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Datenrückverfolgung in der Herstellung von CIS-Modulen

Datenrückverfolgung in der Herstellung von CIS-Modulen

28 Juli 2008

Cognex: Die Herstellung von Halbleiterplatten auf Glasträgern ist ein komplexes und schwieriges Unterfangen mit vielen einzelnen Prozessschritten. Die Würth Solar GmbH & Co. KG, Schwäbisch Hall, produziert seit Oktober 2006 Solarmodule mit CIS-Technologie in Serienfertigung. Die Pioniere der CIS-Beschichtung entwickelten bereits im Jahr 2000 als weltweit erste auf ihrem Gebiet Solarmodule in einer Größe von 1200 mm x 600 mm in der Marbacher Pilotanlage. Zur Steigerung der Produktivität und optimierter Produktqualität hat Würth Solar seit dem Start der Serienproduktion in Schwäbisch Hall zusammen mit der AIT Göhner GmbH, Cognex Integrationspartner aus Stuttgart, eine lückenlose Datenrückverfolgung mit InSight ID-Readern implementiert. Mittlerweile liegt die Produktionsausbeute bei 90 Prozent – Tendenz steigend.

Wer früher prüft, weiß später mehr

CIS-Module von Würth Solar bestehen aus mehrschichtigen, in Reihe geschalteten Kupfer-Indium-Selen-Solarzellen mit einer Beschichtungsdicke von vier Mikrometern. Auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen sorgen sie für einen hohen Stromausstoß. Wichtig für deren Herstellung ist die Sammlung aller Qualitätsdaten der so genannten Substratplatten in jeder Produktionsmaschine. Das Problem dabei ist: Das einzige Qualitätskriterium ergibt sich erst am Schluss des Herstellungsprozesses bei der Leistungsprüfung der 120 x 60 cm großen Module im Sonnensimulator. Erst zu diesem Zeitpunkt wird deutlich, ob ein Solarmodul tatsächlich auch die gewünschte Leistung (ca. 80 Watt) oder etwa auf Grund von Qualitätsschwankungen eine geringere Leistung erbringt. Die Ingenieure von Würth Solar erfahren also erst am Ende der komplexen Beschichtungsprozesse, wie gut ihre Arbeitsergebnisse wirklich sind. Ohne eine vorgelagerte Sammlung von Qualitätsdaten ist es zu diesem Zeitpunkt nicht mehr möglich, den Ursprung von etwaigen Mängeln zu ermitteln. Eine lückenlose Qualitätssicherung erfordert die Zuordnung der Glasplatten mittels automatischer optischer Identifikation von Data-Matrix-Codes zu einzelnen Prüfstationen. An jedem dritten bis vierten Schritt des Bearbeitungsprozesses werden Qualitätsdaten erfasst. Mit dem Data-Matrix-Code wird geprüft, ob auch tatsächlich die Platte bearbeitet wurde, die zu den bisher gesammelten Daten gehört. Unter anderem durch Glasbruch können Datensätze entstehen, zu denen keine Platte mehr existiert. Die Data-Matrix-Codierung verhindert, dass es zu Verwechslungen kommt.

Perfektes Spiel der Kräfte

Zum Auftragen der Gravur hat man sich für ein automatisches Lasersystem entschieden, das den Code schnell und einfach aufträgt. Eine größere Herausforderung war die Auswahl eines geeigneten Vision-Systems zum Lesen der Codes. Die eigentliche Schwierigkeit bei gelaserten Data-Matrix-Codes auf Glas ist der verhältnismäßig geringe Kontrast der Gravur zur umgebenden Materialoberfläche. Entschieden hat man sich nach eingehenden Tests unterschiedlicher Produkte für Cognex ID Reader, die auf der Technik von In-Sight 5400 /5100 Vision-Sensoren basieren. Die ID Reader erkennen und dekodieren auch schwierige Codes auf problematischen Oberflächen und erreichen dabei Lese-Entfernungen von mehr als zwei Metern. Insbesondere überzeugte das perfekte Zusammenspiel der Kamera-Algorithmik mit der Software der AIT Göhner GmbH, dem Spezialisten für optische Prüfsysteme, der die Anwendungen bei Würth Solar projektiert und realisiert hat. An das Lasern, die so genannte „Geburt“, schließen sich weitere 19 Bearbeitungsschritte an. Dazu gehören unter anderem das Auftragen der Basisbeschichtung mit Molybdän und die darauf folgende Laserstrukturierung. Dadurch erhalten die Platten ihre eigentliche Zellenform. Zu diesem Zeitpunkt ist eine kontrollierte Qualitätsprüfung besonders wichtig, da nach einem anschließenden Waschen der wichtigste Fertigungsschritt bevor steht.

