DE102007010516A1

DE102007010516A1 - Verfahren zur Identifizierung der Herkunft eines polykristallinen Produkts sowie Vorrichtung mit einer Bilderfassungseinheit zur Erstellung von Produktbildern eines polykristallinen Produkts

Info

Publication number: DE102007010516A1
Application number: DE102007010516A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wagner
Original assignee: INTEGO GmbH
Current assignee: INTEGO GmbH
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-18

Abstract

Um insbesondere bei der Herstellung eines Solarmoduls (2) eine Identifizierung der Herkunft des Solarmoduls (2) oder eines Vorläuferprodukts (4, 6, 8) zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass mit Hilfe einer Bildauswertung ein Produktbild (12) mit Vergleichsbildern (14) auf Übereinstimmung der polykristallinen Struktur untersucht wird, wobei das dem Produktbild (12) zugrunde liegende Produkt und das dem Vergleichsbild (14) zugrunde liegende Vergleichsprodukt als einander zugehörig zugeordnet werden, wenn charakteristische Strukturen (36) im Produktbild (12) und im Vergleichsbild (14) einander zumindest ähnlich sind. Hierdurch können einzelne Prozessparameter eines mehrstufigen Fertigungsprozesses (I-IV) dem Solarmodul (2) als Endprodukt zugeordnet und im Sinne einer Qualitätsverbesserung zielgerichtet ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung der Herkunft eines polykristallinen Produkts, insbesondere eines Solarmoduls oder eines Vorläuferprodukts des Solarmoduls. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung mit einer Bilderfassungseinheit zur Erstellung von Produktbildern eines polykristallinen Produkts, die insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Das polykristalline Produkt ist hierbei insbesondere ein Halbleiterprodukt und vorzugsweise ein Solarmodul oder ein Ingot-Block, ein Wafer oder eine Solarzelle als Vorläuferprodukte für das Solarmodul.
Bei der Fertigung von Halbleiterprodukten durchlaufen diese üblicherweise mehrere Fertigungsstufen, innerhalb derer die Produkte unterschiedlichen Behandlungen mit den unterschiedlichsten Prozessparametern unterzogen werden. Die unterschiedlichen Fertigungsstufen werden hierbei teilweise räumlich getrennt an unterschiedlichen Fertigungsstätten vorgenommen. Die Qualität des Endprodukts hängt oftmals entscheidend von der Gesamtheit und dem Zusammenwirken aller zuvor durchlaufenen Prozessschritte ab. Aufgrund der unterschiedlichen Fertigungsstufen besteht jedoch oftmals das Problem, dass anhand des fertigen Produktes eine Identifizierung, welche Prozessschritte dieses Produkt durchlaufen hat, nicht oder nur schwer möglich ist.
Zur Herstellung eines Solarmoduls basierend auf polykristallinen Solarzellen wird zunächst ein Roh-Halbleiterblock, insbesondere ein Silizium-Rohblock, der so genannte Ingot, insbesondere durch Absägen der Randbereiche zu einem Ausgangsblock mit definierten Kantenlängen und üblicherweise quadratischer oder rechteckeiger Querschnittsfläche aufbereitet. Dieser aufbereitete Ausgangsblock wird nachfolgend als Ingot-Block bezeichnet. Der Ingot-Block wird anschließend in eine Vielzahl von dünnen Scheiben, den Wafern, zersägt. Aus diesen entstehen durch weitere Verarbeitungsverfahren, wie beispielsweise Antireflexbeschichtung auf der Vorderseite sowie Siebbedruckung auf der Vorder- sowie Rückseite Solarzellen. Mehrere Solarzellen werden durch Auflage auf eine Glasplatte, durch elektrische Kontaktierung und Lamination zu einem jeweiligen Solarmodul verschaltet.
Bei derartigen Solarmodulen wird ein möglichst hoher Wirkungsgrad, d. h. eine möglichst hohe Leistungsausbeute bei der Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie angestrebt. Für einen hohen Wirkungsgrad ist ein optimiertes Zusammenwirken der einzelnen Prozessschritte im Rahmen des Gesamtprozesses von besonderer Bedeutung. Um hier zielgerichtet Prozessparameter verbessern zu können, ist die Zuordnung von Leistungsmerkmalen des fertigen Solarmoduls zu den einzelnen Prozessparametern, die dieses Solarmodul durchschritten hat, von besonderer Bedeutung. Allerdings kann der Einfluss von Prozessparametern in frühen Fertigungsstufen oftmals erst anhand des Produkts einer nachgelagerten Fertigungsstufe bewertet werden. Die Rückverfolgung der Herkunft eines einzelnen Produkts, beispielsweise des Wafers, ist daher von besonderer Bedeutung.
Das Anbringen einer Identifizierungskennzeichnung auf dem Wafer selbst, wie beispielsweise Seriennummern, ist nur schwer oder kaum möglich, da hierdurch der ästhetische Eindruck verändert und Leistungsdaten oder auch die mechanische Stabilität negativ beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herkunft eines polykristallinen Produkts, insbesondere eines Wafers, einer Solarzelle oder eines Solarmoduls, identifizieren zu können.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach wird mit Hilfe einer Bildauswertung ein Produktbild des polykristallinen Produkts mit einer Anzahl von Vergleichsbildern von Vergleichsprodukten auf Übereinstimmung der polykristallinen Strukturen untersucht. Das Produkt wird hierbei dem Vergleichsprodukt als zugehörig zugeordnet, wenn charakteristische Strukturen im Produktbild und im Vergleichsbild einander zumindest ähnlich sind.
