Mikrorissbildung in kristallinen Solarzellen: Visuelle Detektion und Klassifizierung

Transkript

1 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

2 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

3 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

4 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

5 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 EN-1022C entwickelt.

6 ELIR 0) Grundeinstellungen Wählen eines EL-Bildes bzw. eines Ausschnitts davon 0) 4 Funktionen stehen zur Verfügung: 1) 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

7 ELIR 2) Erstellen von Bildern aus Messdaten Stapelverarbeitung der Bilddateien unter Berücksichtigung des gewählten Ausschnitts 3) 2) 3) Berechnung von ortsaufgelösten Quotienten- bzw. Serienwiderstandsbildern 4) Erstellung von Collagen bestehend aus mehreren Messdateien 4) Anordnung von bis zu sechs Bilddateien für einen übersichtlichen Vergleich

8 ELIR: Anwendung an verkapselten Solarzellen im PV Modul 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 [1] Mathiak et al., Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages, EUPVSEC 2014

9 ELIR: Anwendung an verkapselten Solarzellen im PV Modul 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 [1] Mathiak et al., Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages, EUPVSEC 2014

10 ELIR: Anwendung an Solarzellen verkapselt im Solarmodul 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 [1] Mathiak et al., Quantitative electroluminescence imaging applied to hail impact damages, EUPVSEC 2014

11 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

12 Methode für gezielte Mikrorissbildung in Solarzellen START der gezielten Rissbildung Hell-Kennlinienmessung Definierte Abwurfhöhe Metallkugel Wahl der Kugelart und Abwurfhöhe EL-Aufnahme für die Kontrolle des Rissbildungsvorgangs Skala NEIN Ist die gewünschte Risslänge in der gewünschten Orientierung erreicht? JA 2 EL-Aufnahmen mit unterschiedlicher Anregungsspannung Berechnung des ortsaufgelösten R SER -Bildes Auflagestifte Solarzelle 3,52 g 2,04 g 0,44 g Hell-Kennlinienmessung ENDE

13 Methode für gezielte Mikrorissbildung in Solarzellen START der gezielten Rissbildung Hell-Kennlinienmessung Definierte Abwurfhöhe Metallkugel Wahl der Kugelart und Abwurfhöhe EL-Aufnahme für die Kontrolle des Rissbildungsvorgangs Skala NEIN Ist die gewünschte Risslänge in der gewünschten Orientierung erreicht? JA 2 EL-Aufnahmen mit unterschiedlicher Anregungsspannung Berechnung des ortsaufgelösten R SER -Bildes Auflagestifte Solarzelle 3,52 g 2,04 g 0,44 g Hell-Kennlinienmessung ENDE

14 Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen 4 Rissklassen i) Rissklasse S Senkrecht auf Metallfingern verlaufende Risse stärkere elektrische Auswirkungen

15 Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen S Alle Auswertungen mittels ELIR Software vom IHT

16 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

17 Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen P

18 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

19 Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen X

20 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

21 Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen M

22 Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen Große Anzahl der Rissklassen aufgrund von Korngrenzen

24 Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen 2 Rissklassen i) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen

25 Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen X

26 Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen 2 Rissklassen i) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen ii) Rissklasse D Risse diagonal zu den Metallfingern Parallel zur Kristallorientierung

27 Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen D

28 Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen D

30 Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der multikristallinen Solarzellen Vergleich von I-V-Kennlinien der Solarzellen vor und nach der Mikrorissbildung [1] Analyse des Effekts der Mikrorisse mittels Zwei-Dioden-Modell [2] Rissklasse Rissausprägung Zellanzahl J REK,mit Riss J REK,ohne Riss (%) Standard abweichung (%) S Senkrecht auf Metallfingern ,7 % 4,0 17,6 P Parallel zu Metallfingern ,8 % 2,9 11,2 X Kreuzförmig (P und S Anteil) ,8 % 5,3 9,1 M Besonders starke Schädigung ,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 J PH & I SC ~ Risslänge Keine markante Erhöhung im R SER 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 , [2] Suckow,

31 Auswirkung der Mikrorisse auf elektrische Eigenschaften der monokristallinen Solarzellen Vergleich von I-V-Kennlinien der Solarzellen vor und nach der Mikrorissbildung [1] Analyse des Effekts der Mikrorisse mittels Zwei-Dioden-Modell [2] Rissklasse Rissausprägung Zellanzahl J REK,mit Riss J REK,ohne Riss (%) X Kreuzförmig (P und S Anteil) % 8,8% 7% D Diagonal zu Metallfingern % 11,2% 8,3% Mikrorisse sind elektrische Rekombinationszentren Erhöhung der Rekombinationsstromdichte Vergleichbarer Einfluss beider Rissklassen Rückgang in J PH & I SC ~ Risslänge Keine markante Erhöhung in R SER durch die Risse alleine Standard abweichung (%) Beide Rissklassen für die Funktionsweise monokristalliner Solarzellen gefährlich einzustufen! [1] van Mölken et al., Energy Procedia 27, pp , [2] Suckow,

32 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 R SER 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

33 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.