Blick in die Zukunft

Elektrolumineszenz ist ein bildgebendes Verfahren, das es erlaubt, schnell, kosteneffizient und zerstörungsfrei Module auf ihre Herstellungs- und Handlingqualität hin zu untersuchen. Es eignet sich aber auch hervorragend zur Fehleranalyse von Photovoltaikmodulen aus dem Feld. Doch man muss dabei wissen, was man tut. Die Aussagekraft der Bilder hängt stark von der Bildqualität ab. Ist die Auflösung zu gering und der Kontrast schwach, können bei der Interpretation schnell Fehler passieren.

Wie der Name sagt, handelt es sich bei der Elektrolumineszenz, kurz EL, um ein Leuchten, das elektrisch angeregt wird. Tatsächlich wird das Solarmodul oder die Solarzelle bei diesem Verfahren von Strom durchflossen und sendet Strahlung aus. Diese Strahlung hat ihr Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 1.050 bis 1.150 Nanometern für kristallines Silizium, ist also langwelliger als das sichtbare Licht. Man spricht hier vom nahen Infrarot (NIR). Im Prinzip werden die Solarzellen also wie LEDs (Light Emitting Diodes) betrieben, nur dass die meisten LEDs auf anderen Halbleitern basieren, die im sichtbaren Bereich emittieren. Lumineszenzverfahren sind in vielen Wissenschaftsbereichen üblich. In der Photovoltaik wurde die Elektrolumineszenz 2005 durch T. Fuyuki eingeführt, einen Mitarbeiter von Sharp Solar, der das Verfahren im selben Jahr auf der PVSEC vorstellte. Seit ungefähr 2007 wird weltweit in allen PV-Laboren intensiv an der Methode gearbeitet.

Wie sieht der Aufbau für eine EL-Messung aus?

Das PV-Modul wird in Vorwärtsrichtung mit Hilfe eines Netzteils betrieben. Für typische Module mit Sechs-Zoll-Zellen sind etwa acht Ampere Strom nötig, um ausreichend Elektrolumineszenz zu erzeugen. Die von den Solarzellen emittierte Strahlung kann mit Hilfe einer Kamera, deren Sensor im NIR-Bereich empfindlich ist, aufgenommen werden. Normale CCD-Kameras eignen sich hierfür üblicherweise nicht, da die Optik so beschaffen ist, dass nicht sichtbares Licht herausgefiltert wird, um die Kameraelektronik nicht zu stören. Spezielle Industriekameras sind jedoch ohne diese Unterdrückung verfügbar und können als NIR-Kameras eingesetzt werden. Über einen Rechner werden die Kamera gesteuert und die Bilder abgespeichert.

Was erkenne ich in EL-Bildern?

Mit Hilfe von EL-Bildern kann eine Reihe von Defekten für das menschliche Auge sichtbar gemacht werden. Neben Zellrissen, die durch Fehler im Modulbau und in der Handhabung oder durch Umwelteinflüsse wie zu hohe Schneelasten entstehen, können Prozessabweichungen im Zellherstellungsprozess, zum Beispiel im Feuerofen, bei der Kantenisolierung und in der Waferfertigung identifiziert werden. Auf EL-Aufnahmen können zahlreiche Effekte zwar im Prinzip erkannt werden, doch die EL-Bilder alleine sind oft nicht ausreichend für die exakte Diagnose der Fehler und ihrer Auswirkungen. Daher kann zusätzlich eine Leistungs- oder Infrarotmessung sinnvoll sein.

Mikrorisse

Am einfachsten können sogenannte Mikrorisse erkannt werden, wie sie in den Fehlerbildern C01 bis C08 (Seite 122 bis 124) dargestellt sind. Die spröden Siliziumzellen sind an diesen Stellen gebrochen, oft sind die Bruchstücke jedoch durch die duktileren Kontaktfinger auf der Vorderseite und die Rückseitenmetallisierung noch elektrisch kontaktiert. Doch es ist davon auszugehen, dass die elektrischen Verbindungen mit der Zeit aufgetrennt werden. Dann verinselt das Bruchstück und es trägt nicht mehr zur Stromproduktion bei. Eine Aussage dazu, wann das genau passieren wird, ist jedoch schwierig. Umweltbedingungen haben hier einen wesentlichen Einfluss.