Der wesentliche Gesichtspunkt ist hierbei darin zu sehen, dass mit Hilfe eines insbesondere automatisierten Bildvergleichs die polykristallinen Strukturen von Produkten miteinander verglichen werden. Die charakteristischen Strukturmerkmale der einzelnen polykristallinen Strukturen werden daher quasi als eindeutige, das jeweilige Produkt identifizierende „Fingerabdrücke" herangezogen. Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass die polykristalline Struktur bereits am Anfang des Fertigungsprozesses, nämlich bei der Erstellung des Ingots, festgelegt ist und durch die nachfolgenden Fertigungsstufen und Prozesse nicht mehr verändert wird.
Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass an den einzelnen Produkten selbst keinerlei Maßnahmen, wie beispielsweise Aufdrucke oder dergleichen, vorgenommen werden müssen. Vielmehr werden die dem jeweiligen Produkt inhärenten Eigenschaften als Identifizierungsmerkmale herangezogen. Die Möglichkeit der Identifizierung besteht daher selbst dann, wenn beispielsweise unterschiedliche Chargen durch Versehen oder andere Einflüsse auf dem Logistikweg zwischen den einzelne Fertigungsstätten oder zum Endkunden hin vertauscht wurden.
Dieses Verfahren wird vorzugsweise verwendet, um den Gesamtprozess bei der Herstellung von Solarmodulen zu verbessern. Weiterhin weist dieses Verfahren für die Qualitätssicherung Vorteile auf. Mit diesem Verfahren besteht nämlich beispielsweise die Möglichkeit, Solarmodule oder Wafer auch noch nachträglich zu identifizieren und gegebenenfalls auszusortieren, bei denen in einer vorgelagerten Fertigungsstufe beispielsweise ein Prozessparameter nicht richtig eingestellt war.
Im Hinblick auf die Verbesserung des Gesamtprozesses wird hierbei vorzugsweise derart vorgegangen, dass die Eigenschaften des Produktes, beispielsweise des fertigen Solarmoduls, bestimmten Fertigungsparametern der Fertigungsstufen zugeordnet werden. Wird beispielsweise beim Endprodukt ein verbesserter Wirkungsgrad festgestellt, so kann durch Vergleich der Prozessparameter mit denen eines anderen, schlechteren Endprodukts ein einzelner oder ein Satz von geänderten Prozessparametern identifiziert werden, der dann als Ursache für die Verbesserung angenommen werden kann.
Wird bei dem Bildvergleich eine Identität der charakteristischen Strukturen zwischen dem Produktbild und dem Vergleichsbild festgestellt, so wird dies bevorzugt dahingehend identifiziert, dass das Produktbild und das Vergleichsbild dem identischen Produkt in unterschiedlichen Fertigungsstufen zuzuordnen ist. In diesem Fall ist also beispielsweise ein und derselbe Wafer in unterschiedlichen Fertigungsstufen identifiziert worden. Dies dient zur eindeutigen Rückverfolgung des Produkts über mehrere Fertigungsstufen hinweg.
Mitunter ist es teilweise auch ausreichend, wenn bereits eine Zuordnung mehrerer Produkte zu einem gemeinsamen Ausgangsprodukt vorgenommen werden kann. So hat beispielsweise bereits die Qualität eines Ingots einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts. Es ist daher von Interesse, welche der Wafer aus einem gleichen Ingot bzw. aus einer gleichen Charge hervorgegangen sind. Dies wird in bevorzugter Weiterbildung dann angenommen, wenn die charakteristischen Strukturen im Produktbild und im Vergleichsbild sich zwar unterscheiden, jedoch ähnlich sind. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass aufgrund der geringen Dicke einzelner Waferscheiben zwei benachbarte Waferscheiben eine vergleichbare polykristalline Struktur aufweisen. Insbesondere können sich einzelnen Kristalle über mehrere Waferscheiben hinweg erstrecken, so dass ähnliche Strukturen zu erwarten sind. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, über beispielsweise statistische Auswertungen der polykristallinen Struktur Rückschlüsse auf den ursprünglichen Ingot oder auch Rückschlüsse auf eine gesamte Charge von ursprünglichen Ingots zu ziehen. Bei der statistischen Auswertung der globalen Struktur, dem so genannten Gefüge, wird insbesondere die Korngrößenverteilung, der Anteil der nicht kristallinen Phasen etc. betrachtet. Dies beruht auf der Überlegung, dass die bei der Herstellung der Ingots verwendeten Prozessparameter das Gefüge derart beeinflussen, dass sich beispielsweise die Korngrößenverteilung zwischen zwei Ingots unterschiedlicher Chargen oder von unterschiedlichen Herstellern unterscheiden lässt.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird hierbei anhand des Grades der festgestellten Ähnlichkeit auf eine örtlich Nähe zwischen Produkt und Vergleichsprodukt innerhalb des Vorläuferprodukts zurückgeschlossen. Es wird also ein Ähnlichkeitsmaß ermittelt, anhand dessen die relative Lage beispielsweise der einzelnen Wafer innerhalb eines Ingot-Blocks bestimmt werden kann. Um die relative Lage zu bestimmen, werden bevorzugt Verfahren der automatischen Bildauswertung sowie Kenntnisse zum einzelnen Produkt herangezogen. So besteht die Möglichkeit, einzelne charakteristische Kristalle in den Bildern zu vermessen. Unter Berücksichtigung der Dicke eines Wafers kann anhand eines mehrere Wafer kreuzenden Kristalles ermittelt werden, wie nah oder wie weit entfernt die beiden zu vergleichenden Waferscheiben im Ingot-Block gelegen waren.
