WO2006076893A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion von defekten an solarzellenelementen - Google Patents

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WO2006076893A1
WO2006076893A1 PCT/DE2006/000064 DE2006000064W WO2006076893A1 WO 2006076893 A1 WO2006076893 A1 WO 2006076893A1 DE 2006000064 W DE2006000064 W DE 2006000064W WO 2006076893 A1 WO2006076893 A1 WO 2006076893A1
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solar cell
magnetic field
cell element
light sources
detection
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PCT/DE2006/000064
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English (en)
French (fr)
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Thomas Schurig
Jörn BEYER
Dietmar Drung
Michael Jergovic
Siegfried Rolle
Denny Ragusch
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Technische Fachhochschule Wildau
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting defects in solar cell elements with a holder for at least one solar cell element to be examined and a measuring arrangement for location-dependent optical excitation of the solar cell element and detection of the resultant of the optical excitation magnetic field of the solar cell element, wherein the holder relative to the measuring arrangement is displaceable.
  • the invention further relates to a method for detecting defects in solar cell elements with the steps:
  • the cell is scanned with a light beam and the photo voltage generated at the cell is measured via contacts.
  • OBIC Optically Beam Induces Current
  • DE 101 46 879 A1 describes a method for detecting and localizing cracks in silicon solar cells, which are illuminated by a light source. On the opposite side of the light source, a camera is arranged and aligned with the irradiated solar cell to detect the light transmitted through a crack and thereby detect a crack.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved device for detecting defects in solar cells, which enables a cost-effective and rapid investigation of the solar cell elements.
  • a multiplicity of light sources arranged side by side in a group, which can be aligned with a solar cell element accommodated by the holder for spatially resolved optical excitation of the solar cell element, and in each case one of the light source associated magnetic field sensor arrangement for detecting the caused by the optical excitation photocurrent distribution in the area of action of each light source, and that
  • Sensor signal evaluation means connected to the magnetic field sensor arrangements for the spatially resolved detection of defects of the solar cell element are provided by evaluation of the magnetic field strengths measured by the magnetic field sensor arrangements at a respective modulation frequency.
  • the optical excitation of the solar cell element takes place with a multiplicity of light sources which are arranged next to one another in a group and which are aligned with the solar cell element,
  • the detection of a magnetic field caused by a light source is effected by a magnetic field sensor arrangement assigned to the light source, and
  • the spatially resolved detection of defects of the solar cell element is performed by evaluating the magnetic field strengths measured by the magnetic field sensor arrangements.
  • the known method for irradiating a sample surface of a semiconductor with light and detecting the resulting electric current in the semiconductor with a magnetic field sensor is transferred according to the invention to a solar cell.
  • the parallel excitation of several areas of the solar cell to be examined, the implementation of the method is considerably accelerated compared to the conventional single scan. This is only possible because the necessary spatial resolution of the measurement is much lower for the detection of defects in solar cells and the light points for excitation can cover a much larger area.
  • simple magnetic field sensors can be used to detect the magnetic fields, since a solar cell is designed to exploit the photocurrent effect, which leads to the current flow due to the optical excitation.
  • the proposed parallel excitation and measurement of adjacent areas of the solar cell can lead to a disturbing crosstalk of the measurement signals.
  • the modulation frequencies are preferably in the range of a few 10 kHz to a few 1,000 kHz to 10,000 kHz, and more preferably more than 100 kHz.
  • the modulation frequencies should be as large as possible, the upper limit being given by the physical and electrical properties of the investigated solar cell.
  • the distances of the modulation frequencies for adjacent light sources should be as small as possible compared to the average modulation frequency.
  • Preferred distances are in the range of 100 Hz to 100 kHz and more preferably in the range of up to 50 kHz.
  • the number of sensor elements is preferably adapted for a particular solar cell size of the typical defect size in the cells.
  • the distance of the light sources and sensor elements is 5 to 10 mm.
  • the magnetic field sensor arrangement can have direction-independent detectors for the magnetic field. However, it is particularly preferred if the magnetic field sensor array has directional magnetic field sensors for selective detection of at least one magnetic field component. Preferably, two detection directions Bx and By spanning one another at right angles to one another and spanning a plane parallel to the surface of the solar cell element or alternatively the detection direction Bz perpendicular to the surface may be used. Thus, a spatially resolved detection of the defects is possible.
  • the sensor evaluation means may have for each magnetic field sensor a narrow-band measurement signal amplifier and a phase-sensitive rectifier for the band-pass filtered amplified measurement signal.
  • Light sources For example, at each magnetic field sensor, a series circuit of narrow-band measurement signal amplifier and phase-sensitive
  • Rectifier then provides a measure of the caused by the associated light source lateral current in the solar cell. In the event of a defect such. Breakage or short circuit, instead of an expected current, a current of other direction and intensity would flow. This is then reflected in the measured magnetic field distribution.
  • Figure 1 Schematic representation of a device for detecting defects in solar cell elements
  • Figure 2 Schematic perspective view of an aligned on a solar cell element measuring arrangement
  • FIG. 3a- shows an exemplary measurement signal course in the case of a non-defective solar cell element
  • FIG. 3b - an exemplary measurement signal course in the case of a defective solar cell element
  • FIG. 4a- shows an exemplary topogram for illustrating the signal course in the case of a non-defective solar cell element
  • FIG. 4b shows an exemplary topogram for illustrating the measurement signal profile in the case of a defective solar cell element.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for determining defects in solar cell elements 1, which are placed on a holder 2 in the form of an assembly line and guided under a measuring arrangement 3 in the x direction indicated by the arrow.
