Zuverlässigkeit von Mikrosystemen, Materialauswahl und Testverfahren. am Beispiel Dünnschichtsolarmodul

Transkript

1 Zuverlässigkeit von Mikrosystemen, Materialauswahl und Testverfahren am Beispiel Dünnschichtsolarmodul (1), Daniel Thierbach (1), Stefan Tegen (2) 1) Fraunhofer IZFP, Institutsteil Dresden 2) Solarion AG, Niederlassung Dresden-Cossebaude Dresden, 22. Juni 2011

2 Überblick und Einordnung der Mikrosystemzuverlässigkeit Werkstoffe und Zuverlässigkeit von elektronischen Baugruppen und Mikrosystemen Kooperation (NanoEVA) Kompetenzbündelung Gemeinsame Nutzung von Messequipment und Analytik

3 Leistungskatalog - Zuverlässigkeit mikromechanische Werkstoffcharakterisierung Metalle, Lote, Polymere, Komposite (z.b. Leiterplatten) Ermüdungsuntersuchungen Klima- & Temperaturwechseltests + Widerstandsmonitoring Vibration, Elektromigration Mechanisches Zustandsmonitoring von Verbindungselementen Angepasste Ermüdungsmesssysteme Simulation Thermische und mechanische FEM-Simulation Analytik X-Ray, US-Mikroskopie, REM/ FIB, TEM, AFM, AFAM, OCT, Raman

4 Was erwartet den Zuhörer? Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Dünnschichtsolarmodulen Materialauswahl und charakterisierung Angepasstes Prüfsystem zur Schwingungsbelastung Hochauflösende Analytik zur Schadensbeurteilung Zusammenfassung und Ausblick

5 Einordnung der CIGS-Solarzellen in den Photovoltaikmarkt Solarzellen Dickschichtzellen (50 µm µm) Dünnschichtzellen (1 µm - 50 µm) Nanozellen (0,02 µm - 5 µm) - Silizium (monokristallin, polykristallin) - starr - Verbindungshalbleiter (GaAs, CdTe, CIS/CIGS) - Silizium (amorph, mikroamorph, mikrokristallin) - (an)organische Halbleiter - flexibel - starr oder flexibel

6 Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Solarmodulen Luft & Raumfahrt, Kfz Mobile Stromversorgung Gebäude & Netzversorgung Zertifizierung nach Norm IEC bzw. IEC Klima- und Umwelttests (UV 300nm, 250W/m²; 85% rel. Feuchte, +85/-40 C) Mechanische Flächenlast mind Pa/m² Schwingungsbelastung bei frei aufgespannten Modulen Kriterium: Wirkungsgradabfall < 10%

7 Prinzipieller Aufbau und Verschaltung von flexiblen CIGS Solarmodulen 1 mm Frontseitenfolie Einbettmaterial CIGS-DSZ PVF Al PET Polymere Werkstoffe Kontaktkleber Vorderseitenkontakt Absorberschicht (CIGS) Zelle 1 Zelle 2 Rückseitenkontakt Träger-Substrat

8 Dynamisch-Mechanische Messung zur Werkstoffcharakterisierung von Polymeren Temperatur ε = 0,1 % Feuchte Temperatur ODER Feuchtigkeit

9 Messplanung zur Foliencharakterisierung Feuchte Feuchte 85 C 85 C 85% rel. Luftfeuchte 85% rel. Luftfeuchte DMA Messung Temperatur 85 C UV trocken DMA Messung Temperatur 85 C UV trocken DMA Messung Vorbehandlung Vorbehandlung UV feucht UV feucht Vorbehandlung Vorbehandlung h 500 h

10 Vergleich der Folienelastizität bei Raumtemperatur Speichermodul [MPa] Ausgangszustand Mat 11 Mat 12 Mat 13 Mat 14 Mat 15 Mat 16 Mat 17 Mat 18 Mat Temperatur [ C]