Der durch Risse und Verinselung entstehende Leistungsverlust hängt insbesondere von der Kennlinie der beteiligten Zellen ab und kann sehr unterschiedlich sein. Es gibt in der Literatur beispielhaft Simulationen, die unter ihren jeweiligen Randbedingungen zur Abschätzung herangezogen werden können. Zur Abschätzung des Leistungsverlustes muss man folgende Punkte berücksichtigen:

  • Kennlinie der betroffenen Zelle
  • Zahl der gebrochenen Zellen pro Modul
  • Zahl der in Serie geschalteten Module
  • Wahrscheinlichkeit, dass es durch den Riss zur elektrischen Verinselung kommt.

Neben einfachen Rissen (C01 bis C06) können auch Vielfachrisse und baumförmige Strukturen entstehen (siehe C07; Seite 124). Diese sind eine besonders kritische Ausprägung von Vielfachrissen.

Abweichende Waferqualität

Das Aussehen der EL-Bilder wird bei multikristallinen Silizium-Solarzellen stark durch die Waferqualität geprägt. Aber auch monokristalline Zellen zeigen typische Eigenschaften. Inhomogenitäten, unerwünschte Fremdatome, Korngrenzen und Versetzungen können zu unterschiedlichen Kontrasten führen. Beispiele sind in den EL-Aufnahmen von monokristallinen Zellen dargestellt (siehe D04 unten; Seite 125). Sie zeigen inhomogene Konzentrationen von Verunreinigungen, die durch den Ingot-Herstellungsprozess entstehen. Der Effekt führt zu konzentrischen Ringen in der EL-Aufnahme.

Bei multikristallinen Siliziumzellen entstehen Kontrastunterschiede abhängig von der Anzahl beziehungsweise der Größe der Körner und der Ausprägung der Korngrenzen. Zusätzlich kommen in den Randbereichen der Silizium-Brigg-Herstellung unterschiedliche Konzentrationen von Verunreinigungen dazu, gepaart mit kleineren Körnern, die in der Regel zu etwas dunkleren Randbereichen der Zellen im EL-Bild führen.

Prozessabweichungen

Kleinere Prozessschwankungen während der Produktion von c-Si Solarzellen lassen sich aufgrund der Vielzahl der Prozesse nicht vermeiden. Die Streuung wird in der Regel durch die Zellsortierung reduziert, was Qualitätshersteller auszeichnet. Ein häufig aufzufindender Effekt sind kleinere Abweichungen des Temperaturprofils im Feuerungsofen, die im EL-Bild durch eine sogenannte Feuerkettenstruktur (Abdrücke der Metallförderbänder) sichtbar werden (siehe D01; Seite 124).

Eine weitere wichtige Größe im Zellprozess ist die Herstellung der Antireflexionsschicht, die den Zellen den heute üblichen schwarzen Farbton verpasst. Diese aus Siliziumnitrid (SiN) bestehende Schicht ist entscheidend für die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber potenzialinduzierter Degradation, kurz PID. Leider lässt sich diese Abhängigkeit nicht direkt sichtbar machen. Um die Prozessschwankungen zu erkennen, muss man einen PID-Test durchführen und danach EL-Bilder aufnehmen. Prozessschwankungen werden dann durch eine unterschiedlich schnelle Abnahme des EL-Signals im Laufe des Tests sichtbar. Grundlegende und empfehlenswerte Arbeiten zum Thema EL und Mikrorisse wurden zwischen 2007 und 2012 von Marc Köntges vom Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal (ISFH) veröffentlicht.

Lokale Shunts

Kleine und dunkle Flächen können durch lokale Shunts oder durch andere Störstellen im PN-Übergang ausgelöst werden (siehe D03; Seite 124). Das sind kleine Kurzschlüsse. Diese beruhen oft auf Materialdefekten, können aber auch im Herstellungsprozess durch Handlingwerkzeuge wie zum Beispiel Sauger entstehen. Entlang der Kanten können durch Fehler bei der Kantenisolierung auch linienförmige Shunts entstehen. Diese Defekte sind in der Regel sehr stabil und verändern sich nicht im Laufe der Zeit. Leistungsverluste aufgrund einer weiteren Degradation der Zelle sind nicht zu erwarten. Allerdings kann es bei diesen Defekten zu Hotspots kommen. Diese können zum Beispiel die Rückseitenfolie beschädigen und somit die Langzeitperformance des Moduls negativ beeinflussen.