  • the measuring arrangement 3 has a number of light sources arranged in the transverse direction y relative to the direction of travel x and associated magnetic field sensors, so that the entire width of a solar cell element 1 can be examined simultaneously.
  • the entire surface of the solar cell element 1 is then examined over the time t.
  • the measurement data are fed to a computer 4 for further evaluation and documentation.
  • the defective solar cell elements 1 are discarded as a result of the investigation for defects in the solar cell elements 1 a and released the non-defective solar cell elements 1 b for further processing.
  • the solar cell elements 1 to be examined can be placed on the conveyor belt 2 manually or by a suitable manipulator.
  • the conveyor belt 2 moves the solar cell elements 1 to be examined uniformly in a straight line or, optionally, in the "stop-and-go" mode under the line of light sources and magnetic field sensors at a speed V. In the "stop-and-go" mode, the conveyor belt becomes 2 stopped while taking readings.
  • the measuring arrangement 3 is shown schematically in FIG. It can be seen that a plurality of similar assemblies 5a, 5b,... 5h are arranged in a row next to one another.
  • the assemblies 5 each have a light source 6, which is acted upon by means 7 (driver circuit) for the optical excitation of the solar cell element 1 with an excitation signal.
  • the excitation signal is modulated with the highest possible modulation frequency, which is determined by an oscillator 8 and the driver circuit 7 or light source 6.
  • the modulation frequencies of the light sources 6 of adjacent assemblies 5 may differ, with the spacing of the modulation frequencies of the adjacent luminance dots being small relative to the average modulation frequency, i. H. the mean over all used modulation frequencies.
  • the modules furthermore have a magnetic field sensor arrangement with magnetic field sensors 9a, 9b, 9c.
  • the magnetic field sensors 9a, 9b, 9c are arranged directionally dependent, wherein the first magnetic field sensor 9a for selectively detecting the magnetic field strengths in the x direction and the second magnetic field sensor 9b for selectively detecting the magnetic field strengths in the y direction and the third magnetic field sensor 9c selective detection of the magnetic field strengths in the z direction is provided.
  • the both detection directions x and y are at right angles to each other and span a plane parallel to the surface of the solar cell element 1; the detection direction z is perpendicular to this plane.
  • the magnetic field sensor arrangement 9 can also have only one or more direction-independent magnetic field sensors 9.
  • the light sources 6 may be light-emitting diodes or laser diodes.
  • a single light source 6 on the solar cell element 1 irradiates an area with a diameter of 25 mm 2 .
  • the measuring arrangement 3 is adjusted so that the smallest possible distance between the magnetic field sensors 9 and the surface of the solar cell element 1 in the order of about 1 mm is maintained.
  • the lateral currents generated in the solar cell element 1 by the optical excitation are measured by the magnetic field sensors 9 via their magnetic field.
  • the magnetic field sensors 9 can be designed, for example, as induction coils.
  • the magnetic field distribution determined in this way is used to characterize the solar cell element 1 for defects.
  • the pattern of defects clearly stands out in comparison with the distribution of a defect-free solar cell element 1. This comparison can be carried out both visually by a person and automatically by a corresponding computer program.
  • the light sources 6 can optionally have an additional optics. They can also be located far from the location of the illumination, whereby the light is guided via optical fibers to the illumination location.
  • the LEDs or fiber outputs are arranged in a row with a distance between the light sources 6, which corresponds to the desired spatial resolution. Adjacent thereto, the magnetic field sensors 9 are arranged, consisting of small Induction coils may preferably be made with a core of soft magnetic material.
  • an active noise suppression is performed. Due to the modulation of the intensity of the radiation emitted by the light sources 6, the spatially resolved evaluation of the resulting measurement signals by a narrow-band amplification of the respective measurement signal of a magnetic field sensor 9 with an amplifier 10 and a subsequent phase-sensitive rectification with a rectifier 11 with respect to the modulation frequency of the excitation signal assigned light source 6 done.
  • Each light source 6 forms a measuring channel in combination with a magnetic field sensor 9.
  • the separation of the signals of the individual measuring channels, d. H. the individual assemblies 5, and the avoidance of crosstalk thus takes place by modulation of the radiation of each light source 6 with a different modulation frequency.
  • the modulation frequencies should be in a non-rational relationship in order to avoid the detection of harmonics of the signal 6 of adjacent light sources.
  • the modulation frequencies should be selected as high as possible in order to minimize the integration time required for a sufficient signal-to-noise ratio during the measurement. Thus, a high measuring speed is achieved when scanning the solar cell elements 1.
  • An upper physical limit for the modulation frequency is given by the finite generation recombination speed of the electrode-hole pairs in the solar cell 1 and the frequency-dependent influencing of the signal by the solar cell 1.
  • the entire surface of a solar cell element 1 In order to measure with a row of light sources 6 and magnetic field sensors 9 the entire surface of a solar cell element 1 with sufficient spatial resolution. To be able to sen, it is expedient to move the line of light sources 6 with respect to the solar cell element 1.
  • the signals detected by the magnetic field sensors 9 of the line are thereby related to the respective location coordinates of the associated light sources 6, which result from the position in the line and the current position of the line with respect to the solar cell element 1.
  • a certain integration time of the phase-sensitive rectification is necessary. The measurement can be done in two ways.
