DE10051357A1

DE10051357A1 - Vorrichtung zum Prüfen von Solarzellen

Info

Publication number: DE10051357A1
Application number: DE10051357A
Authority: DE
Inventors: Klaus Erfurth; Christian Bendel
Original assignee: Individual
Current assignee: Acr Automation In Cleanroom 78078 Niederesch GmbH
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-04-18
Also published as: EP1199576B1; TW552409B; ATE250770T1; DE50100671D1; ES2207581T3; EP1199576A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Bestrahlung von Solarzellen (2) beschrieben. Die Vorrichtung (1) enthält mindestens 400 Festkörperstrahlungsquellen in einer matrixförmigen flächigen Anordnung zur Aussendung von monochromatischem Licht bei einem Spektrum von 880 nm vorzugsweise für Siliziumzellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art bestehen in der Regel aus einer zusammenhängenden Baueinheit, auch Lichtsimulatoren genannt, die wenigstens eine Lampe, ein steuerbares Energieversorgungsteil, ein Kühlaggregat, eine optische Filtereinheit und eine Detektoreinheit zur Lichtintensitätsüberwachung oder dgl. enthält. Dabei beinhalten die Lampen metallhalogenide Dampf- oder Xenon-Gasfüllungen oder deren Gemische, die in ihrer Funktion als Dauerlichtstrahler Anwendung finden. Oft werden auch mehrere Lampen in Kombination mit zusätzlichen Filtern eingesetzt. Diese Baueinheiten werden auch als Dauerlicht-Simulatoren bezeichnet (US 7394993, JP 57179674, US 5217285). Derartige Vorrichtungen werden z. B. zur Solarzellenmessung in Entwicklungslabors oder bei der Qualitätssicherung in Produktionanlagen eingesetzt.

Es sind weiterhin andere Vorrichtungen bekannt, die ein- oder mehrfach Xenonblitzröhren benutzen, wobei die Blitzzeitenergien einstellbar sind. Diese im allgemeinen als Flasher oder Pulslicht-Simulatoren bezeichneten Vorrichtungen (JP 11317535, US 3950862, JP 3154840) werden zur Messung von Solarzellen während des Produktionsprozesses angewandt.

Die beschriebenen bzw. aufgeführten Vorrichtungen haben trotz kompakter Bauweise einen großen Raumbedarf, einen hohen Energiebedarf durch die verwendeten Gasentladungslampen bzw. durch die Bereitstellung von kurzzeitig hohen Pulsenergien.

Die mit hoher Strahlungsenergie betriebenen Dauerlicht- bzw. Pulslichtsimulatoren haben für den Einsatz im quasi kontinuierlichen Produktionsprozeß von Solarzellen eine durchschnittliche Betriebszeit von 750 bzw. 9 Stunden bei einem z. B. 3-Sekundentakt, unter Voraussetzung, daß der Spektralbereich der emittierten Strahlung noch im geforderten Bereich liegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß sie sich insbesondere zur Anwendung in der Qualitätsüberwachung bei der Solarzellenfertigung eignet, konstruktiv einfach hergestellt werden kann und platz- sowie energiesparend ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle eine Matrix aus Festkörperlichtquellen mit im wesentlichen monochromatischer Strahlung im bevorzugten, spektralen Empfindlichkeitsbereich der zu messenden Solarzellen ist und die Einrichtung zum Ansteuern der Lichtquelle einen Stromstärkeregler aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bringt den Vorteil mit sich, daß die in Lichtsimulatoren verwendeten, meist einzelnen Strahlungsquellen auf Gasentladungsbasis hoher Intensität durch eine Vielzahl von physikalisch gleichen Festkörperstrahlungsquellen mit geringer Intensität aber höherem Wirkungsgrad ersetzt werden. Dadurch kann der Raum- und Energiebedarf erheblich reduziert werden, und die Lebensdauer steigt in bedeutend hohem Maße. Bei der Produktionsüberwachung bzw. Funktionsprüfung von Solarzellen hat sich herausgestellt, daß die angestrebte Nachbildung des Sonnenspektrums nicht zwingend notwendig ist. Eine derartige Prüfung kann mit einem durch Festkörperstrahlungsquellen bereitgestellten, eingeschränkten Spektrum erzeugt werden. Darüber hinaus verändern die Festkörperlichtquellen bei Variation der Leistung (z. B. Dimmen) nicht ihre spektrale Verteilung.