Aus einem Ingot-Block wird eine Vielzahl von Wafern erhalten, beispielsweise etwa 1500 Wafer. Um die Position des jeweiligen Wafers innerhalb des Ingot-Blocks eindeutig zu identifizieren wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derart vorgegengen, dass zunächst zumindest ein Bild einer der Seitenflächen des Ingot-Blocks als Vergleichsbild herangezogen wird. Mit diesem Vergleichsbild wird ein Bild (Produktbild) eines Seitenrands des jeweiligen Wafers verglichen. Bei Übereinstimmung des Bildes des Seitenrands, welches ein Auschnitt aus dem Bild der Seitenfläche des Ingot-Blocks ist, ist sofort die exakte Lage des Wafers innerhalb des Ingot-Blocks eindeutig bestimmt. Natürlich können als Vergleichsbilder und Produktbilder auch Bilder mehrere Seitenflächen bzw. Seitenränder aufgenommen werden. Dem jeweiligen Wafer kann daher eine eindeutige Herkunftsadresse zugewiesen werden, die vorzugsweise den Ingot-Block sowie die Position inner halb des Ingot-Blocks definiert, wie beispielsweise Wafer Nr. 734 des Ingot-Blocks 27.
Um eine möglichst zuverlässige und eindeutige Aussage zu erreichen, ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass fertigungsspezifische Veränderungen am Erscheinungsbild der polykristallinen Struktur erkannt und für den Vergleich der charakteristischen Strukturen ausgeklammert werden. Derartige fertigungsspezifische Änderungen sind beispielsweise der aufgebrachte Siebdruck, eine Fehlstelle (Ausbruch), eine Einfärbung, etc. Anhand von Entscheidungsmustern oder Erkenntniswerten werden derartige fertigungsspezifische Veränderungen vorzugsweise automatisch erkannt. Diese Bereiche, bei denen derartige Veränderungen aufgetreten sind, werden für die Auswertung nicht berücksichtigt, weder in positiver noch in negativer Hinsicht, also weder zur Bestätigung der Identität oder Ähnlichkeit, noch zum Ausschluss der Identität oder Ähnlichkeit.
Als die charakteristische Struktur werden vorzugsweise die Korngrenzen der polykristallinen Struktur und/oder eine Kristallausrichtung innerhalb eines Untersuchungsbereichs herangezogen. Die Kristallausrichtung ist hierbei im Wesentlichen ein Äquivalent zu den Korngrenzen, da Kristalle mit gleicher Kristallausrichtung parallel verlaufende Korngrenzen aufweisen. Die Auswertung der Kristallausrichtung beruht darauf, dass Bereiche mit gleicher Kristallausrichtung ein vergleichbares oder identisches Reflexionsverhalten aufweisen, so dass sie in einem Bild beispielsweise den gleichen Helligkeitswert haben. Die Betrachtung der Kristallausrichtung als charakteristische Struktur ist hierbei im Wesentlichen eine eher flächenhafte Betrachtung, wobei die Beurteilung der Korngrenzen mehr eine linienhafte, eindimensionale Betrachtungsweise ist. Die Betrachtung der Korngrenzen als charakteristisches Merkmal eignet sich insbesondere aufgrund der üblicherweise hohen Kontrastunterschiede an den Korngrenzen, so dass eine automatische Bildanalyse und Auswertung sowie ein automatischer Bildvergleich zuverlässig und einfach durchgeführt werden kann.
Bei der Verwendung von Korngrenzen oder auch der Kristallausrichtung als charakteristische Strukturen wird vorzugsweise dann auf Identität entschieden, wenn im Untersuchungsbereich die Korngrenzen im Produktbild und im Vergleichsbild identisch sind. Auf Ähnlichkeit wird vorzugsweise dann entschieden, wenn die Korngrenzen im Vergleichsbild im Hinblick auf Lage, Größe und/oder Orientierung ähnlich den Korngrenzen im Produktbild sind. Insbesondere müssen hierbei sowohl die Lage als auch Größe und die Orientierung einander ähnlich sein. Für die Zuerkennung der Ähnlichkeit wird bei diesen drei Parametern zweckdienlicherweise eine Wechselwirkung berücksichtigt, so dass beispielsweise bei einem hohen Grad an Ähnlichkeit bezüglich der Orientierung und der Größe, aber nur einem geringen Grad der Ähnlichkeit der Lage innerhalb des Bildes dennoch auf Ähnlichkeit entschieden wird. Dies ist nämlich dann gerechtfertigt, wenn die beiden zu vergleichenden Wafer innerhalb des Ingot-Blocks um mehrere Wafer voneinander beabstandet waren.
Auf Verschiedenheit wird vorzugsweise bereits dann entschieden, wenn zu einer einzigen Korngrenze im Produktbild keine auch nicht vergleichbare Korngrenze im Vergleichsbild ermittelt werden kann. Durch diese Maßnahme ist ein einfaches Ausschlusskriterium für eine negative Beurteilung gegeben, so dass eine schnelle Negativentscheidung getroffen werden kann. Lediglich bei der Beurteilung der Identität und insbesondere bei der Ähnlichkeit werden vorzugsweise größere Untersuchungsbereiche miteinander verglichen.