Gebrochene Kontaktfinger

Unterbrochene Kontaktfinger können drei Hauptursachen haben. Treten diese Fingerunterbrechungen auf der Zelle verteilt (siehe D02; Seite 124) und auf mehreren Zellen im Modul an der gleichen Stelle auf, liegt der Grund in der Zellproduktion, hervorgerufen durch ein defektes oder verschmutztes Drucksieb zur Frontkontaktierung. Mit dem Mikroskop ist dieser Fehler auch ohne EL-Aufnahme zu erkennen. Ein weiterer Grund kann ein Riss in der Solarzelle sein. Ist dieser Riss weit genug, werden die Finger der Solarzelle zerrissen (siehe linke Seite im Bild C01). Der dritte Grund ist eine fehlerhafte Lötung der Bändchen auf den Solarzellen. Dieser Fehler tritt häufig nicht nur an einer Zelle im Modul auf, sondern an mehreren Zellen hintereinander. Er führt dann zu erheblichem Leistungsverlust. Allerdings ist der Fehler nur in extremen Fällen sofort sichtbar. Ein Temperatur-Wechsel-Test bringt ihn jedoch recht schnell zum Vorschein.

Fehlerkatalog

Eine Übersicht von Unregelmäßigkeiten, die mit Hilfe von EL-Aufnahmen sichtbar gemacht werden können, ist im folgenden Fehlerkatalog dargestellt. Er unterschiedet Einfachrisse (siehe C01 bis C06), hier ist die c-Si-Solarzelle nur einmal gerissen, und Mehrfachrisse (C07 und C08), wo die Zelle mit mindestens zwei, häufig aber auch mehr Rissen versehen ist. Mehrfachrisse sollten in der Regel nicht auftreten und entstehen meistens beim Modulbau und bei der Modulhandhabung. Ob und in welchem Umfang Einfachrisse zu einem Leistungsverlust führen, hängt von der Lage und vom Endpunkt des Risses ab. Risse, die mitten auf der Zelle enden, sind kritisch, da nicht vorhersagbar ist, wohin sich der Riss ausbreiten wird (C06). Der Risstyp C01 ist, abhängig von seiner Position und der möglichen entstehenden inaktiven Fläche, unterschiedlich kritisch. Ist die Fläche klein, stellt dieser Riss für das Modul und die Langzeitstabilität kein Problem dar. Die Risstypen C02 bis C05 sind nicht so kritisch, da diese Risse ziemlich stabil sind und in der Regel nur einen geringen Leistungsverlust zur Folge haben. Treten die Risstypen C01 bis C05 häufig in einem Modul auf, ist wahrscheinlich etwas mit dem Zell- und Modulhandling nicht in Ordnung. Sich wiederholende Rissstrukturen sind hierfür ein sehr gutes Zeichen, zum Beispiel wenn immer die gleiche Zellecke beschädigt ist.

Neben Rissen sind fünf weitere häufig auftretende Defekte in den Bildern D01 bis D05 dargestellt. Die Defekte auf den Abbildungen D01 bis D03 sind je nach Ausprägung durch den Zellprozess bestimmt. Allerdings können schlechte Lötprozesse zusätzliche Fingerunterbrechungen und Shunts in der Nähe der Busbars erzeugen. Liegt die Ursache im Lötprozess, ist Vorsicht geboten. Das unter D04 abgebildete Phänomen ist, wenn man es genau nimmt, kein Defekt. Bei multikristallinen Zellen besteht der Wafer, wie der Name schon sagt, aus vielen kleinen Siliziumkristallen. Diese sind alle unterschiedlich orientiert, unterschiedlich groß und durch Korngrenzen miteinander verbunden. All dies führt zu unterschiedlichen Kontrasten in der Elektrolumineszenz. Korngrenzen, aber auch Versetzungen sehen ab und zu wie Risse aus, sind aber keine. Hier hilft in der Regel ein Vergleich mit der Kornstruktur der Nachbarzellen im Modul, um die Entscheidung Riss oder Korngrenze treffen zu können. Unter D05 ist ein kritischer Defekt zu sehen. Er kann als Ursache entweder eine fehlende Lötung im Modulbauprozess haben oder ein durch mechanische Beanspruchung gebrochenes Lötbändchen. Ersteres tritt häufig bei der ersten oder letzten Zelle im String auf, die zum Querverbinder hin kontaktiert ist.

In der Übersicht sind alle Defekte kurz beschrieben und mit Beispielbildern versehen. Zusätzlich ist als Richtlinie die Risikoklasse des Risses oder Defekts abgeschätzt. Hier ist auch eine Einschätzung des Leistungsverlusts zu finden und eine Zahl von Rissen, die noch tolerabel ist. Als maximale Zahl der Risse ist fünf angesetzt. Dies ist die maximale Anzahl für einen Defekt, aber auch als Summe für das ganze Modul. So sind zum Beispiel zwei C01- und drei C04-Risse erlaubt (Summe fünf), aber nicht vier C01- und vier C04-Risse (Summe acht).