Für die Prüfung von Si-Solarzellen weist die Vorrichtung vorteilhafterweise Festkörperlichtquellen auf, die eine Strahlung im Bereich von 880 nm aussenden. Die Matrixlichtquelle ist vorteilhafterweise zur Abgabe einer spezifischen Strahlungsleistung von 1200 W/m² bei 25°C ausgelegt. Diese Bedingungen werden bei den derzeit eingesetzten Vorrichtungen für die Prüfung von Solarzellen zugrundegelegt, so daß mit der vorliegenden Erfindung dieses Marktsegment abgedeckt werden kann. Die vorstehend genannte, spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Festkörperlichtquellen gilt ausführungsgemäß nur optimal für Siliziumzellen. Bei der Prüfung von Dünnfilm- bzw. Dünnschichtzellen oder anderen photovoltaisch genutzten Verbindungshalbleitern können andere Lichtspektren erforderlich sein. Dementsprechend werden für Solarzellen aus anderen, heute bekannten Technologien Festkörperlichtquellen mit anderen spezifischen, spektralen Empfindlichkeiten eingesetzt.

Darüber hinaus können mit der Vorrichtung auch CdTe-Solarzellen mit einer Strahlung im Bereich von 700 nm oder CIS-Solarzellen mit einer Strahlung im Bereich von 600 nm bei Abgabe einer spezifischen Strahlungsleistung der Matrixlichtquelle von 1200 W/m² bei 25°C geprüft werden. Eine Prüfung anderer Arten von Solarzellen ist ebenfalls möglich.

In einer günstigen Ausführungsform weist die Matrixlichtquelle für die Prüfung von 10 × 10-cm-Solarzellen mindestens 400 Festkörperlichtquellen auf. Mit Hilfe dieser Anzahl von Festkörperlichtquellen wird die geforderte Leistung zur Prüfung von Solarzellen bereitgestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Festkörperlichtquellen LEDs mit linsenförmigen Strahlungsöffnungen, und ihre matrixartige Anordnung bildet im Abstand von 4,3 mm + 10% eine annähernd homogene Strahlungsfläche. Der Vorteil liegt hierin in der einheitlichen Leuchtfläche, mit der ein gleichmäßiges Lichtfeld erzeugt wird.

Vorteilhafterweise ist die Einrichtung zum Steuern der abgegebenen Lichtleistung der Lichtquelle in eine rechnergesteuerte Auswerteeinheit integriert. In einer günstigen Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zur Steuerung der abgegebenen Lichtleistung eine rechnergesteuerte Stromquelle mit einem Referenzlichtquellen-Rückkopplungsnetzwerk. Hierdurch werden Alterserscheinungen und/oder Temperaturabweichungen der Matrixlichtquelle kompensiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Matrixlichtquelle modular aufgebaut und durch Zusatzmodule erweiterbar.

Vorteilhafterweise ist die Matrixlichtquelle als XY-Matrix ausgebildet, und die Ströme der Festkörperlichtquellen sind individuell steuerbar. Zum Erzeugen einer gewünschten, spektralen Verteilung kann die Matrixlichtquelle Gruppen von Festkörperlichtquellen unterschiedlicher, spektraler Lichtaussendung zusammengesetzt sein, wobei durch geeignete Ansteuerung der Gruppen ein gewünschtes Mischspektrum erzeugbar ist. Die Verwendung von LEDs mit unterschiedlichen, spektralen Empfindlichkeiten läßt die Kombination einer Mischlichterzeugung zu, die mit entsprechendem Aufwand durchaus auch die Generierung eines AM-1,5-Spektrums möglich macht, obwohl sich dies für reine Prüfzwecke nicht als erforderlich erwiesen hat.