  • the first possibility is that the position is approached with the line and the relative movement of the line and the solar cell element 1 for the period of the measured value recording, which essentially corresponds to the integration time, is interrupted.
  • the second possibility consists in the measurement during a continuous displacement of the line with respect to the solar cell element 1. It is important to ensure that the product of travel speed and integration time is not greater than the intended spatial resolution. It is also possible, instead of a line-shaped arrangement of light sources 6 and magnetic field sensors 9 to use a field (array) of measuring channels in the size of the surface to be characterized and to dispense with a shift.
  • magnetic field distributions are obtained by the reference to the location coordinates at which the measured values were recorded, which allow a characterization of the solar cell element 1 for defects.
  • FIG. 3 shows an exemplary line diagram, wherein in FIG. 3 a the amplitude of a magnetic field measurement signal B is plotted over the time t for a defect-free solar cell element.
  • the solar cell element 1 was passed over the time t in the x-direction under the measuring arrangement 3 and the measurement signals of the juxtaposed assemblies 5 simultaneously applied to one another.
  • FIG. 3b shows a corresponding line diagram for a defective solar cell element 1. It becomes clear that individual measurement signal lines deviate from the otherwise essentially zigzag-shaped signal course. From this, a defect-free solar cell element 1 can very well be distinguished from a defective solar cell element 1.
  • FIGS. 4a and 4b show complete topograms of a solar cell element, wherein in FIG. 4a the amplitude of the magnetic induction By is plotted over the surface of a defect-free solar cell element and in FIG. 4b for a defective solar cell element. In comparison of the topograms, the defect of the solar cell element 1 in the lower right-hand area in FIG. 4b is clearly recognizable.

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen (1) mit einer Halterung (2) für mindestens ein zu untersuchendes Solarzellenelement (1) und einer Messanordnung (3) zur ortsabhängigen optischen Anregung des Solarzellenelementes (1) und Detektion des aus der optischen Anregung resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes (1), wobei die Halterung (2) relativ zu der Messanordnung (3) verschiebbar ist, wird beschrieben. Die Messanordnung (3) hat eine Vielzahl von in einer Gruppe nebeneinander angeordnete Lichtquellen (6), die auf ein von der Halterung (2) aufgenommenes Solarzellenelement (1) zur ortsaufgelösten optischen Anregung des Solarzellenelementes (1) ausrichtbar sind, und im Wirkungsbereich jeder Lichtquelle (6) jeweils eine der Lichtquelle (6) zugeordnete Magnetfeldsensoranordnung (9) zur Detektion der durch die optische Anregung verursachten Fotostromverteilung. Es sind Mittel (7,8) zur Modulation der Anregungssignale der Lichtquellen (6) vorgesehen. Mit dem Magnetfeldsensoranordnungen (9) sind Sensorsignalauswertemittel (4, 10, 11) zur ortsaufgelösten Detektion von Defekten des Solarzellenelementes (1) durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoranordnungen (9) bei einer jeweiligen Modulationsfrequenz gemessenen Magnetfeldstärken verbunden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Defekten an Solarzel- lenelementen mit einer Halterung für mindestens ein zu untersuchendes Solarzellenelement und einer Messanordnung zur ortsabhängigen optischen Anregung des Solarzellenelementes und Detektion des aus der optischen Anregung resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes, wobei die Halterung relativ zu der Messanordnung verschiebbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen mit den Schritten:
a) ortsabhängige optische Anregung des Solarzellenelementes,
b) Detektion des aus der optischen Anregung resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes, und
c) Auswerten der gemessenen Magnetfeldstärken zur Detektion von Defek- ten des Solarzellenelementes,
d) Verschieben des Solarzellenelementes relativ zu einer Messanordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) und Wiederholen der Schritten a) bis c).
Bei der Fertigung und Weiterverarbeitung von Solarzellenelementen, die relativ empfindlich sind, treten oftmals elektrische oder mechanische Defekte auf, beispielsweise Leitungs- und Substratbrüche. Diese können zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit oder sogar zu einem Ausfall des Solarzellenelementes führen. Es besteht daher ein Bedarf, den Ausschuss schnell und preiswert zu erfassen und die defekten Solarzellenelemente auszusortieren.
Zur Bestimmung von elektrischen Inhomogenitäten von Halbleitern sind folgende Verfahren bekannt: Zur Erkennung von Brüchen und Rissen in Solarzellen im Rahmen industrieller Fabrikationsprozesse wird eine akustische Kontrolle eingesetzt, bei der die Zelle mechanisch bewegt und damit verspannt wird, wobei aufgrund der mechanische Defekte charakteristische Geräusche (knistern) entstehen, die eine Unterscheidung von defektfreien Zellen zulässt.
Bei der OBIC (Optically Beam Induces Current) - Methode wird die Zelle mit einem Lichtstrahl abgetastet und die an der Zelle entstehende Foto- Spannung wird über Kontakte gemessen.
Weitere Methoden, die zur Charakterisierung elektrischer Inhomogenität in Halbleiterproben eingesetzt werden, wie die Spreading Resistance Methode und die 4-Spitzen-Methode sind genauso wie die OBIC Metho- de aufgrund der notwendigen Kontaktierung und des hohen Zeitaufwandes der Messung für die Charakterisierung von Defekten in Solarzellen in industriellen Fabrikationsprozessen nicht geeignet.
