Anwendungen: Temperaturüberwachung zur Prozessoptimierung
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Temperaturmessung Solarindustrie

Anwendungsbereiche

Temperaturmessung bei der Herstellung von Solarmodulen

Nutzung von Wärmebildkameras bei der Herstellung von Solarzellen

Bei fast allen industriellen Herstellungsprozessen ist die Prozess- und Produkttemperatur eine wichtige physikalische Messgröße. So auch in der Solarindustrie. Durch neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Wärmebild-Sensortechnologie und damit verbundene Preissenkungen etablieren sich industriell einsetzbare Infrarotkameras von Optris immer mehr im Herstellungsprozess von Solarzellen.

In der Solarindustrie unterliegt insbesondere die Herstellung und Prüfung von Solarmodulen zahlreichen thermischen Prozessen. Bei der Visualisierung der thermischen Abläufe kommt die kompakte und schnelle optris PI 160 Wärmebildkamera zur Prozessüberwachung und -regelung zum Einsatz.

Temperaturüberwachung im Lötprozess

 

Bei der Herstellung von Solarmodulen wird die Temperaturverteilung auf den Wafern während des Stringlötens erfasst. Das gewährleistet einen zuverlässigen und effizienten Fügeprozess. Die Löttemperatur-Erfassung erfolgt auf der Siliziumoberfläche, die an die Lötstelle angrenzt. So lässt sich direkt auf die Güte der Homogenität der Lötung schließen.

Die Herausforderungen bei der Überwachung der Lötverfahren liegen zum einen in einer hinreichenden örtlichen Auflösung, zum anderen in der zeitlichen Auflösung, da die Erwärmung der Lötstellen in unter einer Sekunde erfolgen kann. Als geeignetes Messgerät hat sich dabei die optris PI 160 IR-Kamera mit einer Detektorauflösung von 160x120 Pixel sowie einer Messwiederholungsrate von 120 Hz über das gesamte Bild etabliert.

Induktionselemente auf eine Solarzelle im String-Lötprozess                Wärmeeintrag in den Siliziumwafer durch den Lötprozess

Die beiden Abbildungen zeigen exemplarisch einen induktiven Lötprozess bei der Produktion von Solarmodulen. Zunächst fährt die Solarzelle in den Lötbereich ein. Über ihr liegen zwei Metallbänder, die mit einem weißen Pfeil in der linken Abbildung markiert sind und mit denen die Zelle verlötet werden soll. Anschließend senken sich die Induktionsheizelemente auf den Draht und drücken diesen auf die Solarzelle. Durch Erzeugen eines Induktionsfeldes erwärmt sich der Draht und verbindet sich mit den Metallkontakten der Solarzelle. In der rechten Abbildung ist der Wärmeenergiefluss in die Solarzelle deutlich zu erkennen. Hier gilt es, eine kritische Löttemperatur im Silizium nicht zu überschreiten, da sonst die Gefahr besteht, dass der Wafer aufgrund innerer Spannungen zerspringt.

Temperaturüberwachung von Laminierprozessen

Screenshot der Software optris PI Connect
Screenshot der Software optris PI Connect


Ein weiteres Anwendungsgebiet für die optris PI 160 Infrarotkamera in der Photovoltaik ist die thermische Überwachung von Laminierprozessen, nachdem die einzelnen Wafer zu einem String zusammengelötet worden sind. Eine durch thermische Überwachung gestützte Prozessführung kann eine äußerst gleichmäßige Temperaturverteilung über die Panelfläche sowohl in der Aufheiz-, als auch in der Abkühlphase ermöglichen. Dadurch gestaltet sich das Laminieren stressarm für die Solarzellen sowie die Laminierfolien und die Ausschussrate kann deutlich gesenkt werden.

Funktionskontrolle von Solarzellen

 

Die berührungslos messende Infrarot-Thermografie ist auch ein unverzichtbares Instrument für die zuverlässige Funktionskontrolle von Solarzellen. Eine Möglichkeit der Funktionsprüfung ist die periodisch modulierte Belichtung von Solarzellen bei gleichzeitiger Observation mit einer Wärmebildkamera, die Illuminated Lock-In Thermography.

Die Illuminated Lock-In Thermography

Schematische Versuchsanordnung der Illuminated Lock-In Thermography

Bei diesem Verfahren führt die durch den Lichteinfall in der Zelle generierte Ladungstrennung an defekten Stellen zu Verlustströmen. Diese ziehen eine örtlich begrenzte Erhitzung der Zelle nach sich, welche die optris PI 160 IR-Kamera als Hotspot detektieren kann. Der Aufbau des Verfahrens ist schematisch in der oberen Abbildung dargestellt. Eine andere Prüfmethode ist die Dark Lock-In Thermography. Hierbei wird die Solarzelle an eine Spannungsquelle geschlossen, worauf die Zelle unter anderem mit Wärmeabstrahlung reagiert. Mit Hilfe der Wärmebildkamera erfolgt aus den gemessenen Oberflächentemperaturen eine Lokalisierung von Gebieten mit geringerer Produktqualität.

Kleine und schnelle Wärmebildkamera findet Schwachstellen an Solarmodulen

Allgemeine Vorteile von Thermografiekameras

 

Die genannten Anwendungen zeigen deutlich die Vorteile der berührungslosen, thermografischen Überwachung:

  • Die Temperaturmessung erfolgt ohne Einfluss auf das Messobjekt oder auf den Prozess selbst
  • Die Temperatur kann im laufenden Prozess an bewegten, schwer zugänglichen oder sehr heißen Objekten gemessen werden
  • Die Messung erfolgt in Echtzeit, wodurch die Temperatur im Prozess korrigiert werden kann
  • Der Prozess wird durch thermische Videos und Bilder dokumentiert, was auch Bestandteil von Qualitätsaudits sein kann

Moderne Thermografiekameras zeichnen sich durch eine extrem kompakte Bauweise und hohe Bildwiederholfrequenzen von mindestens 120 Hz aus. Dadurch ist eine einfache Integration des etablierten Prüfverfahrens in den laufenden Produktionsablauf bei gleichzeitig kurzen Testzeiten realisierbar.

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