Insgesamt ist in einer zweckdienlichen Ausgestaltung vorgesehen, dass lediglich ein Teilbereich des Produktbildes und ein hierzu korrespondierender Teilbereich des Vergleichsbildes untersucht werden. Dies beruht auf der Überlegung, dass jeder Teilbereich – sofern er eine Mindestgröße aufweist – als eindeutiges Identifizierungsmerkmal herangezogen werden kann. Es brauchen daher nicht alle Korngrenzen in den Bildern untersucht zu werden. Vielmehr reicht eine Teilmenge der Korngrenzen, die zum Vergleich herangezogen werden. Die Analyse wird beispielsweise auf eine der beiden Oberflächenseite des Wafers oder lediglich auf ein ausgewähltes Gebiet einer Waferseite (Oberseite/Unterseite) beschränkt. Die se ausgewählten Gebiete sind insbesondere derartige Bereiche, die nicht bedruckt und/oder vom Rand entfernt sind.
Als Teilbereich wird alternativ gezielt ein Randbereich ausgewählt. Die Berücksichtigung lediglich eines Teilbereichs nahe der Waferkante hat den Vorteil, dass hier üblicherweise die Kristalle leichter auswertbar sind, da diese eindimensional aufgereiht und in einer natürlichen Reihenfolge vorliegen.
Die hier angeführten Auswertemethoden im Hinblick auf die Korngrenzen lassen sich prinzipiell gleichermaßen auch unter Zugrundelegung der Kristallausrichtung ausführen.
Zweckdienlicherweise wird anhand der charakteristischen Struktur, also beispielsweise anhand der Korngrenzen oder anhand der Kristallausrichtung, direkt auf Fertigungsparameter oder Eigenschaften des Produkts zurückgeschlossen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass insbesondere statistische Gefügeeigenschaften, beispielsweise die Größe der einzelnen Kristalle, ihre Korngrößenverteilung etc., unmittelbar auf bestimmte Prozessparameter beim Herstellen des Ingots zurückzuführen sind. Umgekehrt nehmen die Eigenschaften des Gefüges auch wesentlichen Einfluss sowohl auf die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften des Endprodukts. Die gewonnenen Erkenntnisse können daher insbesondere im Rahmen einer Qualitätskontrolle herangezogen werden, um beispielsweise frühzeitig Ausschussware zu erkennen oder auch um Ware unterschiedlicher Qualität unterschiedlich zu sortieren.
Für die Erstellung der Produkt- sowie Vergleichsbilder werden gemäß einer bevorzugten Variante Oberflächenbilder herangezogen. Unter Oberflächenbilder werden hierbei Bilder verstanden, die aus einer Aufnahme der Oberfläche des Produktes bzw. des Vergleichsproduktes resultieren. Vorzugsweise werden hierzu Aufnahmen mit einer optischen Kamera, insbesondere im sichtbaren Bereich und/oder im nahen Infrarot (Wellenlänge etwa 400 bis 1000 nm) aufgenommen.
Zur Erstellung eines jeweiligen Bildes (Produktbild oder Vergleichsbild) werden in einer zweckdienlichen Weiterbildung mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Beleuchtungssituationen, unterschiedlichen Kameraeinstellungen und/oder unterschiedlichen optischen Filtern aufgenommen. Aus diesen Aufnahmen wird dann gemeinsam das jeweilige Bild beispielsweise durch Überlagerung der einzelnen Aufnahmen erstellt, das dann für den Vergleich und zur Ermittlung der charakteristischen Strukturen herangezogen wird. Durch die unterschiedlichen Beleuchtungssituationen, insbesondere ein Beleuchten von unterschiedlichen Richtungen, so dass das Beleuchtungslicht unter unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche auftrifft, werden in Abhängigkeit der unterschiedlichen Kristallorientierungen unterschiedliche Reflexionen und damit unterschiedliche Aufnahmen erhalten. In Abhängigkeit der jeweiligen Beleuchtungsrichtung treten hierbei unterschiedliche Korngrenzen unterschiedlich stark hervor. Durch die Übereinanderlagerung der mehreren Aufnahmen werden kontraststarke Bilder erhalten.
In vergleichbarer Weise werden kontraststarke Bilder durch die Wahl unterschiedlicher optischer Filter, beispielsweise geeigneter Polarisationsfilter, erhalten. Auch hier werden durch die Wahl beispielsweise einer bestimmten Polarisationsebene für die unterschiedlichen Aufnahmen unterschiedliche Kristallbereiche oder Korngrenzen unterschiedlich stark hervorgehoben. Die unterschiedlichen Einstellungen werden vorzugsweise alternativ eingesetzt, also entweder unterschiedliche Beleuchtungssituationen oder unterschiedliche optische Filter.
Alternativ zu der Verwendung von Oberflächenbildern werden Durchleuchtungsbilder herangezogen. In derartigen Bildern sind daher auch Tiefeninformationen enthalten. Derartige Durchleuchtungsbilder werden beispielsweise mit Hilfe von Infrarot-Kameras und Infrarot-Beleuchtung erhalten. So sind nämlich Wafer und sogar auch großvolumige Ingot-Blocks für Infrarot-Licht durchsichtig (Wellenlängen im Bereich von 800 nm bis etwa 2000 nm). Alternativ hierzu wird auch höherenergetische Strahlung, wie beispielsweise Röntgenstrahlung, für die Erstellung der Durchleuchtungsbilder mit entsprechenden Strahlungsdetektoren herangezo gen. Mit derartigen Durchleuchtungsbildern werden insbesondere Unterschiede bei der Kristallausrichtung gut sichtbar.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet. Eine derartige Vorrichtung ist zweckdienlicherweise innerhalb einer Fertigungsstätte, beispielsweise am Ende einer Produktionsstraße, angeordnet und dient zur automatischen, kontinuierlichen Erstellung von Bildern der Produkte. Bevorzugt ist am Ende jeder Fertigungsstufe eine Bilderfassungseinheit zur Erstellung der jeweiligen Produktbilder der Produkte dieser Fertigungsstufe angeordnet. Die aufgenommenen Bilder werden abgespeichert und beispielsweise für die spätere Auswertung an eine Bildauswerteeinheit übergeben. Die Bildauswerteeinheit kann hierbei auch entfernt von der Bilderfassungseinheit angeordnet sein. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Bilder jeweils innerhalb einer Fertigungsstätte zu erfassen und dann zur Auswertung an eine Analysestelle zu übermitteln, bei der sämtliche Bilder zusammenlaufen und miteinander verglichen werden. Zweckdienlicherweise erfolgt jedoch die Analyse und der Vergleich unmittelbar innerhalb der Fertigungsstätte.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert. Es zeigen:
1 anhand einer schematischen und stark vereinfachten Darstellung den Verfahrensablauf bei der Herstellung eines Solarmoduls sowie eine Vorrichtung, die zur Identifizierung der Herkunft der gefertigten Solarmodule oder deren Vorläuferprodukte geeignet ist, sowie
2 eine schematisierte Darstellung, anhand derer der bildhafte Vergleich illustriert wird.
