Technologien und Tests der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer von PV-Modulen

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1 Technologien und Tests der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer von PV-Modulen Sabine Nieland CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik Erfurt GmbH

2 Motivation für f r MST-Entwicklungen Neue Anwendungsfelder - mehr Elektronik im Alltag - Digitalisierung - neue Bereiche (Biochips) Konsumverhalten - durch starke Werbung - mehr Konsumenten billiger (kleiner, leichter) höhere Funktionalität Erhalt Produktionsstätten tten neue Designs, Werkstoffe, Verfahren zur preiswerten Herstellung Gesetzeslage Reglementierung durch den Staat z.b. - Handyverbot im Auto - Verbot von bleihaltigen Loten - Recyclingrichtlinien - Fahrzeugsicherheit

3 Eigenschaften: Größe: Gewicht: Preis: 10,3 x 5,3 x 1,3 cm 125 g ca. 90 Euro ohne Vertrag Weiterentwicklung von Produkten Handy DynaTec 8000x von Motorola 1) Eigenschaften: Größe: 33 cm Gewicht: 880 g Preis: 3995 $ Synonym: Knochen am Beispiel Handy 2007 modernes Handy: Motorazr V9 von Motorola 2) Bildquelle: 1) 2)

4 Strahlungsdetektoren Entwicklungsbeispiele Optische Sensorik Feuchtesensoren Optische Encoder Drucksensoren/MEMS 0.6 Pb Responsivity in A/W rev. bias=20v - red 0.2 rev. bias=5v - green rev. bias=10mv - blue wavelenght in nm Simulation Design Waferprozess AVT Messtechnik

5 SolarZentrum Erfurt FuE von Silizium-Solarzellen CiS Institut für Mikrosensorik Mikroelektronik und -sensors FuE FuE Si bulk Solarzellen Design und Simulation Siliziumcharakterisierung Waferbereich Solarzellencharakterisierung AVT-Center Prozessentwicklung Messtechnik/Analytik

6 Waferherstellung Wafer für monokristalline Zellen Cz- monokrist. Si Sägen Solar-Si Ingot Sägen zu Wafern Direkte Erstarrung Sägen zu Ingots

7 Solarzellenprozess (Si bulk) Bordotierte Diffusion von CVD Wafer Phosphor SiNx Siebdruck

8 Modulherstellung Solarzelle Verbindung Verkapselung Verrahmung

9 Motivation für die Zusammenarbeit von AVT und SZE Bedingt durch die Zelle: Abnahme der Waferdicke Permanenter Zunahmezwang der Wirtschaftlichkeit (Eur/Wp) Reduktion der Herstellkosten Modulseite: Unterschiede zwischen Zell- und Modulwirkunsgrad RoHS-Bestimmung zur Eliminierung von gefährlichen Stoffen wie Pb und Cd greift auch zunehmend im PV-Bereich Garantieleistung der Hersteller andere in der MST gültigen Bestimmungen wie WEEE oder Reach

10 Motivation für die Zusammenarbeit von AVT und SZE 430µm 20µm

11 Typische Struktur einer Standard-Si-Solarzelle Vorteile: Preiswerte Metallisierung (Dickschichtpaste) Hoher Durchsatz pro Stunde möglich Abstimmung Metallisierung und Zellkonzept Moderate Lötbarkeit mit PbSnAg Nachteile: Ag Dickschichtpaste enthält meist noch Pb und Cd Leitfähigkeit der Ag Paste ist ca. 2-4 mal schlechter als die von reinem Ag Lötbarkeit mit bleifreiem Lot ist eher schlecht Pastenkosten erhöhen sich permanent entspr. Silberpreis Erhöhter thermomechanischer Stress beim Sintern und Löten, vor allem bei Verwendung sehr dünner Wafer

12 Beeinflussung der Zellkontaktierung? Abstimmung der Adjustm ent of Lötchemie solder chem istry Lead free solder Lot Connectors Verbinderbändchen Flux m edium Flussmittel Cell m etallization Zellmetallisierung Optim ization of soldering process lead free soldering Bleifreie of thin Zellkontaktierung and large solar cells Optimierung des Lötprozesses Heating Erwärmung Profile Lötprofil Fixing Bändchenfixierung Atm osphere Lötatmosphäre Technologie Technology