Weiterhin ist es möglich, die quadratisch ausgebildete Matrixlichtquelle durch rechteckige oder krummlinige Formen, insbesondere Kreise, zu ersetzen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine mit einer Matrixlichtquelle ausgestattete Vorrichtung zur Prüfung von Solarzellen;

Fig. 2 schematisch die eigentliche Matrixlichtquelle mit LEDs und Ansteuernetzwerk, Referenzmeßanordung inkl. Rückkopplungsnetzwerk sowie Stromversorgung;

Fig. 3 schematisch die Referenzmeßanordung mit Referenz-LEDs, Lichtanpassungsfilter und Auswertesensor;

Fig. 4 schematisch die modular erweiterte Doppelmatrixlichtquelle für flächenmäßig größere Prüflinge, z. B. Photovoltaikmodule;

Fig. 5 schematisch eine Matrixlichtquellenanordung mit x-y-Ansteuerung zur Prüfung der Homogenität von Solarzellen.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung von Solarzellen mit einer Matrixlichtquelle 1, bestehend aus einer Vielzahl von Festkörperlichtquellen, die von einer rechnergesteuerten Stromquelle 5 mit Energie versorgt werden. Die Festkörperlichtquellen sind von ihrer spektralen Lichtemission so bemessen, daß ihre ausgestrahlte Lichtenergie im optimalen, spektralen Empfindlichkeitsbereich von Solarzellen 2 in elektrischen Strom gewandelt werden kann. Der generierte Meßstrom ist direkt proportional der Strahlungsenergie. Über einen Analog-/Digital-Umsetzer 3 wird der analoge Meßstrom in ein digitales Meßsignal umgewandelt, um in einer Auswerteeinheit/Meßrechner 4 weiterverarbeitet zu werden.

Erfindungsgemäß werden als Festkörperlichtquellen LEDs im spektralen Bereich von 880 nm benutzt, weil die Strahlungsenergie bei dieser Wellenlänge am Besten von den Silizium-Solarzellen umgesetzt wird. Hierbei wird zuerst eine kalibrierte Referenzzelle in einer definierten Zeiteinheit und mit einer definiert ansteigenden Strahlungsleistung der Matrixlichtquelle 1 über den geregelten Diodenstrom der rechnergesteuerten Stromquelle 5 beaufschlagt. Bis zu einem Kalibrierwert von 1000 W/m² wird der dazugehörige, generierte Strom bzw. eine Spannung über einen Meßshunt aufgezeichnet. Dabei hat die Referenzzelle eine Meßtemperatur von 25°C (STC).

Nach diesem Kalibriervorgang der in Fig. 1 dargestellten Meßvorrichtung kann jede beliebige Solarzelle bzw. jeder entsprechende Strahlungssensor gleichen Zellmaterials bestrahlt und der mit der Einstrahlung korrelierende Meßstrom ermittelt werden. Abweichungen dieses Meßstroms von dem der Referenzzelle werden über Korrekturfaktoren bzw. Kalibrierkurven berücksichtigt.

In Fig. 2 ist die aus Fig. 1 bekannte Matrixlichtquelle 1 in Einzelheiten dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die einzelnen LEDs in mindestens 20 parallelen Strängen (Spalten) und diese wiederum als Reihenschaltung (Zeilen) von mindestens 20 LEDs flächig auf einer Matrixlichtquellenleiterplatte 8 aufgebaut. Die einzelnen LED-Stränge werden über Treiberbausteine 6 von einer rechnergesteuerten Stromquelle 5 mit einem definierten Strom versorgt. Zur Überwachung und Regelung der Strangströme wird aus jedem Strang eine LED strahlungsmäßig so ausgekoppelt, daß diese in einem Referenzlichtquellen-Rückkopplungsnetzwerk 7 ausgewertet werden können.

Fig. 3 stellt dieses Referenzlichtquellen-Rückkopplungsnetzwerk 7 in erfindungsgemäßen Einzelheiten dar. Die strahlungsmäßig ausgekoppelten Referenz-LEDs 9 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls als matrixförmige Lichtquelle ausgebildet. Über einen Anpassungsfilter 10 wird eine Solarzelle oder ein Lichtsensorchip 11 bestrahlt. Da über den Strom der LEDs die Lichtstärke der Matrixlichtquelle 1 eingestellt werden kann, dient das Referenzlichtquellen-Rückkopplungsnetzwerk 7 als Kompensationseinrichtung für Alterungserscheinungen bzw. Temperaturabweichungen der Matrixlichtquellenleiterplatte 8.

In Fig. 4 ist die in Fig. 2 bereits beschriebene Matrixlichtquelle 1 erfindungsgemäβ in modularer Erweiterung als großflächige Doppelmatrixlichtquelle 16 dargestellt. Gemäß Ausführungsbeispiel können hier die Meßaufgaben, wie oben bereits unter Fig. 1 beschrieben, beispielhaft für Photovoltaikmodule 12 durchgeführt werden.