Das Verfahren zur Identifizierung der Herkunft eines polykristallinen Halbleiterprodukts wird beispielhaft anhand der bevorzugten Anwendung bei der Herstellung eines Solarmoduls 2 erläutert. Zur Herstellung des Solarmoduls 2 sind mehrere Fertigungsstufen I bis IV erforderlich, die üblicherweise in getrennten Fertigungsstätten erfolgen. Ausgangspunkt ist die Herstellung eines so genannten Silizium-Ingot-Blocks 4. Hierzu wird geeignetes Silizium-Rohmaterial zu einem sogenannten Ingot verschmolzen. Der Ingot bildet einen Rohblock, aus dem durch Nachbearbeitung, nämlich Abschneiden der Randbereiche, um definierte Kantenlängen und eine glatte Oberfläche zu erhalten, der Ingot-Block 4 hergestellt wird. Der Ingot-Block 4 weist für die Herstellung der Solarmodule 2 üblicherweise eine rechteckige Querschnittskontur auf. Als Ingot-Block 4 wird hierbei ein polykristalliner Ingot-Block 4 herangezogen. In der zweiten Fertigungsstufe II wird der Ingot-Block 4 zu einzelnen so genannten Wafern 6 zersägt. Die Wafer 6 werden in der zweiten Fertigungsstufe II beispielsweise noch poliert, oberflächenbehandelt, etc. In der dritten Fertigungsstufe III wird aus dem Wafer 6 eine Solarzelle 8 hergestellt. Hierzu wird beispielsweise auf die Oberseite eine Antireflexionsbeschichtung und auf sowohl der Ober- als auch der Unterseite ein Leiterbahnmuster mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens aufgebracht. Schließlich wird in der vierten Fertigungsstufe IV aus mehreren einzelnen Solarzellen 8 das Solarmodul 2 zusammengesetzt. Hierbei werden die einzelnen Solarzellen 8 auf eine Glasplatte aufgelegt und elektrisch miteinander verschalten.
Das fertige Solarmodul 2 bildet daher ein Endprodukt, zu dem mehrere Vorprodukte, nämlich die Solarzelle 8, der Wafer 6 sowie der Ingot-Block 4 und der Ingot bestehen. Die Qualität, insbesondere der Wirkungsgrad des Solarmoduls 2, hängt hierbei von dem Gesamtprozess der Herstellung über alle vier Fertigungsstufen I bis IV ab. Die Prozessparameter jeder einzelnen Fertigungsstufe I bis IV können hierbei Auswirkungen auf die Qualität des Endprodukts 2 haben. Eine Rückverfolgung und Zuordnung eines speziellen Solarmoduls 2 zu einem Ausgangsprodukt oder Vorläuferprodukt 4, 6, 8 ist üblicherweise nicht vorgesehen. Daher ist eine Identifizierung des gesamten Herstellungsprozesses, den ein jeweiliges Solarmodul 2 über die vier Fertigungsstufen I bis IV hinweg durchlaufen hat, nicht oder nur schwer möglich. Insbesondere ist es schwierig, Qualitätsmerkmale unterschiedlichen Prozessparametern innerhalb der Fertigungsstufen I–IV zuzuordnen.
Insbesondere um diese Zuordnung der einzelnen Prozessparameter zu dem Endprodukt 2 zu ermöglichen, wird mit Hilfe der auf der rechten Bildhälfte dargestellten Vorrichtung 10 die Herkunft eines jeweiligen Zwischen- oder Endprodukts 2, 4, 6, 8 identifiziert. Unter Herkunft wird hierbei allgemein die Zuordnung des jeweiligen Produkts 2, 4, 6, 8 zu einem gemeinsamen Ursprung im Sinne einer produktbezogenen Abstammungsanalyse verstanden. Im Speziellen wird unter Identifizierung der Herkunft verstanden, dass das selbe Produkt über mehrere Fertigungsstufen I–IV identifiziert wird. Unter Identifizierung der Herkunft wird darüber hinaus aber auch die Zuordnung verschiedener Produkte (Wafer 6) zu einem gemeinsamen Vorläuferprodukt verstanden.
