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Mikrorissbildung in
kristallinen Solarzellen:
Visuelle Detektion und
Klassifizierung
Ufuk Yusufoglu, Justus van Mölken, Tobias
Pletzer, Heinrich Kurz
Institut für Halbleitertechnik
RWTH Aachen
10. November 2014
Motivation
• Detektion von Mikrorissen in Solarzellen
Wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung
Elektrolumineszenz
Unterscheidung zwischen verschiedenen Defekten
Bedarf nach einfachen Methoden für die visuelle Detektion von Mikrorissen
• Welche Mikrorisse sind kritischer einzustufen?
Klassifizierung
Häufigkeit der Risstypen
Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften
Gliederung
• ELIR: Auswertung von Elektrolumineszenzbildern von Solarzellen und -modulen
– Visuelle Detektion der Mikrorisse
• Klassifizierung der Mikrorisse
– Multikristalline Solarzellen
– Monokristalline Solarzellen
• Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der Solarzellen
• Zusammenfassung
Gliederung
• ELIR: Auswertung von Elektrolumineszenzbildern von Solarzellen und -modulen
– Visuelle Detektion der Mikrorisse
• Klassifizierung der Mikrorisse
– Multikristalline Solarzellen
– Monokristalline Solarzellen
• Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der Solarzellen
• Zusammenfassung
ELIR
Bildverarbeitung der Rohdaten aus
Elektrolumineszenz
Infrarot-Thermographie
Beschleunigte Bildauswertung
Vereinfachte Analyse
Unter MATLAB oder als
kompiliertes Windowsprogramm
ELIR wurde von Herrn van Mölken im Rahmen
des Projekts „InnoPV“ FK: AZ 64.65.69 EN-1022C
entwickelt.
ELIR
0) Grundeinstellungen
Wählen eines EL-Bildes bzw. eines
Ausschnitts davon
4 Funktionen stehen zur Verfügung:
1) Erstellen von Tabellen aus Messdaten
Mittelwert, Standardabweichung, minimaler
und maximaler Wert der Counts innerhalb
des gewählten Bildausschnittes
Rechenwerte aus den Bilddaten
z.B. angelegter Strom am EL-Messplatz
Bilddimension
0)
1)
ELIR
2) Erstellen von Bildern aus Messdaten
Stapelverarbeitung der Bilddateien unter
Berücksichtigung des gewählten Ausschnitts
3) Berechnung von ortsaufgelösten
Quotienten- bzw. Serienwiderstandsbildern
2)
3)
4) Erstellung von Collagen bestehend aus
mehreren Messdateien
Anordnung von bis zu sechs Bilddateien für
einen übersichtlichen Vergleich
4)
ELIR: Anwendung an verkapselten Solarzellen im PV Modul
[1] Mathiak et al., „Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages,“ EUPVSEC 2014
Vor mechanischer Belastung Nach mechanischer Belastung Quotientenbild
Leichte Bedienung und Auswertung von EL-Bildaufnahmen
Präzise Detektion von neu erzeugten Mikrorissen sowie Kontaktfingerbrüchen
Präzise Filterung von Korngrenzen bei multikristallinen Solarzellen
ELIR: Anwendung an verkapselten Solarzellen im PV Modul
[1] Mathiak et al., „Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages,“ EUPVSEC 2014
[1] Mathiak et al., „Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages,“ EUPVSEC 2014
Quotientenbild
Leichte Bedienung und Auswertung von EL-Bildaufnahmen
Präzise Detektion von neu erzeugten Mikrorissen sowie Kontaktfingerbrüchen
Präzise Filterung von Korngrenzen bei multikristallinen Solarzellen
Vor mechanischer Belastung Nach mechanischer Belastung
ELIR: Anwendung an Solarzellen verkapselt im Solarmodul
[1] Mathiak et al., „Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages,“ EUPVSEC 2014
[1] Mathiak et al., „Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages,“ EUPVSEC 2014
[1] Mathiak et al., „Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages,“ EUPVSEC 2014
Quotientenbild
Leichte Bedienung und Auswertung von EL-Bildaufnahmen
Präzise Detektion von neu erzeugten Mikrorissen sowie Kontaktfingerbrüchen
Präzise Filterung von Korngrenzen bei multikristallinen Solarzellen
Vor mechanischer Belastung Nach mechanischer Belastung
Gliederung
• ELIR: Auswertung von Elektrolumineszenzbilder von Solarzellen und -modulen
– Visuelle Detektion der Mikrorisse
• Klassifizierung der Mikrorisse
– Multikristalline Solarzellen
– Monokristalline Solarzellen
• Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der Solarzellen
• Zusammenfassung
Methode für gezielte Mikrorissbildung in Solarzellen
Skala
Auflagestifte
Solarzelle
MetallkugelDefinierte Abwurfhöhe
3,52 g 2,04 g 0,44 g
ENDE
2 EL-Aufnahmen mit unterschiedlicher
Anregungsspannung
Berechnung des ortsaufgelösten RSER-Bildes
Hell-Kennlinienmessung
JA
EL-Aufnahme für die Kontrolle des
Rissbildungsvorgangs
gewünschte Risslänge in der
gewünschten Orientierung
erreicht ?