13 Untersuchung der Lötbarkeit Bestimmung des Benetzungswinkels Θ unter 30 exzellente Benetzung Θ moderate Benetzung Θ über 90 schlechte Benetzung Exzellente Benetzung: Cu/SnAg schlechte Benetzung Ag Strukturen Solarzelle/SnAg

14 Auswirkungen des bleifreien Lötens von Solarzellen Zellbruch als Ursache der schlechten Lötbedingungen

15 Untersuchung der Lötqualität bei Solarzellen Bändchenabziehtest Greiferarm bewegliche Arm Solarzelle Solarzelle Bändchen Verbinder SnPb37: ca. 3 N VS 3-4 N RS SAC: ca. 2-3 N VS(RS BiSn42: bis zu 4 N für VS Chuck mit 45 Aufnahme Auflage (Abrisswinkel 45 )

16 Beeinflussung der Zellkontaktierung? Abstimmung der Adjustm ent of Lötchemie solder chem istry Lead free solder Lot Connectors Verbinderbändchen Flux m edium Flussmittel Cell m etallization Zellmetallisierung Optim ization of soldering process lead free soldering Bleifreie of thin Zellkontaktierung and large solar cells Optimierung des Lötprozesses Heating Erwärmung Profile Lötprofil Fixing Bändchenfixierung Atm osphere Lötatmosphäre Technology Technologie

17 Veredlung der Zellmetallisierung Zusätzliche Schichten aus Ag oder Cu auf der SZ-Metallisierung verbessern die Lötbarkeit Cell type: mono SnAg3,8Cu0,7 4-6 µm Cu on thick film Wetting angle: 25 Cell type: multi SnAg3,8Cu0,7 6-8 µm Cu, 1 µm Ag Wetting angle: 26

18 Beeinflussung der Zellkontaktierung? Abstimmung der Adjustm ent of Lötchemie solder chem istry Lead free solder Lot Connectors Verbinderbändchen Flux m edium Flussmittel Cell m etallization Zellmetallisierung Optim ization of soldering process lead free soldering Bleifreie of thin Zellkontaktierung and large solar cells Optimierung des Lötprozesses Heating Erwärmung Profile Lötprofil Fixing Bändchenfixierung Atm osphere Lötatmosphäre Technology Technologie

19 Formänderung während der Heiz- und Kühlphase 156 mm Löten dünner Solarzellen a) as processed 3,4 mm 4,9 mm Löttemperatur Vorheiztemp. b) at temperature treatment of 300 C Temperatur Vorheizzeit Heizzeit Kühlzeit Haltezeit Zeit Temperatur Faustregel: Löttemperatur = 40 K + Schmelztemp. Zeit

20 Zuverlässigkeitsaspekte beim Löten Brüche im Lot bei Temperaturwechsel durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und ungünstige Lötbedingungen Cu Kern SnPb37 Lot Ag 3 Sn Nadel Ag Finger Si Ag 3 Sn Nadel SAC Lot Bruch Ag Struktur

21 Zuverlässigkeitsaspekte Modulhersteller geben Jahre Funktionsgarantie Kritische Faktoren: Zelldegeneration, Vergilben, Delamination, Korosion

22 Weitere Bespiele : Basis Opto-AVT am CiS Vergießen der blauen LED mit Polyurethan-Gießharz: besonders stabil bei geringen Wellenlängen blau bis UV

23 Klimatestzentrum für Module - Zusammenarbeit zwischen Messtechnik CiS und SolarZentrum Erfurt Testverschärfung Zeitersparnis Projekt Schnelltest- Adaption von MST- Test auf die PV Installierung eines Klimatestzentrums für Module sowie eines Freiflächentestfeldes Analytik mit Schwerpunkt Solar z.b. SIMS-Messung von Dotierprofilen

24 Mikroelektronik und Photovoltaik Statt zwei getrennte Bereiche gegeneinander abzuwägen besser Gemeinsamkeiten entdecken und Synergien nutzen