschiedener Elemente hat unterschiedlichen Einfluss auf die Lebensdauer der generierten Ladungsträger 20 und damit auf die Impedanz 21 parallel zur Korngrenze 13.
Beispielsweise sind die Elastizitätsmoduln sowie die Leitfähigkeit von Wärme und Elektrizität in verschiedenen Achsenrichtungen der Kristalle 18 unterschiedlich.
5 zeigt den Schnitt durch das Stück polykristalline Zelle 1 aus 4 während einer Biegebeanspruchung. Wirkt auf einen Kristall 18 ein Druck 11, so wird er verformt.
Bei einer elastischen Deformation 22 stellt sich nach dem Ende der Einwirkung einer Kraft 23 der ursprüngliche Zustand wieder ein. Die Elastizitätsmoduln sind bei Kristalliten 15 und Kristallen 18 von der Richtung und den Partikelabständen im Gitter abhängig.
Die dynamische Bruchzähigkeit der Zelle 1 ist eine Funktion der Änderungs-Geschwindigkeit des Spannungsintensitätsfaktors.
Aus der Größe der Deformation 22 der Zelle 1 als Funktion der Biegewechsel-Beanspruchung durch die Kraft 23 können die kritische Mindestspannung 24 sowie die bruchmechanischen Kennwerte der Zelle 1 ermittelt werden.
Bei einer plastischen Deformation 22 bleiben die Formänderungen auch nach dem Ende der deformierenden Einwirkungen 23 zufolge Gleitung bestehen. Wesentliche Elementarprozesse sind dabei die mechanische Translation und die mechanische Zwillingsbildung. Zur Auslösung einer merkbaren Gleitung ist das Überschreiten der kritischen Mindestspannung 24 erforderlich.
Die Wirkungen sind vom Gitterbau abhängig. Die Kristallpartien werden in Richtung der Zonenachsen verschoben.
Eine weitere Voraussetzung für Gleitprozesse sind Versetzungen 25 – wie verzerrte Atomabstände.
Unter Einwirkung von Kräften 23 wandern die Versetzungen 25 längs einer Versetzungslinie durch den Kristall 18 und deformieren ihn.
Ist das Umformungsvermögen erschöpft, führt eine weitere Krafteinwirkung 23 zum Bruch, der zum Riss 26 im Kristallit 15 führt. Riss-Starter ist ein Defekt an der Zugseite der Zelle 1.
Wenn die gegenseitigen Anziehungskräfte zwischen den Korngrenzen 13 größer als die zwischen den Gitterebenen des Kristallits 15 sind, brechen die Kristallite 15 auseinander.
Der Kristallit b ist in zwei Teile (b1 und b2) mit dem Riss 26 dazwischen zerbrochen. Bei einer Kristallfestigkeit, die größer als die Kohäsion zwischen den Korngrenzen 13 ist, erfolgt der Bruch zwischen den Kristalliten 15 und führt zum Spalt 27, z. B. zwischen Kristallit b und c sowie d und e.
Diese Art Bruch 27 tritt auch bei langsamer Umformung auf.
6 zeigt eine Zelle in der Ansicht von drei Seiten.
Auf die Busse 28 der Zelle 1 sind die Bandleiter 8 aufkontaktiert. Die Punkt-Paare A und B sowie X und Y bezeichnen die Klemmenpaare 29 der Ersatzschaltbilder in 7 und 8.
7 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild für eine Zelle 1. Es besteht aus Parallel-Impedanzen (Z_PVW) 21 und Serien-Impedanzen (Z_SAV, Z_SVX) 30, die beispielsweise als Vierpol mit den Toren A-B und X-Y dargestellt werden können.
8 zeigt die Schaltelemente einer Elementar-Zelle 31, die beispielsweise einen Kristallit 15 charakterisiert. Sie hat eine Parallel-Impedanz 21 und Serien-Impedanzen 30. Die Strahlungsquelle 32 wirkt auf den photo-voltaischen Wandler (D) 33. Alle anderen Schaltelemente (wie Induktivitäten L, Kapazitäten C und Wirkwiderstände R) bilden als verlustbehaftete Resonanzkreise die Impedanzen 21 und 30. Die Elementar-Zellen 31 nach 8 sind nach dem in 9 dargestellten Ersatzschaltbild in einer Zelle zusammengeschaltet.
