Metrologie und Simulationsmethoden

Unsere Arbeit im Geschäftsfeldthema »Metrologie und Simulationsmethoden« ist geprägt durch unsere Kompetenz im Bereich der Analyse von Solarzellen und -modulen, basierend auf unserer langjährigen Expertise im Technologie- und messtechnisch-physikalischen Bereich. Wir verfügen über detailliertes Wissen über Solarzellstrukturen und -physik, messtechnische Konzepte und Simulationsmethoden, sowie umfangreiche Datensammlungen zu Solarzellparametern. Darüber hinaus nutzen wir für die Datenanalyse leistungsstarke Ansätze des maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz.

Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Messgeräten und Analysemethoden zur Verbesserung von Materialien, Solarzellen und Modulen und zur Optimierung der Inspektion und Qualitätssicherung in der Produktion. Wir entwickeln Lösungen gemeinsam mit und für Messtechnik- und Sensorhersteller, Material-, Zell- und Modulhersteller, Anbieter von Datenanalyse-Systemen sowie Forschungsinstitute.

Wir bieten Lösungen in den Bereichen Qualitätssicherung, automatisierte Prozess- und Produktionskontrolle, Messmethoden- und Messsystem-Entwicklung, Material- und Zellanalyse, Simulation und Modellierung, sowie automatisierte Datenanalyse und Bildverarbeitung/Künstliche Intelligenz. In unserem unabhängigen und akkreditierten Kalibrierlabor CalLab PV Cells bieten wir zertifizierte Solarzellenmessungen an.

Messverfahren für die Prozess- und Materialanalytik

Photolumineszenz-basierte Aufnahme der internen Spannungen (iVoc) in den Teilzellen einer Perowskit-Perowskit-Silizium-Triplesolarzelle.
© Fraunhofer ISE / Grafik: Oliver Fischer, Martin Schubert
Photolumineszenz-basierte Aufnahme der internen Spannungen (iVoc) in den Teilzellen einer Perowskit-Perowskit-Silizium-Triplesolarzelle.

Um detaillierte Informationen zur Bewertung von Materialien für die Modulherstellung zu erhalten, entwickeln wir neue Messansätze und optimieren existierende Verfahren. Neben der genauen Analyse von Siliziummaterialien für Solarzellen sind hier zum Beispiel auch Perowskitabsorber und verschiedene funktionale Schichten im Fokus unserer Analysen.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

  • Bestimmung der Konzentration von Fremdatomen in Silizium (z.B. Wasserstoff, Eisen) 
  • Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer und der internen Spannung (iVoc) in Silizium oder Perowskiten als Materialien in Einfach- oder Mehrfachsolarzellen
  • Detailanalysen mittels Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und weiterer Verfahren
  • Inlineanalyse für Siliziumwafer und funktionale Schichten 

Messverfahren für die Zellanalyse

Inline-Solarzellanalyse im PVTEC.
© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
Inline-Solarzellanalyse im PVTEC.

Wir führen umfassende Prüfungen von Solarzellen durch, um deren Qualität und Leistungsfähigkeit eingehend zu evaluieren. Dabei bieten wir globale Zellanalyse im Labor unter offline-Bedingungen, sowie inline unter industriekompatiblen Bedingungen bishin zu kalibrierten Messungen für Einfach- und Mehrfachsolarzellen an. Ortsaufgelöste, kamerabasierte Messverfahren mittels Photolumineszenz oder Thermographie ermöglichen die Bewertung der Zellhomogenität und lokalen Defekten, die die globale Zellleistung reduzieren können. Wir untersuchen Einfach- und Mehrfachsolarzellen. Neben Siliziumsolarzellen arbeiten wir insbesondere an Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen und Mehrfachsolarzellen auf III-V-Basis.  

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

  • Optisch-elektrische Analyse von Solarzellen
  • Identifikation von Verlustkanälen und Wirkungsgradlimitierungen
  • Entwicklung neuer Messverfahren

Messverfahren für die Modulanalyse

Materialanalyse eine PV-Moduls: Mit der zerstörungsfreien Materialanalyse mittels Raman-Spektroskopie können Aussagen über Degradationsverhalten und Lebensdauer von Modulen und Komponenten getroffen werden.
© Fraunhofer ISE
Materialanalyse eine PV-Moduls: Mit der zerstörungsfreien Materialanalyse mittels Raman-Spektroskopie können Aussagen über Degradationsverhalten und Lebensdauer von Modulen und Komponenten getroffen werden.

Wir untersuchen als Module eingekapselte Solarzellen – von kleinen Laborlaminaten bis hin zu großformatigen PV-Modulen mit verschiedenen Messverfahren. Im Testlab PV Modules führen wir die in den IEC- bzw. europäischen Normen aufgeführten Prüfungen für Bauartzulassungen aus, im CalLab PV Modules bestimmen wir I/U-Kennlinien unter STC- oder NOCT-Bedingungen (standard testing conditions, nominal operating cell temperature) sowie Temperatur- und Eintrahlungsabhängigkeiten.

Neue Messmethoden entwickeln wir beispielsweise für Perowskit-Silizium-Tandemmodule mittles LED-basierter Strom-Spannungsanalysen.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

Prozesssimulation

Simulierter Ätzabtrag auf der Waferoberfläche
© Fraunhofer ISE
Simulierter Ätzabtrag auf der Waferoberfläche unter zusätzlicher Berücksichtigung eines Eintauchvorgangs.

