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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

yusufoglu@iht.rwth-aachen.de

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

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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

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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

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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.

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen

4 Rissklassen

i) Rissklasse S Senkrecht auf Metallfingern verlaufende Risse

stärkere elektrische Auswirkungen

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S

Alle Auswertungen mittels ELIR

Software vom IHT

Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen

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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

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P

Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen

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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

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X

Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen

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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

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M

Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen

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Klassifizierung der Mikrorisse bei multikristallinen Solarzellen

Große Anzahl der Rissklassen aufgrund von Korngrenzen

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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

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Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen

2 Rissklassen

i) Rissklasse X Risse mit sowohl senkrechten als auch waagerechten Anteilen

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X

Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen

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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

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D

Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen

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D

Klassifizierung der Mikrorisse bei monokristallinen Solarzellen

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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

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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]

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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]

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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

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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.