Wirkt eine Kraft 23 auf die Zelle 1, so wird diese deformiert. Mit dieser Deformation 22 werden die Elementarzellen 31 sowie die Zusammenschaltung der Ersatzschalt-Elemente 21 und 30 verändert. Beispielsweise kann der Wirkwiderstand R_P der Parallel-Impedanz 21 dadurch soweit verringert werden, dass eine Elementarzelle 31 kurzgeschlossen wird. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der Leerlaufspannung über der Zelle 1.
9 zeigt die Zusammenschaltung der Elementar-Zellen 31 in einer Zelle 1. Das Ersatzschaltbild der Zelle 1 setzt sich aus den Parallel-Impedanzen (Z_P1 bis Z_Pn) 21 und den Serien-Impedanzen (Z_S1 bis Z_Sn) 30 zusammen.
10 stellt die Wirkung einer Kraft 23 auf eine Zelle 1 im Ersatzschaltbild dar.
In der laufenden Fertigung und während der Betriebslebensdauer im Modul 3 werden die Kristallite 15 der Zellen 1 durch Kräfte 23 Biegewechsel-Beanspruchungen ausgesetzt.
Diesen Lastspielen werden Dichte-Schwingungen überlagert. Diese Kräfte und Schwingungen modulieren die Abstände zwischen den Kristalliten 15 der Zellen 1 beziehungsweise in den Gittern der Kristallite 15.
Auf die Eigenschaften der Zelle 1 haben diese Kräfte 23 Einfluss, wenn sie deren kritische Mindest-Spannung 24 übertreffen und zum Bruch führen und/oder die Konzentration an rekombinations-wirksamen Defekten vergrößern und damit der Wirkungsgrad verringert wird.
Im Ersatzschaltbild wird die Wirkung der Kräfte 23 mit zusätzlichen Parallel-Impedanzen (Z_Pzus) 34 und Serien-Impedanzen (Z_Szus) 35 beschrieben. Die effektive Zellen-Impedanz (Z_Z,eff) 36 wird um (ΔZ_Z,eff) 37 verringert, wenn die Zusatz-Impedanz 34 der Parallel-Impedanz 21 zugeschaltet wird. Die effektive Zellen-Impedanz (Z_z,eff) 36 beschreibt die in der unbeleuchteten Zelle wirksamen Verlust-Mechanismen. Sie entspricht der Impedanz zwischen den Toren A-B und X-Y in den 7, 9 und 10.
Mit der Ermittlung der Impedanz-Änderung 37 als Funktion der in der Praxis maximal auftretenden Größe, Änderungs-Geschwindigkeit und Richtung der Kraft 23 wird die Eignung der Zelle 1 für den vorgesehenen Einsatzfall geprüft. Außerdem können mit dieser Methode Mängel in der Biegefestigkeit der Zellen 1 ermittelt werden, welche zu Brüchen 26 bzw 27 bei den Handhabungs-, Transport- und Nutzungs-Prozessen führen.
In 11 ist die Vorrichtung zur Prüfung der Biegefestigkeit von Solarzellen dargestellt, mit deren Hilfe die Eignung der Zellen 1 für den Verwendungsfall ermittelt wird. Die Zelle 1 wird in der Vorrichtung schwellend be- und entlastet.
Die Zelle 1 ist auf der Grundplatte 38 der Mess-Anordnung angeordnet. Die Grundplatte 38 hat mehrere Schlitze 39 für die Führung und eine Hubweg-Begrenzung der Belastungs-Leisten 40.
Die Leisten 40 sind auf einer Platte 41 montiert, von der sie schwellend mit geringer Geschwindigkeit gegen die Grundplatte 38 gedrückt und zurück-gezogen werden. Die Zelle 1 hat die Breite b, die Länge l und die Dicke d. Mit den aufkontaktierten Bandleitern 8 hat die Zelle die 1 Dicke h. Der Abstand der Busse 28 voneinander sei c. Der Abstand e der Mitte der Leisten 40 auf der Grundplatte 38 von den Mittellinie der Bandleiter 8 oder Bussen 28 beträgt beispielsweise e = c/4
Der Querschnitt der Leisten 40 hat an der Oberseite die Form eines Kreis-Abschnittes.