Mit Hilfe von Prozess-Simulationen können beispielsweise nasschemische Prozesse erforscht werden. Prozesse wie Oberflächenreaktionen, welche von den Strömungsverhältnissen in der unmittelbaren Umgebung abhängen, sind experimentell nur sehr schwer zugänglich. Fragestellungen wie die der Prozesshomogenität können experimentell in umfangreichen Versuchsplänen geklärt werden, was jedoch sowohl zeit- als auch ressourcenintensiv ist. Hier helfen Simulationen, in denen Strömungen und Reaktionen kombiniert werden, um die Vorgänge an der Oberfläche ortsaufgelöst zu untersuchen.

 

Simulation und Modellierung von Zellen und Modulen

Simuliertes Banddiagramm einer Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle unter Kurzschlussstrombedingungen mittels Sentaurus TCAD. Die Tandemstruktur induziert ein starkes elektrisches Feld in der Perowskit-Teilzelle, was zu einer inhomogenen Verteilung der ebenfalls simulierten Anionen und Kationen führt.
© 2024 The Authors. Progress in Photovoltaics: Research in Applications published by John Wiley & Sons Ltd.
Simuliertes Banddiagramm einer Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle unter Kurzschlussstrombedingungen mittels Sentaurus TCAD. Die Tandemstruktur induziert ein starkes elektrisches Feld in der Perowskit-Teilzelle, was zu einer inhomogenen Verteilung der ebenfalls simulierten Anionen und Kationen führt.

Wir verfügen über detaillierte Ansätze zur opto-elektrischen Modellierung von Solarzellenstrukturen auf Silizium-, Perowskit- und III-V-Basis mittels Drift-Diffusionsmodellierung und der Simulation ganzer Solarzellen.

Bei diesen opto-elektrischen Simulationen werden Phänomene der optischen Interferenz, Generation und Rekombination von Ladungsträgern, Ladungsträgertransport an Heteroübergängen, Tunnelprozesse, Photon-Recycling oder Ionenmigration berücksichtigt.

Numerische Simulationen können insbesondere den Entwicklungsprozess komplexer Solarzellenstrukturen deutlich beschleunigen.

FuE-Infrastruktur

Für unsere Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten steht uns am Fraunhofer ISE diese Infrastruktur zur Verfügung:

CalLab PV Cells

Zertifizierte Messungen

In der Photovoltaik ist eine exakte Vermessung von Solarzellen und -modulen von entscheidender Bedeutung. Das Photovoltaik-Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE »CalLab PV Cells« ist eines der führenden Labors weltweit. Wir vermessen alle Typen von Solarzellen und PV-Modulen präzise und zuverlässig gemäß internationalen Standards.

 

Photovoltaic Technology Evaluation Center – PV-TEC

Inline-Messtechnik

Zur Wafer-, Prozess- und Zellinspektion stehen leistungsfähige und hochflexible Inline-Messautomaten zur Verfügung, die mit umfangreicher, größtenteils bildgebender Messtechnik zur elektrischen und optischen Charakterisierung der Wafer und Zellen ausgestattet sind und die Verarbeitung unterschiedlichster Wafer-/Zellformate bei hohem Durchsatz ermöglichen, einschließlich einer waferfeinen Messdatenzuordnung über ein aktives oder virtuelles Wafertracking. Die Systeme sind liefern effiziente und präzise Analysen zur Überprüfung von Qualität und Leistungsfähigkeit. Unsere Kundinnen und Kunden profitieren von aussagekräftigen Daten, die sie bei der Optimierung ihrer Solarzellproduktion unterstützen und die Datenbasis für eine Inline-Verlustanalyse schaffen.

Offline-Analyseverfahren

Unsere Analyseverfahren zur Ursachenfindung von Material- und Zellverlusten umfassen globale, kamerabasierte und lokale Verfahren mit hoher Ortsauflösung. Neben kommerziell verfügbaren Messsystemen setzen wir selbst entwickelte und weiterentwickelte Verfahren ein, die Limitierungen herkömmlicher Ansätze überwinden. Mit unseren innovativen Analysetechniken liefern wir präzise Einblicke in die Ursachen von Verlusten, die gezielte Maßnahmen zur Verbesserung der Bauteile in Forschung und Produktion ermöglichen.

 

Simulationsmethoden, Datenanalyse

Unsere Arbeit umfasst die Nutzung von leistungsstarken Simulationswerkzeuge zur detaillierten Modellierung der Solarzellenphysik. Wir arbeiten zur Modellierung ganzer Solarzellen mit einer Simulationssoftware und verfügen über eine Vielzahl weiterer Simulations- und Auswertetools für die quantitative Zellanalyse. Wir entwickeln für die Solarzellen-Analyse passgenaue Ansätze im Bereich des Machine Learning, der automatisierten Bilderkennung und der Künstlichen Intelligenz. Diese ermöglichen eine effiziente Datenanalyse und Prozessoptimierung, die wir unseren Kunden als maßgeschneiderte Lösungen anbieten.

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

KATANA

Kalibrierung großflächiger Tandem Solarzellen und -module für den industriellen Perowskit-Silizium-Markteintritt

Aktuelle Veröffentlichungen zum Thema »Metrologie und Simulationsmethoden«