Fig. 5 zeigt das Beispiel einer XY-Matrixlichtquelle 13 mit entsprechend modifizierter, elektronischer Leiterplatte, der Decoderbaugruppe 14 für x- Zeilen und y-Spalten und einer programmierbaren Stromquelle 15. Gemäß Ausführungsbeispiel geschieht die Einzelstromüberwachung in der programmierbaren Stromquelle. Erfindungsgemäß wird für die Prüfung der Homogenität von Solarzellen ein Lichtimpuls definierter Amplitude und Form gewählt, um im Erzeugungsvorgang möglichst keine Störungen zu verursachen und diesen einfach auszuwerten zu können.

Legende der Bezeichnungen in den Fig. 1-5

1

Matrixlichtquelle

2

Prüfling 1/Solarzelle/Strahlungssensor

3

Analog/Digitalumsetzer

4

Auswerteeinheit/ Meßrechner

5

Rechnergesteuerte Stromquelle

6

Treiberschaltkreise

7

Referenzlichtquellen-Rückkopplungsnetzwerk

8

Matrixlichtquellenleiterplatte

9

Referenz-LEDs

10

Anpassungsfilter

11

Referenzsensorzelle

12

Photovoltaikmodul

13

XY-Matrixlichtquelle

14

Decoderbaugruppe

15

Programmierbare Stromquelle

16

Doppelmatrixlichtquelle

Claims

1. Vorrichtung zum Prüfen von Solarzellen mit einer definierten Lichtquelle (1) zur Bestrahlung der Solarzellen (2), einer Einrichtung zum Ansteuern der Lichtquelle sowie einer Auswerteinheit (4) zur elektrischen Verbindung mit einer zu prüfenden Solarzelle (2) und zum Erfassen der von der bestrahlten Solarzelle abgegebenen, elektrischen Leistung und gegebenenfalls zum Vergleich mit der Leistung einer geeichten Referenzzelle (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Matrixlichtquelle aus Festkörperlichtquellen mit im wesentlichen monochromatischer Strahlung im bevorzugten, spektralen Empfindlichkeitsbereich der zu messenden Solarzellen (2) ist und die Einrichtung zum Ansteuern der Lichtquelle einen Stromstärkeregler aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Prüfung von Si-Solarzellen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle Festkörperlichtquellen aufweist, die eine Strahlung im Bereich von 880 nm aussenden, und daß die Matrix-Lichtquelle (1) zur Abgabe einer spezifischen Strahlungsleistung von 1200 W/m² bei 25°C ausgelegt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Prüfung von CdTe-Solarzellen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle Festkörperlichtquellen aufweist, die eine Strahlung im Bereich von 700 nm aussenden, und daß die Matrix-Lichtquelle (1) zur Abgabe einer spezifischen Strahlungsleistung von 1200 W/m² bei 25°C ausgelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Prüfung von CIS-Solarzellen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle Festkörperlichtquellen aufweist, die eine Strahlung im Bereich von 600 nm aussenden, und daß die Matrix-Lichtquelle (1) zur Abgabe einer spezifischen Strahlungsleistung von 1200 W/m² bei 25°C ausgelegt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle für die Prüfung von 10 × 10 cm-Solarzellen mindestens 400 Festkörperlichtquellen aufweist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperlichtquellen LEDs mit linsenförmigen Strahlungsöffnungen sind und ihre matrixartige Anordnung im Abstand von 4,3 mm + 10% eine annähernd homogene Strahlungsfläche bildet.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ansteuern der Lichtquelle in eine rechnergesteuerte Auswerteeinheit (4) integriert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ansteuern der Lichtquelle eine rechnergesteuerte Stromquelle (5) mit einem Referenzlichtquellen- Rückkopplungsnetzwerk (7) ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle (1) modular aufgebaut und durch Zusatzmodule erweiterbar ist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle (13) als XY-Matrix ausgebildet ist und die Ströme der Festkörperlichtquellen individuell steuerbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, zurückbezogen auf mindestens einen der Ansprüche 1 und 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixlichtquelle (1) Gruppen von Festkörperlichtquellen unterschiedlicher, spektraler Lichtaussendung aufweist und durch geeignete Ansteuerung der Gruppen ein gewünschtes Mischspektrum erzeugbar ist.