Ist die
Wahl der Kugelart und Abwurfhöhe
START der gezielten Rissbildung
NEIN
Hell-Kennlinienmessung
Methode für gezielte Mikrorissbildung in Solarzellen
Skala
Auflagestifte
Solarzelle
MetallkugelDefinierte Abwurfhöhe
3,52 g 2,04 g 0,44 g
ENDE
2 EL-Aufnahmen mit unterschiedlicher
Anregungsspannung
Berechnung des ortsaufgelösten RSER-Bildes
Hell-Kennlinienmessung
JA
EL-Aufnahme für die Kontrolle des
Rissbildungsvorgangs
gewünschte Risslänge in der
gewünschten Orientierung
erreicht ?
Ist die
Wahl der Kugelart und Abwurfhöhe
START der gezielten Rissbildung
NEIN
Hell-Kennlinienmessung
Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen
4 Rissklassen
i) Rissklasse S Senkrecht auf Metallfingern verlaufende Risse
stärkere elektrische Auswirkungen
S
Alle Auswertungen mittels ELIR
Software vom IHT
Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen
4 Rissklassen
i) Rissklasse S Senkrecht auf Metallfingern verlaufende Risse
stärkere elektrische Auswirkungen
ii) Rissklasse P Parallel zu Metallfingern verlaufende Risse
geringere elektrische Auswirkung
Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen
4 Rissklassen
i) Rissklasse S Senkrecht auf Metallfingern verlaufende Risse
stärkere elektrische Auswirkungen
ii) Rissklasse P Parallel zu Metallfingern verlaufende Risse
geringere elektrische Auswirkung
iii) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen
Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen
4 Rissklassen
i) Rissklasse S Senkrecht auf Metallfingern verlaufende Risse
stärkere elektrische Auswirkungen
ii) Rissklasse P Parallel zu Metallfingern verlaufende Risse
geringere elektrische Auswirkung
iii) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen
iv) Rissklasse M Risse mit besonders starker Schädigung
im Extremfall bis hin zum Abbruch einzelner Zellbereiche
Stromtransport kommt komplett zum Erliegen
komplett schwarz gefärbte Bereiche im EL-Bild
Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen
Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen
Große Anzahl der Rissklassen aufgrund von Korngrenzen
Gliederung
• ELIR: Auswertung von Elektrolumineszenzbilder von Solarzellen und -modulen
– Visuelle Detektion der Mikrorisse
• Klassifizierung der Mikrorisse
– Multikristalline Solarzellen
– Monokristalline Solarzellen
• Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der Solarzellen
• Zusammenfassung
Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen
2 Rissklassen
i) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen
2 Rissklassen
i) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen
ii) Rissklasse D Risse diagonal zu den Metallfingern
Parallel zur Kristallorientierung
Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen
Gliederung
• ELIR: Auswertung von Elektrolumineszenzbilder von Solarzellen und -modulen
– Visuelle Detektion der Mikrorisse
• Klassifizierung der Mikrorisse
– Multikristalline Solarzellen
– Monokristalline Solarzellen
• Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der Solarzellen
• Zusammenfassung
Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der
multikristallinen Solarzellen
Rissklasse Rissausprägung Zellanzahl 𝐽𝑅𝐸𝐾,𝑚𝑖𝑡 𝑅𝑖𝑠𝑠
𝐽𝑅𝐸𝐾,𝑜ℎ𝑛𝑒 𝑅𝑖𝑠𝑠 (%)
Standard
abweichung (%)
S Senkrecht auf Metallfingern 43 -- 46,7 % 4,0 17,6
P Parallel zu Metallfingern 21 -- 22,8 % 2,9 11,2
X Kreuzförmig (P und S Anteil) 21 -- 22,8 % 5,3 9,1
M Besonders starke Schädigung 7 -- 7,6 % 31,2 29,3
Mikrorisse sind elektrische Rekombinationszentren
Erhöhung der Rekombinationsstromdichte
Stärkerer Einfluss senkrechter Risse als parallele Risse
Rissklasse X ~ Rissklasse S + Rissklasse P
Rückgang in JPH & ISC ~ Risslänge
Keine markante Erhöhung im RSER durch die Risse alleine
jedoch starke Erhöhung durch Fingerbrüche
Rissklasse S für die Funktionsweise multikristalliner Solarzellen gefährlicher einzustufen!
[1] van Mölken et al., Energy Procedia 27, pp. 167-172, 2012. [2] Suckow, https://nanohub.org/resources/14300
Vergleich von I-V-Kennlinien der Solarzellen vor und nach der Mikrorissbildung [1]
Analyse des Effekts der Mikrorisse mittels Zwei-Dioden-Modell [2]
Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der
monokristallinen Solarzellen
Rissklasse Rissausprägung Zellanzahl 𝐽𝑅𝐸𝐾,𝑚𝑖𝑡 𝑅𝑖𝑠𝑠
𝐽𝑅𝐸𝐾,𝑜ℎ𝑛𝑒 𝑅𝑖𝑠𝑠 (%)
Standard
abweichung (%)
X Kreuzförmig (P und S Anteil) 16 -- 39% 8,8% 7%
D Diagonal zu Metallfingern 25 -- 61% 11,2% 8,3%
Mikrorisse sind elektrische Rekombinationszentren
Erhöhung der Rekombinationsstromdichte
Vergleichbarer Einfluss beider Rissklassen
Rückgang in JPH & ISC ~ Risslänge
Keine markante Erhöhung in RSER durch die Risse alleine
Beide Rissklassen für die Funktionsweise monokristalliner Solarzellen gefährlich einzustufen!
[1] van Mölken et al., Energy Procedia 27, pp. 167-172, 2012. [2] Suckow, https://nanohub.org/resources/14300
Vergleich von I-V-Kennlinien der Solarzellen vor und nach der Mikrorissbildung [1]
Analyse des Effekts der Mikrorisse mittels Zwei-Dioden-Modell [2]
Zusammenfassung
Das Softwaretool ELIR ermöglicht
Leichte Handhabung und Auswertung von EL-Bildaufnahmen
Präzise Detektion von neu erzeugten Mikrorissen sowie Kontaktfingerbrüchen
Präzise Filterung von Korngrenzen bei multikristallinen Solarzellen
Mikrorisse sind elektrische Rekombinationszentren
Rückgang in der Photostromdichte
Indirekte Erhöhung des RSER wegen Fingerbrüchen
4 Rissklassen bei multikristallinen Solarzellen
Größere Anzahl der Rissklassen wegen der Korngrenzen
Risse senkrecht zu Metallfingern sind gefährlicher einzustufen
2 Rissklassen bei monokristallinen Solarzellen
Kreuzförmig bzw. diagonal zu Metallfingern
Beide sind kritisch einzustufen
Vielen Dank Für Ihre Aufmerksamkeit!
This work is part of the project “Kompetenzzentrum für innovative Photovoltaik-Modultechnik NRW” and
has been supported by the European Union – European Regional Development Fund and by the Ministry of
Economic Affairs and Energy of the State of North Rhine-Westphalia, Germany.