In der DE 101 46 879 A1 ist ein Verfahren zum Nachweis und zur Lokalisierung von Rissen in Silizium-Solarzellen beschrieben, die von einer Lichtquelle angestrahlt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle ist eine Kamera angeordnet und auf die angestrahlte Solarzelle ausgerichtet, um das durch einen Riss transmittierte Licht zu erfassen und hierdurch einen Riss zu erkennen.
Weiterhin ist aus der DE 197 25 679 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Oberfläche eines Halbleiters ortsaufgelöst mit Licht bestrahlt wird. Der dabei entstehende elektrische Strom im Halbleiter wird mit einem Magnetfeldsensor nachgewiesen, wobei die Magnetfeldstärke in Abhängigkeit vom Ort der Licht- einstrahlung die elektrische Inhomogenität des Halbleiters charakterisiert. Dabei kann jedoch nur eine Messung an einem Ort gleichzeitig stattfinden, so dass das Verfahren für die im Verhältnis zu Halbleitern für integrierte elektronische Schaltungen relativ großen Solarzellenelemente nicht geeignet ist. Sowohl die Zeit für die Abtastung einer vollständigen Oberfläche des Solarzellenelementes, als auch die aufgrund des beschriebenen SQUID-Sensorsystems relativ lange Messdauer ist zu groß für eine lückenlose Prozessüberwachung.
Entsprechende Verfahren und hierzu geeignete Vorrichtungen sind in J. Beyer „Photomagnetic investigation of grain boundaries in solar Silicon", Semiconduc- tor Science and Technology, 16 (2001) 44-53 und in M. Daibo, T. Kikuchi und M. Yoshizawa: „Minority Carrier Diffusion Length Measurements of Semicon- ductors Using a Multiwavelength Laser SQUID Microscope", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003, Seiten 223 bis 226 beschrieben. Auch hier erfolgt die Messung sequentiell hintereinander jeweils an einem einzigen Messort mit einem einzigen Laser. Die durch die Anregung an dem Messort resultierenden induzierten Ströme werden mittels Magnetfeld- sensoren erfasst. Die Untersuchung ist aufgrund der notwendigen sequentiellen Abtastung langwierig und damit für die Serienfertigung nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine verbesserte Vorrichtung zur Detektion von Defekten an Solarzellen zu schaffen, die eine kostengünstige und schnelle Untersuchung der Solarzellenelemente ermöglicht.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechend verbessertes Verfahren zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen anzugeben.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Messanordnung
eine Vielzahl von in einer Gruppe nebeneinander angeordnete Lichtquel- len, die auf ein von der Halterung aufgenommenes Solarzellenelement zur ortsaufgelösten optischen Anregung des Solarzellenelements ausrichtbar sind, und im Wirkungsbereich jeder Lichtquelle jeweils eine der Lichtquelle zugeordnete Magnetfeldsensoranordnung zur Detektion der durch die optische Anregung verursachten Fotostromverteilung hat, und dass
Mittel zur Modulation der Anregungssignale der Lichtquellen, und
mit den Magnetfeldsensoranordnungen verbundene Sensorsignalaus- wertemittel zur ortsaufgelösten Detektion von Defekten des Solarzellen- elementes durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoranordnungen bei einer jeweiligen Modulationsfrequenz gemessenen Magnetfeldstärken vorgesehen sind.
Die Aufgabe wird weiterhin mit dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch ge- löst, dass
die optische Anregung des Solarzellenelementes mit einer Vielzahl von in einer Gruppe nebeneinander angeordneten Lichtquellen erfolgt, die auf das Solarzellenelement ausgerichtet sind,
die Detektion eines durch eine Lichtquelle verursachten Magnetfeldes durch eine der Lichtquelle zugeordnete Magnetfeldsensoranordnung erfolgt, und
- die ortsaufgelöste Detektion von Defekten des Solarzellenelementes durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoranordnungen gemessenen Magnetfeldstärken durchgeführt wird.
Das bekannte Verfahren zur Bestrahlung einer Probenoberfläche eines Halblei- ters mit Licht und Detektion des dabei entstehenden elektrischen Stroms im Halbleiter mit einem Magnetfeldsensor wird erfindungsgemäß auf eine Solarzelle übertragen. Durch die parallele Anregung mehrerer zu untersuchender Bereiche der Solarzelle wird die Durchführung des Verfahrens im Vergleich zu der herkömmlichen Einzelabtastung erheblich beschleunigt. Dies wird erst dadurch möglich, dass zur Detektion von Defekten in Solarzellen die notwendige Ortsauflösung der Messung wesentlich geringer ist und die Lichtpunkte zur Anregung eine erheblich größere Fläche abdecken können. Zudem können zum Nachweis der Magnetfelder einfache Magnetfeldsensoren genutzt werden, da eine Solarzelle zur Ausnutzung des Fotostromeffekts konstruiert ist, der zum Stromfluss aufgrund der optischen Anregung führt. Die vorgeschlagene parallele Anregung und Messung nebeneinander liegender Bereiche der Solarzelle kann jedoch zu einem störenden Übersprechen der Messsignale führen. Dieses Folgeproblem wird durch eine geeignete Anordnung der Lichtquellen und Sensoren sowie gegebenenfalls durch Verwendung unterschiedlicher Modulationsfrequenzen der Anregungssignale der Lichtquellen gelöst. Die Modulationsfrequenzen liegen vorzugsweise im Bereich von einigen 10 kHz bis einigen 1.000 kHz bis hin zu 10.000 kHz und betragen besonders bevorzugt mehr als 100 kHz. Die Modulationsfrequenzen sollten möglichst groß sein, wobei die Obergrenze durch die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der untersuchten Solarzelle ge- geben ist.