Der Abstand der Grundplatte 38 von der Unterkante des Mess-Leiters 42 ist f. f = h
Die Länge m der Schlitze 39 ist einige mm größer als die Länge l der Zelle 1. m = l + Δl
Die Belastungs-Leisten 40 haben an der zur Belastung der Zelle 1 vorgesehenen Seite vorzugsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt.
Die Grundplatte 38 sowie die Platte 40 sind mit dem Masse-Anschluss 45 des Impedanz-Messgerätes 43 elektrisch leitend verbunden.
Oberhalb der Zelle 1 sind die Mess-Leiter 42 für die Kontaktierung der Busse 28 oder Bandleiter 8 in einem Dielektrikum 44 angeordnet.
Die auf Masse-Potential liegende Rückseiten-Metallisierung 46 der Zellen 1 mit den Bandleitern 8 und den Belastungs-Leisten 40 bilden zusammen mit der metallischen Deck-Platte 47 des Dielektrikums 44 den auf Masse-Potential liegenden Außenleiter 48 der Mess-Anordnung. Der Innenleiter 42 ist in das Dielektrikum 44 und die Luft zwischen den Bandleitern 8 eingeordnet.
Das Dielektrikum 44 ist elastisch und hat eine – für die Ausbildung des Wellenwiderstandes (Z_L) 49 der Anordnung – geeignete spezifische Dielektrizitätskonstante ε_r.
Die Länge m der Belastungs-Leisten 40 entspricht der Länge der Messleiter 42.
Die Breiten b, die Längen l, die Dicken d und die Abstände c der Busse 25 hängen von der Bauart der Zelle 1 ab. Die Abmessungen der Bandleiter 8 werden entsprechend der Bauart der Laminate 2 für die Bauart der Module 3 gewählt.
Die Abstände j der als Messleiter 42 ausgebildeten Kontakt-Leisten werden entsprechend den Abständen c der Busse 28 eingestellt. j = c
12 zeigt die Draufsicht auf den Schnitt AB der Prüfanordnung aus 10. Auf der Grundplatte 38 ist am Ende der Zelle 1 ein Isolator 50 aufgebracht. Der Isolator 50 soll verhindern, dass die Bandleiter 8 der einzelnen Zellen 1 oder der im String 51 angeordneten Zellen 1 mit dem Masse-Anschluss 45 Kontakt haben.
13 zeigt die Anordnung aus 12 während der Krafteinwirkung 23 auf die Zelle 1.
Die Belastungs-Leisten 40 sind mit der Platte 41 langsam um den Betrag a angehoben worden. Dabei ist a die Höhe von Bus und aufkontaktiertem Bandleiter über der Zelle 1.
Die Zelle 1 wird an den Orten der Leisten 40 prellfrei um den Betrag a in Richtung elastisches Dielektrikum 47 angehoben.
Die Messung der effektiven Zellen-Impedanz Z_Z,eff 36 der Zelle 1 erfolgt vor und nach Einwirkung der Kraft 23.
Nach der Belastung und Impedanz-Messung wird die Zelle 1 langsam entlastet und zum nächsten Bearbeitungs-Schritt weiter transportiert.
In 14 ist die Anordnung zur Messung der last-abhängigen, effektiven Zellen-Impedanz Z_Z,eff 36 der Zelle 1 dargestellt.
Die Anordnung besteht aus der Belastungs- und Kontakt-Anordnung 52 mit einer Justier-Anordnung 53 für Zellen 1, Schwingungs-Erzeugern 54, Übertragern 55 und akustischen Sensoren 56, der Transport-Einrichtung 57 für Zellen 1 oder Strings 51, der Belastungs-Einrichtung 58, dem Impedanz-Messgerät 43, dem Datenlogger 59, dem Steuer-Gerät 60 und der Auswerte-Einrichtung 61, welche durch Messleitungen 62 miteinander verbunden sind. Der Hub der Belastungs-Leisten 40 entspricht der Höhe a und wird mit Hilfe des Abstands-Sensors 63 eingestellt.