Zwei, die zusammenhalten

Bei 600°C erhalten die Substratplatten ihre CIS-Beschichtung. Nach einer anschließenden chemischen Beschichtung, bei der man eine Pufferschicht aufträgt, wird erneut der Data-Matrix-Code kontrolliert. Hinzu kommt die Prüfung der Oberflächenwölbung. Denn die hohen Ofentemperaturen führen zu Fließbewegungen in den Glasplatten, was beim Abkühlen unerwünschte Verwölbungen nach sich ziehen kann. Auf das anschließende Patterning, bei dem die Linien der einzelnen Zellen zusätzlich geritzt werden, folgt der Auftrag von Zinkoxid. Dieses dient als lichtdurchlässiger Frontkontakt der Solarzelle und bildet damit den Abschluss der Photodiode. In der abschließenden Endkonfektionierung erhalten die Platten zusätzliche Bohrlöcher für die Führungselektronik der Kontakte.

Den absoluten Höhepunkt der Fertigungskette bildet jedoch die so genannte „Hochzeit“. Das beschichtete Substratglas wird in einem letzten Arbeitsgang mit dem Deckglas dauerhaft verklebt. Endlich vereint, ist das CIS-Solarmodul bereit für die unterschiedlichsten Anwendungsformen. Diese reichen von eleganten klassischen Sonnenkollektoren zur Stromerzeugung auf Dächern und Häuserfassaden bis hin zu integrierten Produkt- und Stand-alone-Lösungen.

Der kurze Abriss des komplexen Produktionsprozesses zeigt die vielen Einflussfaktoren auf die Qualität der CIS-Solarmodule. Erst die lückenlose Rückverfolgung der Produktionsdaten mit dem Cognex ID-Reader, hat die Basis geschaffen, auf der die einzelnen Arbeitsstationen perfektioniert werden konnten. Besonders zufrieden ist man bei Würth Solar mit der Zuverlässigkeit und einfachen, selbsterklärenden Handhabung des ID-Readers sowie der AIT-Software. Und das hat Folgen. Bereits im Jahr 2008 plant man, mit weiteren Fertigungsanlagen den bisherigen Output von 600 Solarmodulen pro Tag auf 1.100 Module fast zu verdoppeln.

Über Cognex
COGNEX entwirft, entwickelt, produziert und vermarktet maschinelle Bildverarbeitungssysteme und Computer, die Maschinen ein „intelligentes Sehen“ erlauben. Cognex ist der weltweit führende Anbieter von maschinellen Bildverarbeitungssystemen mit bereits über 400.000 ausgelieferten Systemen für die maschinelle Bildverarbeitung, die einem kumulierten Umsatz von über 2 Mrd. USD seit Gründung des Unternehmens im Jahre 1981 entsprechen. Die Modular Vision Systems Division von Cognex mit Sitz in Natick, Massachusetts, hat sich auf maschinelle Bildverarbeitungssysteme spezialisiert, die bei der automatischen Herstellung von Einzelteilen und deren Qualitätssicherung zum Einsatz kommen. Die Surface Inspection Systems Division mit Hauptsitz in Alamenda, Kalifornien, konzentriert sich auf die High-speed-Oberflächenkontrolle von Bahnwaren aus Metall, Papier und Kunststoff. Neben dem Hauptsitz in Natick, Massachusetts, gibt es weitere Niederlassungen in Nordamerika, Japan, Europa und Südostasien. Der Hauptsitz von Cognex Europe befindet sich in Rueil-Malmaison in der Nähe von Paris. Weitere Informationen erhalten Sie auf unserer Website unter http://www.cognex.com.

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