Hingegen sollten die Abstände der Modulationsfrequenzen für benachbarte Lichtquellen möglichst klein im Vergleich zur mittleren Modulationsfrequenz gewählt werden. Bevorzugte Abstände liegen im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und besonders bevorzugt im Bereich von bis zu 50 kHz.
Die Anzahl der Sensorelemente ist vorzugsweise für eine bestimmte Solarzellengröße der typischen Defektgröße in den Zellen angepasst. Vorzugsweise liegt der Abstand der Lichtquellen und Sensorelemente bei 5 bis 10 mm.
Die Magnetfeldsensoranordnung kann richtungsunabhängige Detektoren für das Magnetfeld haben. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Magnet- feldsensoranordnung richtungsabhängige Magnetfeldsensoren zur selektiven Erfassung von mindestens einer Magnetfeldkomponente hat. Vorzugsweise können zwei rechtwinklig zueinander stehende und eine Ebene parallel zur O- berfläche des Solarzellenelementes aufspannende Detektionsrichtungen Bx und By oder alternativ die senkrecht auf der Oberfläche stehende Detektions- richtung Bz verwendet werden. Damit ist eine ortsaufgelöste Detektion der Defekte möglich.
Die Sensorauswertemittel können für jeden Magnetfeldsensor einen schmal- bandigen Messsignalverstärker und einen phasenempfindlichen Gleichrichter für das bandpassgefilterte verstärkte Messsignal haben. Die schmalbandige
Verstärkung und phasenempfindliche Gleichrichtung der Magnetfeldsensoren erfolgt dann in Bezug auf die Modulationsfrequenzen der jeweils zugeordneten
Lichtquellen. So kann beispielsweise an jedem Magnetfeldsensor eine Reihen- Schaltung aus schmalbandigen Messsignalverstärker und phasenempfindlichen
Gleichrichter geschaltet sein. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen
Gleichrichters stellt dann ein Maß für den von der zugeordneten Lichtquelle verursachten lateralen Strom in der Solarzelle dar. Im Falle eines Defektes, wie z. B. Bruch oder Kurzschluss würde anstelle eines erwarteten Stromes ein Strom anderer Richtung und Intensität fließen. Dies spiegelt sich dann in der gemessenen Magnetfeldverteilung wieder.
Entsprechende vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen;
Figur 2 - Schematische perspektivische Darstellung einer auf ein Solarzellenelement ausgerichteten Messanordnung;
Figur 3a - Beispielhafter Messsignalverlauf bei einem nicht defekten Solarzellenelement;
Figur 3b - Beispielhafter Messsignalverlauf bei einem defekten Solarzellenelement;
Figur 4a - Beispielhaftes Topogramm zur Darstellung des Signalverlaufs bei einem nicht defekten Solarzellenelement;
Figur 4b - Beispielhaftes Topogramm zur Darstellung des Messsignalver- laufs bei einem defekten Solarzellenelement.
Die Figur 1 lässt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung von Defekten in Solarzellenelementen 1 erkennen, die auf einer Halte- rung 2 in Form eines Fließbandes gelegt und in durch den Pfeil gekennzeichne- te x-Richtung unter einer Messanordnung 3 hindurchgeführt werden. Die Messanordnung 3 hat eine Reihe von in Querrichtung y zur Fortbewegungsrichtung x nebeneinander angeordnete Lichtquellen und zugeordnete Magnetfeldsensoren, so dass die gesamte Breite eines Solarzellenelementes 1 gleichzeitig untersucht werden kann. Durch die Bewegung der Solarzellenelemente 1 in x- Richtung unter der Messanordnung 3 hindurch wird über die Zeit t dann die gesamte Fläche des Solarzellenelementes 1 untersucht. Die Messdaten werden zur weiteren Auswertung und Dokumentation einem Computer 4 zugeführt. Am Ende des Förderbandes 2 werden dann als Ergebnis der Untersuchung nach Defekten in den Solarzellenelementen 1a die defekten Solarzellenelemente 1 ausgesondert und die nicht defekten Solarzellenelemente 1 b zur Weiterverarbeitung freigegeben.
Die zu untersuchenden Solarzellenelemente 1 können manuell oder durch einen geeigneten Manipulator auf das Förderband 2 gelegt werden. Das Förderband 2 bewegt die zu untersuchenden Solarzellenelemente 1 geradlinig gleichförmig oder wahlweise im „Stop-And-Go" Betrieb unter der Zeile von Lichtquel- len und Magnetfeldsensoren mit einer Geschwindigkeit v hinweg. Bei dem „Stop-And-Go" Betrieb wird das Förderband 2 während der Aufnahme von Messwerten gestoppt.
Die Messanordnung 3 ist schematisch in der Figur 2 dargestellt. Es ist erkenn- bar, dass eine Vielzahl gleichartiger Baugruppen 5a, 5b, ... 5h in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die Baugruppen 5 haben jeweils eine Lichtquelle 6, die über Mittel 7 (Treiberschaltung) zur optischen Anregung des Solarzellenelementes 1 mit einem Anregungssignal beaufschlagt wird. Das Anregungssignal ist mit einer möglichst hohen Modulationsfrequenz moduliert, die durch einen Oszillator 8 und der Treiberschaltung 7 oder Lichtquelle 6 festgelegt ist. Die Modulationsfrequenzen der Lichtquellen 6 von benachbarten Baugruppen 5 können sich unterscheiden, wobei der Abstand der Modulationsfrequenzen der benachbarten Leuchtpunkte klein gegenüber der mittleren Modulationsfrequenz, d. h. dem Mittel über alle verwendeten Modulationsfrequenzen.
