Inline-Messtechnik und Qualitätssicherung

Lumineszenz
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Multikristalliner Siliciumwafer in unserem Messaufbau - zeitmodulierte Lumineszenz wird zur Messung der Ladungsträgerlebensdauer von Wafern und Solarzellen verwendet.

 

Angesichts der rasant wachsenden Produktionskapazitäten und der immer effizienter werdenden Zellkonzepte und -prozesse gewinnt die Qualitätssicherung in der Solarzellenfertigung zunehmend an Bedeutung und wird international zum wettbewerbsbestimmenden Faktor. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrads und des steigenden Durchsatzes der Fertigungslinien erfordert eine effiziente Qualitätskontrolle schnelle Inline-Messtechnik und leistungsfähige Systeme zur Datenerfassung und statistischen Datenauswertung.

Am Fraunhofer ISE testen wir in unserem Photovoltaik-Technologie Evaluationscenter (PV-TEC) verschiedenste Inline-Messverfahren hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für die Qualitäts- und Prozesskontrolle unter industriellen Bedingungen. Mit den vorhandenen Methoden sind wir in der Lage, alle wesentlichen Qualitätsparameter an Ausgangswafern, Solarzellenvorläufern und fertigen Solarzellen zu messen und durch ein System der Waferverfolgung waferfein zuzuordnen. Dies ermöglicht einerseits eine effiziente Kontrolle der Einzelprozesse und andererseits die Bereitstellung umfassender QC-Datensätze zu durchgeführten Experimenten. Durch die direkte Ankopplung eines Charakterisierungslabors an die Fertigungslinie ist es zudem möglich, für Detailanalysen Stichproben prozessbegleitend mit unterschiedlichsten Offline-Messverfahren zu vermessen.

Neben der Qualitätssicherung für den Forschungsbetrieb im PV-TEC, gliedert sich unsere Forschung in drei Teilbereiche:

 

Messtechnik-Evaluation

Inline-Solarzellentester
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Inline-Solarzellentester.

Das PV-TEC bietet hervorragende Rahmenbedingungen, um neue Messgeräte von Herstellern für den Einsatz in der Photovoltaikindustrie zu qualifizieren. Es können Testproben jeder Ausprägung hergestellt werden, so dass das im Feld auftretende Probenspektrum in voller Breite in die Messtauglichkeitsprüfung einbezogen werden kann. Zur Ermittlung der Messgenauigkeit steht eine Vielzahl von Referenzmethoden zur Verfügung. Um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu ermitteln, können Inline-Messsysteme zudem temporär in Messautomaten integriert und so unter industriellen Bedingungen getestet werden. Somit können Probleme effizient identifiziert und gemeinsam mit dem Hersteller beseitigt werden.

Messtechnik-Entwicklung

Inline-Kontaktierung
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Inline-Kontaktierung.

In verschiedenen Segmenten entwickeln wir am Fraunhofer ISE selbst oder mit Partnern Messtechnik und Methoden. Beispiele sind u. a.:

  • Photo- und Elektrolumineszenz-Imaging
    Aufnahmen der Elektro- und Photolumineszenz sind wegen der geringen Messzeit und der Möglichkeit unterschiedliche Zellparameter ortsaufgelöst bestimmen zu können von sehr großem Interesse für die 100%-Kontrolle in der Produktion. Wesentliches Problem für den industriellen Einsatz ist jedoch die Mehrdeutigkeit der Bildinformation. Neben der Messtechnik an sich werden am Fraunhofer ISE Methoden zur industriellen Charakterisierung von Wafern und Solarzellen entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung (i) von inline-fähigen Aufnahmeverfahren zur Kontrasttrennung und quantitativen Bestimmung physikalischer Parameter und (ii) von Bewertungsalgorithmen zur automatisierten Erkennung von Prozess- und Materialfehlern.
  • Verfahren der Waferidentifikation
    Die Einzelwaferverfolgung ist in Forschungslinien aufgrund der hohen Produktvielfalt zwingend erforderlich, gewinnt aber auch in der Massenfertigung aufgrund des erwartet tieferen Einblicks in die Prozesszusammenhänge an Bedeutung. Da ein rein logistisches Wafertracking begrenzt robust ist, entwickeln wir am Fraunhofer ISE Markierungsverfahren und untersuchen Erkennungssysteme auf ihre Zuverlässigkeit in Abhängigkeit von der verwendeten Codestruktur.
  • Messblöcke für Rückseitenkontakt-Solarzellen
    Ein wesentliches Strukturelement hocheffizienter Solarzellenkonzepte sind die rückseitig liegenden Kontaktstrukturen zur Stromabführung. Die elektrische Vermessung derartiger Solarzellen erfordert einseitig kontaktierende Messblöcke. Am Fraunhofer ISE werden geeignete Messblockkonzepte entwickelt und nach Kundenanforderungen realisiert

Konzepte der Produktionskontrolle

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Aus produktionstechnischer Sicht stellen Forschungslinien wie die PV-TEC Linie mit ihrer hohen Produktvielfalt und den vergleichsweise geringen Losgrößen besondere Anforderungen an ein zentrales Leitsystem. So muss es z. B. möglich sein, komplexe Versuchspläne mit hoher Variationstiefe zu definieren (Auftragsplanung) und in einem automatisierten Fertigungsprozess umzusetzen (Auftragsdurchführung). Darüber hinaus muss die Vielzahl an Produktvarianten auch bei der statistischen Datenanalyse bzw. bei der Prozess- und Anlagenüberwachung berücksichtigt werden. Aufgrund des Zuschnitts für die Massenfertigung sind diese Anforderungen in herkömmlichen Produkten nur unzureichend abgebildet. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir daher innovative Konzepte für einen effizienten Betrieb von Forschungslinien bis hin zu eigenständigen Software-Modulen und erproben diese im Zusammenspiel mit einem kommerziellen Prozess- und Produktionskontrollsystem.