Diese Abstammungsprüfung erfolgt bildgestützt durch einen automatisierten und insbesondere vollautomatischen Bildvergleich zwischen einem Produktbild 12 und jeweils einem Vergleichsbild 14 (vgl. hierzu 2). Unter Produktbild 12 wird hierbei jeweils ein Bild verstanden, das dem aktuell zu überprüfenden Produkt, beispielsweise der Solarzelle 8, dem Wafer 6 oder dem Solarmodul 2, zuzuordnen ist. Unter Vergleichsbild 14 wird jeweils ein Bild verstanden, das zuvor von einem Produkt der gleichen Fertigungsstufe oder auch einer vorhergehenden Fertigungsstufe erstellt und abgespeichert wurde.
Die Erzeugung der Bilder 12, 14 wird mit Hilfe der Vorrichtung 10 durchgeführt. Die Vorrichtung 10 umfasst hierzu eine vorzugsweise optische Kamera 16, die im sichtbaren und/oder im nahen infraroten Bereich arbeitet und vor deren Objektiv bei Bedarf ein Polarisationsfilter 18 geschaltet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin Beleuchtungsgeräte 20, die in unterschiedlichen Winkeln in Bezug zu einem Aufnahmebereich 22 orientiert sind. In den Aufnahmebereich 22 wird das jeweilige Produkt vorzugsweise automatisch gebracht, zu dem die Aufnahme erstellt werden soll. Im Ausführungsbeispiel ist dies ein Wafer 6. Die Kamera 16 sowie die Beleuchtungseinrichtungen 20 werden von einer Steuereinrichtung 24 angesteuert. Diese umfasst einen Speicher 26 sowie eine Bildauswerteeinheit 28. Die Steuereinrichtung 24, beispielsweise ein herkömmlicher PC, ist mit einer Be dieneinheit 30 für einen Nutzer verbunden. Die Bedieneinheit 30 umfasst typischerweise eine Anzeige sowie Ein- und Ausgabeeinheiten.
Mit Hilfe der Kamera 16 werden Aufnahmen 32 (2) der Oberfläche des aktuellen Wafers 6 erstellt und im Speicher 26 abgespeichert.
In bevorzugter Ausgestaltung werden vom jeweiligen Wafer 6 mehrer Aufnahmen 32 erstellt, wobei hier jeweils unterschiedliche Beleuchtungssituationen eingestellt werden. Hierbei wird der Wafer insbesondere von unterschiedlichen Winkeln mit den Beleuchtungseinrichtungen 20 beleuchtet. Aufgrund der anisotropen Reflexionseigenschaften der Oberfläche sind homogen ausgerichtete Kristallgebiete im polykristallinen Material jeweils einheitlich ausgeleuchtet. Je nach Beleuchtungsrichtung verändert sich die Reflexion in benachbarten verschiedenen Kristallkörnern zugehörigen Bereichen unterschiedlich zwischen zwei Beleuchtungssituationen. Der Wechsel in der Beleuchtungssituation dient zur besseren Erkennung von Korngrenzen.
Im Speicher 26 sind darüber hinaus auch Vergleichsbilder 14 enthalten, die zuvor von der Kamera 16 aufgenommen wurden oder die über eine Fernübertragung von einer anderen Fertigungsstufe I bis IV übermittelt wurden. Der Speicher 26 umfasst daher einen Gesamtpool von Vergleichsbildern 14 vorzugsweise von unterschiedlichen Fertigungsstufen I bis IV. Mit Hilfe der Bildauswerteeinheit 28 wird ein jeweiliges Produktbild 12 mit dem Pool an Vergleichsbildern 14 auf Übereinstimmung geprüft. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Überprüfung auf Vergleichsbilder 14 einer bestimmten Fertigungsstufe I bis IV einzuschränken. Auch andere Einschränkungs- und Sortierkriterien, wie beispielsweise zeitliche, herstellerspezifische, etc. sind möglich.
Der eigentliche Bildvergleich und die Bildanalyse, wie sie in der Bildauswerteeinheit 28 vorgenommen wird, wird nunmehr anhand der 2 skizziert. 2 zeigt in dem oberen Bereich vier Aufnahmen 32 eines einzelnen Wafers 6, die unter unterschiedlichen Aufnahmesituationen (vier unterschiedliche Beleuchtungsrich tungen) aufgenommen wurden. Aus diesen vier Aufnahmen 32 werden in einem ersten Aufbereitungsschritt vier aufbereitete Aufnahmen 32' erstellt. Hierbei wird beispielsweise eine automatische Helligkeitsanpassung durchgeführt. Weitere Maßnahmen einer Bildauswertung, wie beispielsweise Schärfen von Konturen, Einfärben, etc., können hierbei ebenfalls vorgenommen werden. Die vier aufbereiteten Aufnahmen 32' werden dann zur Erstellung des Produktbilds 12 gemeinsam verarbeitet, insbesondere übereinander gelegt. Im Produktbild 12 sind die einzelnen Körner 34 sowie deren Korngrenzen 36 in der polykristallinen Struktur (Gefüge) konturenscharf zu erkennen.
Anhand eines Bildvergleichs des Produktbilds 12 mit dem vorzugsweise auf gleiche Art und Weise erzeugten Vergleichsbild 14 wird entschieden, ob das dem Produktbild 12 zugeordnete Produkt sowie das dem Vergleichsbild 14 zugeordnete Vergleichsprodukt ähnlich oder identisch sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich Produktbild 12 und Vergleichsbild 14 deutlich, so dass aufgrund der Unterschiede in der polykristallinen Struktur erkannt wird, dass hier keine gemeinsame Abstammung vorliegt.