Die Baugruppen weisen weiterhin eine Magnetfeldsensoranordnung mit Magnetfeldsensoren 9a, 9b, 9c auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeldsensoren 9a, 9b, 9c richtungsabhängig angeordnet, wobei der erste Magnetfeldsensor 9a zur selektiven Erfassung der Magnetfeldstärken in x- Richtung und der zweite Magnetfeldsensor 9b zur selektiven Erfassung der Magnetfeldstärken in der y-Richtung und der dritte Magnetfeldsensor 9c zur selektiven Erfassung der Magnetfeldstärken in z-Richtung vorgesehen ist. Die beiden Detektionsrichtungen x und y stehen rechtwinklig zueinander und spannen eine Ebene parallel zur Oberfläche des Solarzellenelementes 1 auf; die Detektionsrichtung z steht senkrecht zu dieser Ebene.
Die Magnetfeldsensoranordnung 9 kann aber auch lediglich ein oder mehrere richtungsunabhängige Magnetfeldsensoren 9 haben.
Die Lichtquellen 6 können Leuchtdioden oder Laserdioden sein. Um eine Ortsauflösung von 5 mm x 5 mm zu erzielen bestrahlt eine einzelne Lichtquelle 6 auf dem Solarzellenelement 1 eine Fläche mit einem Durchmesser von 25 mm2. Dabei ist die Messanordnung 3 so justiert, dass ein möglichst geringer Abstand zwischen den Magnetfeldsensoren 9 und der Oberfläche des Solarzellenelementes 1 in der Größenordnung von etwa 1 mm eingehalten wird. Während des Vorbeibewegens des Solarzellenelementes 1 unter der Messanordnung 3 wer- den die durch die optische Anregung erzeugten lateralen Ströme in dem Solarzellenelement 1 über ihr Magnetfeld durch die Magnetfeldsensoren 9 gemessen. Die Magnetfeldsensoren 9 können beispielsweise als Induktionsspulen ausgeführt sein. Die auf diese Weise ermittelte Magnetfeldverteilung wird zur Charakterisierung des Solarzellenelementes 1 auf Defekte herangezogen. In der Magnetfeldverteilung eines defektbehafteten Solarzellenelementes 1 zeichnen sich im Vergleich mit der Verteilung eines defektfreien Solarzellenelementes 1 deutlich die Muster von Defekten ab. Dieser Vergleich kann sowohl visuell durch eine Person als auch automatisiert durch ein entsprechendes Computerprogramm durchgeführt werden.
Die Lichtquellen 6 können optional über eine zusätzlich Optik verfügen. Sie können auch fern vom Ort der Beleuchtung angeordnet werden, wobei das Licht über Lichtleitfasern zum Beleuchtungsort geführt wird. Die Leuchtdioden, bzw. Faserausgänge werden in einer Zeile mit einem Abstand zwischen den Lichtquellen 6 angeordnet, der der gewünschten Ortsauflösung entspricht. Angrenzend hieran werden die Magnetfeldsensoren 9 angeordnet, die aus kleinen Induktionsspulen vorzugsweise mit einem Kern aus weichmagnetischem Material bestehen können.
Um bei der Messung der geringen Magnetfeldstärke, die durch die optisch ge- nerierten Fotoströme hervorgerufen wird, einen genügenden Signal-Rausch- Abstand angesichts der gleichzeitigen Anregung der gesamten Breite des Solarzellenelementes zu gewährleisten, wird eine aktive Störsignalunterdrückung durchgeführt. Aufgrund der Modulation der Intensität der von den Lichtquellen 6 abgegebenen Strahlung kann die ortsaufgelöste Auswertung der resultierenden Messsignale durch eine schmalbandige Verstärkung des jeweiligen Messsignals eines Magnetfeldsensors 9 mit einem Verstärker 10 und eine anschließende phasenempfindliche Gleichrichtung mit einem Gleichrichter 11 in Bezug auf die Modulationsfrequenz des Anregungssignals der zugeordneten Lichtquelle 6 erfolgen.
Jede Lichtquelle 6 bildet dabei in Kombination mit einem Magnetfeldsensor 9 einen Messkanal. Die Trennung der Signale der einzelnen Messkanäle, d. h. der einzelnen Baugruppen 5, und die Vermeidung des Übersprechens erfolgt somit durch Modulation der Strahlung einer jeden Lichtquelle 6 mit einer ande- ren Modulationsfrequenz. Die Modulationsfrequenzen sollten dabei in einem nicht rationalen Verhältnis stehen, um die Detektion von Harmonischen des Signals 6 benachbarter Lichtquellen zu vermeiden. Die Modulationsfrequenzen sollten dabei so hoch wie möglich gewählt werden, um die für eine ausreichenden Signal-Rausch-Abstand bei der Messung notwendige Integrationszeit ge- ring zu halten. Somit wird eine hohe Messgeschwindigkeit beim Abscannen der Solarzellenelemente 1 erreicht. Eine obere physikalische Grenze für die Modulationsfrequenz ist durch die endliche Generations-Rekombinations- Geschwindigkeit der Elektroden-Loch-Paare in der Solarzelle 1 sowie die frequenzabhängige Beeinflussung des Signals durch die Solarzelle 1 gegeben.