Die Zelle 1 oder ein String 51 wird mit der Transport-Einrichtung 57 zur Belastungs- und Kontakt-Anordnung 52 transportiert. Die Zelle 1 wird mit der Justier-Anordnung 53 berührungslos so auf der Grundplatte 38 angeordnet, dass die Messleiter 42 über den Bandleitern 8 oder Bussen 28 auf der Oberseite der Zelle 1 liegen.
Der Oberteil der Anordnung 52 mit dem Mess-Leiter 42 wird zur Prüfung auf die positionierte Zelle 1 abgesenkt.
Die Messleiter 42 werden soweit auf die Zelle 1 abgesenkt, dass sie die Busse 28 bzw. Bandleiter 8 elektrisch leitend mit der Mess-Leitung 62 des Impedanz-Messgerätes 43 verbinden.
Die Platte 41 mit den Belastungs-Leisten 40 wird durch eine Belastungs-Einrichtung 58 bewegt. Die Belastungsleisten 40 sind über den Masse-Kontakt der Messleitung 62 an das Impedanz-Messgerät 43 angeschlossen.
Sobald die Zelle in der Belastungs- und Kontakt-Anordnung 52 mittels der Justier-Einrichtung 53 zum Prüfen angeordnet ist, wird die Zellen-Impedanz 36 der Zelle 1 mit dem Impedanz-Messgerät 43 gemessen. Die Messwerte für die Kapazität, den Wirkwiderstand, die Induktivität und den Belastungs-Zustand werden im Datenlogger 59 zwischen-gespeichert und in der Auswerte-Einrichtung 61 verarbeitet.
Die Eignung der Zelle 1 für die weitere Verarbeitung zum Modul ergibt sich aus der prozentualen Höhe der Impedanz-Änderung bei Änderung der Biege-Beanspruchung.

1: Zelle
2: Laminat
3: Modul
4: obere Folie aus Ethylvinylacetatcopolymer (EVA)
5: untere Folie aus Ethylvinylacetatcopolymer (EVA)
6: Deckglas
7: Rückseitenfolie aus Tedlar
8: Bandleiter
9: luftgefüllter Raum
10: Laminator-Matte
11: Druck
12: Strukturdefekt
13: Korngrenze
14: Achse der Kristallite
15: Kristallit
16: Restschmelze
17: Wafer
18: Kristall
19: Verunreinigung, Fremdatome
20: Ladungsträger
21: Impedanz parallel zur Korngrenze
22: Deformation
23: Kraft
24: kritische Mindest-Spannung
25: Versetzung
26: Riss
27: Spalt
28: Bus der Zelle
29: Klemmenpaar des Ersatzschaltbildes
30: Serien-Impedanz
31: Elementar-Zelle
32: Strahlungs-Quelle
33: photo-voltaischer Wandler
34: zusätzliche Parallel-Impedanz
35: zusätzliche Serien-Impedanz
36: Effektive Zellen-Impedanz ZZ,eff
37: Impedanz-Änderung Delta ZZ,eff
38: Grundplatte
39: Schlitz
40: Belastungs-Leiste
41: Platte
42: Messleiter
43: Impedanz-Messgerät
44: Dielektrikum
45: Masse-Anschluss
46: Rückseiten-Metallisierung der Zelle
47: metallische Deck-Platte
48: Außenleiter
49: Wellen-Widerstand
50: Isolator
51: String
52: Belastungs- und Kontakt-Anordnung
53: Justier-Anordnung
54: Schwingungs-Erzeuger
55: Schwingungs-Übertrager
56: akustischer Sensor
57: Transport-Einrichtung
58: Belastungs-Einrichtung
59: Datenlogger
60: Steuergerät
61: Auswerte-Einrichtung
62: Mess-Leitung
63: Abstands-Sensor
: Abmessungen
a: Summe der Höhen von Bus mit aufkontaktiertem Bandleiter
b: Breite der Zelle
c: Abstand der Busse voneinander
d: Dicke der Zelle
e: Abstand der Mittellinien von Leiste und Bus
f: Abstand zwischen Grundplatte und Messleiter
h: Dicke der Zelle mit Bandleitern
j: Abstand der Kontakt-Leisten
l: Länge der Zelle
m: Länge der Schlitze
t: Abstand zwischen Zellen
u: Länge der Grundplatte und Platte
: Bezeichnungen
C_s: Serien-Kapazität der Elementar-Zelte
C_p: Parallel-Kapazität der Elementar-Zelle
C_d: Dioden-Kapazität
L_s: Serien-Induktivität der Elementar-Zelle
