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Zeilenkameras nehmen Solarmodule unter die Lupe

Dünnschicht-Solarmodule benötigen nur ungefähr 2 % des Siliziums, das bei klassisch hergestellten Silizium-Wafer-Modulen verwendet wird. Zudem nutzen sie das volle Spektrum des Sonnenlichts besser. Um von den Vorteilen profitieren zu können, müssen die Teilprodukte und die fertigen Module fehlerfrei sein. Dabei hilft ein Zeilenkamera-basiertes Inspektionssystem von Basler.

Im Bereich der Silizium-basierten Dünnschichttechnologie sind die sogenannten Tandem-Junction-Module besonders effizient. Diese verwenden sowohl amorphes als auch mikrokristallines Silizium. Diese beiden Schichten liegen übereinander und absorbieren das Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlenspektrums, was die Ausbeute erhöht. Die Tandem-Junction-Module haben derzeit rund 9 % Effizienz und werden mittelfristig durch Weiterentwicklungen sogar bis 12 % erreichen. Im Gegensatz dazu liegen Single-Junction Modulen mit ihrer einen, rein amorphen Schicht nur bei einer Effizienz von ungefähr 6 %.

Inspektion vom optischen Dutzend
Die Produktion von Silizium-basierten Dünnschichtmodulen erfolgt in mehreren Schritten. Grundlage ist ein dünnes bis zu 6 m² großes Glassubstrat, auf das unterschiedliche Schichten aufgebracht werden. Damit nur fehlerfreie Teilprodukte die Kette durchlaufen, wird an jedem relevanten Schritt eine optische Inspektion durchgeführt. In diesem Produkionsprozess deckt das Zeilenkamerassystem von Basler Vision Technologies typischerweise drei zentrale Schritte ab. Während die Prüflinge mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min bis zu 30 m/min inline von Station zu Station transportiert werden, werden sie von bis zu zwölf Zeilenkameras gleichzeitig erfasst und bewertet (Bild 1).
Bei der reinen Glasinspektion am Anfang der Produktionskette wird insbesondere auf Defekte an den Kanten und Ecken der Gläser geachtet, da diese zu Glasbruch und damit zum Produktionsstillstand führen können. Zusätzlich untersucht das Kamerasystem die gesamte Fläche des Glases auf typische Fehler, wie Luftblasen, metallische Einschlüsse und Kratzer. Es lokalisiert diese Defekte genau, um Fehler im Herstellungsprozess rückverfolgen und beheben zu können.

Schrittweise Wafer-Veredelung
Im Anschluss an die Eingangsprüfung der Gläser wird die erste leitende Schicht, der Frontkontakt in Form einer TCO-Beschichtung (Transparent Conductive Oxide), aufgetragen. Anschließend folgt der sogenannte PECVD-Prozess (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in dem ein oder zwei dünne Lagen Silizium aufgebracht werden. Als letzte leitende Schicht trägt ein Automat den sogenannten Rückkontakt auf. Die größten Probleme in diesen Beschichtungen bereiten feine Risse (Scratches) und Einstiche (pinholes), die zu Kurzschlüssen und einer deutlichen Effizienzreduzierung im finalen Modul führen können. Auf diesen Fehlern liegt der Fokus der Inspektionssysteme bei den Beschichtungen.
Nach jedem Beschichtungsschritt unterteilt ein Laser die großen Gläser in kleinere Zellen. Bei dieser Strukturierung entfernt ein Laser die Schichten an definierten Stellen. Insgesamt wird dreimal strukturiert bevor das Modul laminiert und mit dem hinteren Deckglas versehen wird. Nach diesem Schritt prüfen Kameras die Module noch einmal auf Blasen, Kratzer und Delaminationen, die beispielsweise Feuchtigkeit eindringen lassen und die Lebensdauer verringern würden.

Datenvorverarbeitung on board
Je nach Inspektionsaufgabe benötigt man Kameras mit Auflösungen von 25 µm bis 50 µm. Dafür bieten sich die 8k-Zeilenkameras L803 an. Zwölf von ihnen können eine Glasfläche von 2 200 mm × 2 600 mm inspizieren. Ergänzend kommen ein Industrie-PC sowie sechs eigens entwickelte Bildverarbeitungskarten, sogenannte LSP-Boards (line scan processing) hinzu. Während die Solarmodule auf einem Transportband die verschiedenen Veredelungsschritte durchlaufen, nehmen die Kameras Bilder auf und senden die Daten per Camera-Link-Schnittstelle an die Bildverarbeitungskarten. Um die große Datenmenge verarbeiten zu können, die in dieser kurzen Zeit und bei der großen Zahl von Kameras anfällt, führen die LSP-Boards schon eine Vorverarbeitung der Daten in Echtzeit durch. Die Bilddaten werden nach fehlerfreien sowie fehlerhaften Bereichen getrennt und die gefundenen Defekte werden entsprechend der Inspektionsaufgabe weiter verarbeitet.

Analyse in Sekundenschnelle
Für die Identifikation der Fehler setzt Basler die speziell entwickelte Software Sensic ein (Bild 2). Diese gibt die Position und die Größe der Defekte an, analysiert und klassifiziert sie und speichert die Bilder in einer Datenbank. Nachdem ein Prüfdurchgang beendet ist, sendet die Software in maximal 2 s automatisch eine „Gut“- oder „Schlecht“-Entscheidung an die übergeordnete zentrale Automatisierungsanlage. Dies ermöglicht das sofortige Ausschleusen von fehlerhaften Teilprodukten, die in nachfolgenden Prozessschritten Material verbrauchen würden oder an kritischen Stellen zerbrechen können. Zusätzliche Informationen, wie Modul-ID und Systemstatus, liefert das Protokoll gleich mit, um die Anlage durch Mitarbeiter zu überwachen. Diese können dann gegebenenfalls in die laufende Produktion eingreifen.

Fazit
Vor den Beschichtungsschritten lohnt sich für die Produzenten der Dünnschichtmodule eine Eingangskontrolle der Gläser: Bricht ein Glas im CVD-Prozess, bedeutet dies einen Produktionsstillstand von mehr als 8 h. Die Kosten für den Ausfall der Produktion über einen solchen Zeitraum belaufen sich auf rund 115 000 €. Kann dies durch eine Inspektion der Roh-Glassubstrate verhindert werden, rechnet sich der Investitionsaufwand für eine Inspektionsanlage schnell. Setzen Produzenten von Solarmodulen solche Inline-Prüfanlagen zur Ausschleusung fehlerhafter Zwischenprodukte in der gesamten Produktionskette ein, können sie sowohl die Prozessschritte als auch ihre Ausbeute verbessern. Damit steigern sie die Effizienz und senken die Produktionskosten.

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Bild 1. Bis zu zwölf Zeilenkameras der Serie L800 inspizieren die Module bei einem Arbeitsschritt

Bild 2. Die Sensic-Anlage wurde für Prüfaufgaben in der Dünnschicht-Industrie entwickelt

Autor: Eva Tischendorf ist Specialist Market Communications bei Basler Vision Technologies in Ahrensburg.