Um mit einer Zeile von Lichtquellen 6 und Magnetfeldsensoren 9 die gesamte Fläche eines Solarzellenelementes 1 mit ausreichender Ortsauflösung vermes- sen zu können, ist es zweckmäßig, die Zeile von Lichtquellen 6 in Bezug auf das Solarzellenelement 1 zu bewegen. Das von den Magnetfeldsensoren 9 der Zeile detektierter Signale wird dabei zu den jeweiligen Ortskoordinaten der zugehörigen Lichtquellen 6, die sich aus der Position in der Zeile und der aktuel- len Position der Zeile im Bezug auf das Solarzellenelement 1 ergeben, in Bezug gesetzt. Für die Aufnahme der Messwerte der Magnetfeldwerte an einer bestimmten Sensorposition ist eine gewisse Integrationszeit der phasenempfindlichen Gleichrichtung notwendig. Die Messung kann in zweierlei Weise erfolgen. Die erste Möglichkeit besteht darin, dass die Position mit der Zeile angefahren wird und die Relativbewegung von Zeile und Solarzellenelement 1 für den Zeitraum der Messwertaufnahme, die im Wesentlichen der Integrationszeit entspricht, unterbrochen wird. Die zweite Möglichkeit besteht in der Messung während einer kontinuierlichen Verschiebung der Zeile gegenüber dem Solarzellenelement 1. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Produkt aus Verfahrge- schwindigkeit und Integrationszeit nicht größer als die beabsichtigte Ortsauflösung ist. Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle einer zeilenförmigen Anordnung von Lichtquellen 6 und Magnetfeldsensoren 9 ein Feld (Array) von Messkanälen in der Größe der zu charakterisierenden Fläche zu verwenden und auf eine Verschiebung zu verzichten.
Aus den durch die ortsaufgelöste Messung gewonnenen Magnetfeld- Messwerten werden durch den Bezug zu den Ortskoordinaten, an denen die Messwerte aufgenommen worden sind, Magnetfeldverteilungen gewonnen, die eine Charakterisierung des Solarzellenelementes 1 auf Defekte ermöglichen.
Die Figur 3 lässt ein beispielhaftes Liniendiagramm erkennen, wobei in der Figur 3a die Amplitude eines Magnetfeld-Messsignals B über die Zeit t für ein defektfreies Solarzellenelement aufgetragen ist. Dabei wurde über die Zeit t das Solarzellenelement 1 in x-Richtung unter der Messanordnung 3 hindurchgeführt und die Messsignale der nebeneinander angeordneten Baugruppen 5 gleichzeitig übereinander aufgetragen. Die Figur 3b lässt ein entsprechendes Liniendiagramm für ein defektes Solarzellenelement 1 erkennen. Es wird deutlich, dass einzelne Messsignallinien von dem ansonsten im Wesentlichen zick-zack-förmigen Signalverlauf abweichen. Hieraus kann sehr gut ein defektfreies Solarzellenelement 1 von einem defek- ten Solarzellenelement 1 unterschieden werden.
Die Figuren 4a und 4b lassen vollständige Topogramme eines Solarzellenelementes erkennen, wobei in der Figur 4a die Amplitude der magnetischen Induktion By über der Fläche eines defektfreien Solarzellenelementes und in Figur 4b für ein defektes Solarzellenelement aufgetragen ist. Im Vergleich der Topogramme ist der Defekt des Solarzellenelementes 1 im rechten unteren Bereich in Figur 4b gut erkennbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen (1) mit einer Halterung (2) für mindestens ein zu untersuchendes Solarzellen- element (1) und einer Messanordnung (3) zur ortsabhängigen optischen
Anregung des Solarzellenelementes (1 ) und Detektion des aus der optischen Anregung resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes (1 ), wobei die Halterung (2) relativ zu der Messanordnung (3) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (3)
eine Vielzahl von in einer Gruppe nebeneinander angeordnete Lichtquellen (6), die auf ein von der Halterung (2) aufgenommenes Solarzellenelement (1 ) zur ortsaufgelösten optischen Anregung des Solarzellenelements (1 ) ausrichtbar sind, und
im Wirkungsbereich jeder Lichtquelle (6) jeweils eine der Lichtquelle (6) zugeordnete Magnetfeldsensoranordnung zur Detektion der durch die optische Anregung verursachten Fotostromverteilung hat, und dass
Mittel (7, 8) zur Modulation der Anregungssignale der Lichtquellen (6), und
- mit den Magnetfeldsensoranordnungen verbundene Sensorsig- nalauswertemittel (4, 10, 11) zur ortsaufgelösten Detektion von Defekten des Solarzellenelementes (1 ) durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoranordnungen bei einer jeweiligen Modulationsfrequenz gemessenen Magnetfeldstärken vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Modulationsfrequenz im Bereich von 10 kHz bis 10.000 kHz liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Modulationsfrequenzen für eine Folge von benachbarten Lichtquellen (6) unterscheiden und die Abstände der Modulationsfrequenzen für benachbarte Lichtquellen (6) mindestens dem doppelten Wert der Detekti- onsbandbreite der Messanordnung und höchstens dem Wert entspre- chen, der sich aus dem Quotienten der maximalen Modulationsfrequenz der Lichtquellen und deren Anzahl in der Messanordnung ergibt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abstand der Lichtquellen (6) in einer Gruppe und durch die Verschiebung der Solarzelle in Bezug auf die