11 Vergleich der Folienelastizitäten bei 85 C T = 85 C initial 500h 85 C / Feuchte 500h 85 C h UV / trocken 500h UV / Feuchte Speichermodul [MPa] UV UV 2 MPa 4 0 Mat11 M 12 M 13 M 14 M 15 M 16 M 17 M 18 M 19 M 21 M 22 M 23 M 24

12 Querschnitte an Abdeckfolie nach UV-Belastung UV-Impakt Vergrößerung: 5fach

13 Angepasster Schwingungsmessstand Ziel: definierte Einleitung von mech. Schwingungsbelastungen und Bewertung der Robustheit von PV-Modulen (insbes. Kontaktstellen) Laservibrometer mit Stativ Oszilloskop Probenhalter Shaker Shaker - Lüfter Probe Computer - Steuerung Shaker - Controller Shaker - Verstärker

14 Modulhalterung PV-Minimodul Spannfeder Umlenkrolle G-Aufnehmer Modulmasse = ca. 25g Vorbereitung für Temperaturmessung Adaption von 2x g-aufnehmern

15 Vibrationsversuche an flexiblen Solarmodulen Vorversuche Biegecharakteristik bei 1. Resonanzfrequenz fr 125 Hz

16 Vibrationsversuche an flexiblen Solarmodulen Versuchsplan A Sonnensimulator zur Leistungsbestimmung Elektrolumineszenzaufnahme Kontaktstellenmikroskopie V Vibrations belastung Unbelastete Probe Probe nach n Zyklen Probe nach n+x Zyklen

17 Vibrationsversuche an flexiblen Solarmodulen Lebensdauerabschätzung Ziel: Erfassung des Leistungsabfalls durch Vibrationsbelastung Wirkgr. [-] ŷm Wirkgr. [-] ŷm 1 t 1 Em t n Zyklen n n Zyklen 1 n 2 n 4 E 1 E 2 E 4 el. Energie Schadenszuordnung auf Zyklen Nur auf Minimodul anwendbar Schadenszuordnung auf elast. Energie Übertragbar auf andere Modulformen

18 Vibrationsversuche an flexiblen Solarmodulen Versuchsvorbereitung 1. Ermittlung des Resonanzfalls (1. Ordnung) Sinussweep über Frequenz: 100 Hz 140 Hz Amplitudenanregung: 0,1 mm Anstieg: 2Hz/Sek. Zyklen: z1 = ca % 0,8mm 0,6 2. Ermittlung des Frequenzbereichs für Last 3. Ermittlung der Zyklenanzahl N Mittleren Amplitude A m +10 Hz Elastischen Energie E el1 E el = N [½ m (2πf)² A² m ] Em ŷm t

19 Wirkungsgradmessung während der Vibrationsversuche Wirkungsgrad 130% 120% 110% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Zyklenzahl PK Leitpaste A KK Leitpaste A KK Leitpaste B

20 Schadensdiagnose mittels Auflichtmikroskoie Polymerleitpaste A Polymerleitpaste A Polymerleitpaste B Ausfall Ausgangszustand Zyklen

21 Hochauflösende Analytik an den elektrischen Kontaktstellen Ziel: Schadensortermittlung und Bestimmung des Schädigungsmechanismus Schnelle Laserablation zur Zielpräparation

22 Fokusierter Ionenstrahl Präperation und Rasterelektronenmikroskopie (FIB+SEM) Ag-flakes Polymer TNO CIGS- Absorber Molybdän Polyimid

23 Zusammenfassung Die Materialauswahl erfolgt nach funktioneller Vorgabe UND nach Prüfung der Umweltverträglichkeit Mechanische und thermische Messung unterstützen maßgeblich die Entscheidung (z.b. DMA + Umwelttests) Angepasste Umwelttests erlauben die reale Nachstellung der Umwelteinflüsse Prüfling sollte immer fertigungsnah aufgebaut sein (material-, prozesstreu) die Testumgebung entsteht um den Prüfling Anwendung hochauflösender Analytik für die Schädigungsidentifizierung

24 Dresden Elbflorence Photo: Edgar Schubert, +49(0)351/ Maria-Reiche-Str. 2, Dresden, Germany