Beim Vergleich wird hierbei zwischen Identität und Ähnlichkeit unterschieden. Identität liegt dann vor, wenn zumindest innerhalb eines Teilbereichs 38, beispielsweise der umlaufende Randbereich des jeweiligen Bildes 12, 14, die einzelnen Korngrenzen 36 identisch verlaufen. Wird eine identische polykristalline Struktur festgestellt, so wird dies dahingehend interpretiert, dass das Vergleichsprodukt ein Vorläuferprodukt des Produktes ist, dass also beispielsweise das Produktbild 12 eine Solarzelle 8 widerspiegelt und das Vergleichsbild 14 den Wafer 6, aus dem diese Solarzelle 8 hervorgegangen ist.
Auf Ähnlichkeit zwischen den beiden Bildern 12, 14 wird dann erkannt, wenn die Korngrenzen 36 in dem Teilbereich 38 nicht identisch, jedoch eine so hohe Ähnlichkeit aufweisen, dass davon ausgegangen werden kann, dass die beiden den Bildern 12, 14 zugrunde liegenden Produkte eine gemeinsame Abstammung aufweisen, insbesondere aus dem gleichen Ingot-Block 4 stammen.
Anhand dieser Informationen im Hinblick auf Identität oder Ähnlichkeit werden dann vorzugsweise Rückschlüsse auf die Auswirkungen von einzelnen Prozessparametern für die Qualität gezogen. Hierzu werden zu den jeweiligen Produkten 4, 6, 8 im Laufe der Fertigung jeweils die Prozessparameter erfasst und gespeichert. Auf diese Weise sind beispielsweise einem fertigen Solarmodul 2 alle Prozessparameter über sämtliche Fertigungsstufen I bis IV hinweg zuzuordnen. Erforderlich ist hierzu, dass den jeweiligen Bildern 12, 14 jeweils die jeweiligen Informationen über die Prozessparameter direkt oder indirekt zugeordnet sind. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass im Rahmen der Produktion die Vorrichtung 10 in die Produktionsstraße integriert ist und kontinuierlich von den einzelnen Produkten 2, 4, 6, 8 die Aufnahmen 32 anfertigt und abspeichert. Beim Abspeichern wird eine Produktkennnummer vergeben, anhand derer beispielsweise in Verbindung mit einem Produktionsüberwachungssystem die Zeit der Herstellung sowie die bei der Herstellung herangezogenen Prozessparameter rückverfolgbar sind.
Zur Identifizierung der Lage eines jeweiligen Wafers 6 innerhalb eines Ingot-Blocks 4 werden – wie dies durch den gestrichelten Pfeil in 1 angedeutet ist – zunächst als Vergleichsbilder von den Seitenflächen des Ingot-Blocks 4 Bilder aufgenommen. Als Produktbilder werden die Randseiten eines jeweiligen Wafers 6 aufgenommen. Da die Wafer-Randseiten zwangsweise Teile der Seitenflächen des Ingot-Blocks 4 sind, kann bei Erkennen auf Identität anhand er polykristallinene Struktur die genaue Lage des jeweiligen Wafers 6 im Ingot-Block bestimmt werden, so dass dem Wafer 6 eine eindeutige Herkunfts-Adresse vergeben werden kann.
Die Aufnahmen 32 können darüber hinaus auch allgemein im Sinne einer Qualitätskontrolle herangezogen werden. Insbesondere werden aus den mit Hilfe der Bildauswertung erkannten Strukturen unmittelbar Rückschlüsse auf Fertigungsparameter, wie beispielsweise Temperaturbehandlungen beim Herstellen des Ingots, oder auch auf die Eigenschaften des Endprodukts geschlossen. So läßt sich näm lich aus der Korngrößenverteilung, den mittleren und maximalen Korngrößen auf die Wachstumsbedingungen beim Herstellprozess der polykristallinen Struktur rückschließen. Das gesamte Gefüge, wie es sich aus den Bildern 12, 14 ergibt, ist nämlich einerseits maßgeblich bestimmt durch den Herstellungsprozess beim Herstellen des Ingots. Andererseits bestimmt das Gefüge gleichzeitig auch maßgeblich die Eigenschaften des fertigen Endprodukts. Unter Gefüge wird hierbei insbesondere die Gesamtheit aller Eigenschaften der polykristallinen Materialstruktur verstanden. Die Eigenschaften des Gefüges werden insbesondere geprägt durch die Korngrößenverteilung der einzelnen Körner 34, der mittleren Korngröße sowie gegebenenfalls der Maximal- und Minimalkorngröße, der Länge der Korngrenzen, die Gesamtlänge aller Korngrenzen.
Insgesamt bietet daher das hier beschriebene Verfahren die Möglichkeit einer umfassenden, eindeutigen Analyse einzelner Produkte im Hinblick auf ihren Herstellungsprozess und eröffnet somit die Möglichkeit zur zielgerichteten Verbesserung der Eigenschaften des Endprodukts.