Gruppe von Lichtquellen (6) und die Häufigkeit der Aufnahme von Messwerten während der Verschiebung eine Magnetfeldverteilung mit einer Ortsauflösung ermittelt wird, die der typischen Defektgröße in den Solarzellen angepasst ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe eines Flächenelementes, dem ein Messwert zugeordnet wird im Bereich von 50 mm2 bis 10 mm2 liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der von den Lichtquellen (6) auf dem Solarzellenelement (1) abgebildeten Leuchtpunkte maximal eine Ausdehnung hat, die dem Abstand der Lichtquellen (6) in der Gruppe entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der von einer Lichtquelle (6) auf dem Solarzellenelement (1 ) beleuchteten Fläche etwa 25 mm2 beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoranordnung richtungsunabhängige Detektoren für das Magnetfeld hat.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoranordnung richtungsabhängige Magnetfeldsensoren (9a, 9b, 9c) für das Magnetfeld hat, wobei Magnetfeldsensoren (9a, 9b, 9c) zur selektiven Erfassung von mindestens einer Magnetfeld- komponente des resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes
(1) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignalauswertemittel für jeden Magnet- feldsensor (9) einen Lock-in-Messsignalverstärker zur schmalbandigen
Verstärkung und phasenempfindlichen Gleichrichtung der Magnetfeld- Sensorsignale in Bezug auf die Modulationsfrequenz der jeweils zugeordneten Lichtquelle (6) haben.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Lichtquellen (6) und / oder der Abstand benachbarter Magnetfeldsensoren (9) voneinander im Bereich von 5 bis 10 mm liegt.
12. Verfahren zur Detektion von Defekten an Solarzellenelementen (1 ) mit den Schritten:
a) ortsabhängige optische Anregung des Solarzellenelementes (1 ),
b) Detektion des aus der optischen Anregung resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes (1), und c) Auswerten der gemessenen Magnetfeldstärken zur Detektion von Defekten des Solarzellenelementes (1),
d) Verschieben des Solarzellenelementes (1 ) relativ zu einer Mess- anordnung (3) zur Durchführung der Schritte a) und b) und Wiederholen der Schritten a) bis c),
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Anregung des Solarzellenelementes (1 ) mit einer
Vielzahl von in einer Gruppe nebeneinander angeordneten Lichtquellen (6) erfolgt, die auf das Solarzellenelement (1 ) ausgerichtet sind,
die Detektion eines durch eine Lichtquelle (6) verursachten Magnetfeldes durch eine der Lichtquelle (6) zugeordnete Magnetfeldsensoranordnung erfolgt, und
die ortsaufgelöste Detektion von Defekten des Solarzellenelemen- tes (1) durch Auswertung der von den Magnetfeldsensoranordnungen gemessene Magnetfeldstärken durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungssignale der Lichtquellen (6) mit Modulationsfrequenzen moduliert sind, die sich für eine Folge von benachbarten Lichtquellen (6) unterscheiden, und die Auswertung der Magnetfeldstärken in Abhängigkeit von den Modulationsfrequenzen zur ortsaufgelösten Detektion von Defekten des Solarzellenelementes (1) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenzen im Bereich von 10 kHz bis 10.000 kHz gewählt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Modulationsfrequenzen für benachbarte Lichtquellen (6) mindestens dem doppelten Wert der Detektionsbandbrei- te der Messanordnung und höchstens dem Wert entsprechen, der sich aus dem Quotienten der maximalen Modulationsfrequenz der Lichtquellen und deren Anzahl in der Messanordnung ergibt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeich- net, dass durch den Abstand der Lichtquellen (6) in einer Gruppe und durch die Verschiebung des Solarzellenelementes (1 ) in Bezug auf die Gruppe von Lichtquellen (6) und die Häufigkeit der Aufnahme von Messwerten während der Verschiebung eine Magnetfeldverteilung mit einer Ortsauflösung ermittelt wird, die der typischen Defektgröße in den Solar- zellenelementen (1 ) angepasst ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe eines Flächenelementes, dem ein Messwert zugeordnet wird, im Bereich von 50 mm2 bis 10 mm2 liegt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der von den Lichtquellen (6) auf dem Solarzellenelement (1) abgebildeten Leuchtpunkte maximal eine Ausdehnung hat, die dem Abstand der Lichtquellen (6) in der Gruppe entspricht.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der von einer Lichtquelle (6) auf dem Solarzellenelement (1) beleuchteten Fläche etwa 25 mm2 beträgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch richtungsunabhängige Detektion der Magnetfeldstärken.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet, durch richtungsabhängige Detektion der Magnetfeldstärken, wobei mindestens eine Magnetfeldkomponente des resultierenden Magnetfeldes des Solarzellenelementes (1) detektiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21 , gekennzeichnet durch schmalbandige Verstärkung der jeweils gemessenen Magnetfeldstärke- Messsignale und phasenempfindliche Gleichrichtung der bandpassgefil- terten verstärkten Messsignale, wobei die schmalbandige Verstärkung und phasenempfindliche Gleichrichtung der Magnetfeldsensoren (9a, 9b,
9c) in Bezug auf die Modulationsfrequenzen der jeweils zugeordneten Lichtquellen (6) erfolgt.
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