L_p: Parallel-Induktivität der Elementar-Zelle
R_s: Serien-Wirkwiderstand
R_p: Parallel-Wirkwiderstand
Z_s: Serien-Impedanz der Zelle
Z_p: Parallel-Impedanz der Zelle
Z_z: effektive Impedanz der unbestrahlten Zelle

Claims

Verfahren zur Prüfung der Biegefestigkeit von Solarzellen im Fertigungsprozess der Module, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zellen bei der Prüfung der gleichen Biege-Beanspruchung wie im Fertigungsprozess der Module sowie bei der Betriebsbelastung unterzogen werden und die Größe der Impedanz-Änderung der Zellen bei unterschiedlichen Biege-Beanspruchungen, Messfrequenzen und fehlender Bestrahlung als Parameter für ausreichende Biegefestigkeit gemessen wird; – die Größe der Impedanzänderung bei der maximalen Biegebeanspruchung gegenüber dem unbelasteten Zustand als Kennwert verwendet wird; – die prozentuale Änderung der ohmschen Widerstände – gemessen ohne und mit Biege-Beanspruchung der Zelle – als Parameter für ausreichende Festigkeit verwendet wird; – die Zellen ohne und mit Bandleiter sowie im String geprüft werden; – die Änderung des äquivalenten Rauschwiderstandes zum Vergleich der Merkmalswerte herangezogen wird; – die Zellen während der Impedanzmessung und der Biege-Beanspruchung in Dichte-Schwingungen versetzt werden und die Impedanz-Änderung als Funktion der Biegebeanspruchung, der Schwingungs-Amplitude, der akustischen Frequenz sowie der Messfrequenz dargestellt wird; – die Spannung und/oder der Strom der Zellen als Funktion unterschiedlicher Biege-Beanspruchungen und Bestrahlungen gemessen und der Auswerte-Einrichtung zugeführt wird; – die während der Belastung emittierten akustischen Signale mit einem Sensor aufgenommen und der Auswerte-Einrichtung zugeführt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorrichtung aus einer Belastungs- und Kontakt-Anordnung mit einer Justier-Einrichtung für Zellen, Schwingungs-Erzeugern, Übertragern und akustischen Sensoren, einer Transport-Einrichtung für Zellen oder Strings, einem Abstandssensor, einer Belastungs-Einrichtung, einem Impedanz-Messgerät, dem Datenlogger, einem Steuergerät, einer Auswerte-Einrichtung und diversen Kabeln besteht; – die Zellen für die Prüfung zwischen Leisten zur Belastung angeordnet werden, die gleichzeitig als Kontakte für die Impedanzmessung verwendet werden; – die Kontakt-Anordnung mit der zu prüfenden Zelle als Wellenleiter ausgebildet ist, der an den Wellenwiderstand des Messkabels des Impedanz-Messgerätes angepasst ist; – die Messleiter zur Kontaktierung der Busse oder Bandleiter in einem elastischen Dielektrikum eingebettet sind, und die außerhalb der Busse liegenden Teile der Zelle um ein Wegelement langsam bewegt werden, das der Summe aus Bus- und Bandleiter-Dicke entspricht; – die Belastung der Zelle mit einer Matte geschieht, die ein luftdichtes Gehäuse abschließt und mit einem flüssigen oder gasförmigen Mittel gegen die Zelle gedrückt wird; – die Zellen während der Impedanz-Messung mit einer Sonde in Dichte-Schwingungen versetzt werden, deren Signale mit einem akustischen Sensor aufgenommen und der Auswerte-Einrichtung zugeführt werden. – die Vorrichtung mit einem akustischen Sensor versehen ist, der die bei der Belastung entstehenden Dichte-Schwingungen aufnimmt, die der Auswerte-Einrichtung zugeführt werden.