2: Solarmodul
4: Ingot-Block
6: Wafer
8: Solarzelle
10: Vorrichtung
12: Produktbild
14: Vergleichsbild
16: Kamera
18: Polarisationsfilter
20: Beleuchtungseinrichtung
22: Aufnahmebereich
24: Steuereinrichtung
26: Speicher
28: Bildauswerteeinheit
30: Bedieneinheit
32: Aufnahme
32': aufbereitete Aufnahme
34: Körner
36: Korngrenzen
38: Teilbereich
I–IV: Fertigungsstufen

Claims

Verfahren zur Identifizierung der Herkunft eines polykristallinen Produkts (2, 4, 8, 6), insbesondere eines Solarmoduls (2) oder eines Vorläuferprodukts (4, 6, 8) des Solarmoduls (2), wobei mit Hilfe einer Bildauswertung ein Produktbild (12) des Produkts (2, 4, 6, 8) mit zumindest einem Vergleichsbild (14) eines Vergleichsprodukts (2, 4, 6, 8) auf Übereinstimmung der polykristallinen Strukturen untersucht wird, wobei das Produkt (2, 4, 6, 8) dem Vergleichsprodukt (2, 4, 6, 8) als zugehörig zugeordnet wird, wenn eine charakteristische Struktur (36) des Produkts (2, 4, 6, 8) und des Vergleichsprodukts (2, 4, 6, 8) einander zumindest ähnlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Produkt (2, 6, 8) in mehreren Fertigungsstufen (I, II, III, IV) aus einem Vorläuferprodukt (4, 6, 8) hervorgegangen ist, wobei Eigenschaften des Produkts (2, 6, 8) mit Hilfe des Vergleichs der charakteristischen Struktur (36) Fertigungsparametern der Fertigungsstufen (I–IV) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Produkt (2, 6, 8) in mehreren Fertigungsstufen (I–IV) aus einem Vorläuferprodukt (4, 6, 8) hervorgegangen ist und in jeder Fertigungsstufe (I–IV) Bilder (12) erstellt und als Vergleichsbilder (14) hinterlegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei Identität der charakteristischen Struktur (34) des Produkts (2, 6) und des Vergleichsprodukt (4, 6, 8) das Vergleichsprodukt (4, 6, 8) als das Vorläuferprodukt des Produkts (2, 6) identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mehrere Produkte (2, 6, 8) aus einem gemeinsamen Vorläuferprodukt (4) hervorgegangen sind, wobei das Produkt (2, 6, 8) und das Vergleichsprodukt (2, 6, 8) als vom gleichen Vorläuferprodukt (4) stammend identifiziert werden, wenn die charakteristische Struktur (34) des Produkts (2, 6, 8) und des Vergleichsprodukts (2, 6, 8) zwar unterschiedlich, jedoch ähnlich sind.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem anhand des Grades der Ähnlichkeit auf eine örtliche Nähe zwischen Produkt (2, 6, 8) und Vergleichsprodukt (2, 6, 8) innerhalb des Vorläuferprodukts (4) rückgeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Vorläuferprodukt ein Ingot-Block (4) ist, aus dem durch Abtrennen eine Vielzahl von einzelnen Wafern (6) hergestellt werden, wobei als Produktbild (12) ein Bild eines Seitenrandes eines Wafers (6) mit einem Bild einer Seitenfläche des Ingot-Blocks (4) als Vergleichsbild verglichen und anhand des Vergleichs die ursprüngliche Lage des Wafers (6) innerhalb des Ingot-Blocks (4) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem fertigungsspezifische Veränderungen am Erscheinungsbild der polykristallinen Struktur erkannt und für den Vergleich der charakteristischen Struktur (34) ausgeklammert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als charakteristische Struktur Korngrenzen (34) der polykristallinen Struktur und/oder eine Kristallausrichtung innerhalb eines Untersuchungsbereichs (38) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem auf Identität entschieden wird, wenn im Untersuchungsbereich (38) die Korngrenzen (34) im Produktbild (12) und Vergleichsbild (14) identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem auf Ähnlichkeit entschieden wird, wenn Korngrenzen (34) im Vergleichsbild (14) im Hinblick auf Lage, Größe und/oder Orientierung ähnlich den Korngrenzen (34) im Produktbild (12) sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem auf Verschiedenheit entschieden wird, wenn bereits zu einer Korngrenze (34) im Produktbild (12) keine identische oder ähnliche Korngrenze (34) im Vergleichsbild (14) ermittelt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem lediglich ein Teilbereich (38) des Produktbildes (12) und des Vergleichsbildes (14) als Untersuchungsbereich untersucht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand der charakteristischen Struktur (34) direkt auf Fertigungsparameter oder Eigenschaften des Produkts (2, 4, 6, 8) zurückgeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Analyse der polykristallinen Struktur Oberflächenbilder (12, 14) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Erstellung der Bilder (12, 14) Aufnahmen (32) mit einer optischen Kamera (16) aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem zur Erstellung eines jeweiligen Bildes (12, 14) mehrere Aufnahmen (32) mit unterschiedlichen Aufnahmesituationen, wie unterschiedliche Beleuchtungssituationen, unterschiedliche Kameraeinstellungen und/oder unterschiedliche optischen Filtern (18), aufgenommen werden, aus denen gemeinsam das jeweilige Bild (12, 14) erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem zur Analyse der polykristallinen Struktur Durchleuchtungsbilder herangezogen werden.
Vorrichtung (10) mit einer Bilderfassungseinheit (16) zur Erstellung von Produktbildern (12) eines polykristallinen Produktes (2, 4, 6, 8), insbesondere eines Solarmoduls (2) oder eines Vorläuferprodukts (6, 8) des Solarmoduls (2), mit einem Speicher (26) zur Speicherung der Produktbilder (12) sowie zum Speichern von Vergleichsbildern (14) von polykristallinen Vergleichsprodukten (2, 4, 6, 8) und mit einer Bildauswerteeinheit (28), die derart eingerichtet ist, das Produktbild (12) mit einer Anzahl von Vergleichsbildern (14) auf Übereinstimmung der polykristallinen Strukturen zu untersuchen, wobei das Produkt (2, 4, 6, 8) dem Vergleichsprodukt (2, 4, 6, 8) als zugehörig zugeordnet wird, wenn charakteristische Strukturen des Produkts (2, 4, 6, 8) und des Vergleichsprodukts (2, 4, 6, 8) einander zumindest ähnlich sind.