VisionPro® optimiert die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen

Energiegewinn durch Wissen

Modernste Lasertechnologie, anspruchsvolle Mechatronik und ausgefeilte Vision-Technologie sind die Garanten hoher Produktivität in der Herstellung von Solarzellen höchster Qualität. Diese Solarmodule erschließen neue Wege effizienterer Energiegewinnung.

Der Globalisierungsdruck ist zunehmend im Solarzellenmarkt deutlich spürbar. Höhere Produktivität und Flexibilität bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung sind unternehmerisch überlebenswichtig. Die JENOPTIK Automatisierungstechnik GmbH, ein Tochterunternehmen des Jenoptik-Konzerns, liefert wichtige Anlagen für den gesamten Herstellungsprozess der Dünnschicht-Solarzellen. Die neue Fertigungsanlage JENOPTIK-VOTAN^TM Solas 100/200 wurde zum Strukturieren von Dünnschichtsolarmodulen mittels Laser und oder Nadeln für alle  Prozessschritte (P1, P2 und P3)  konzipiert. Im Verbund mit sechs Industriekameras sorgt die leistungsstarke Bildverarbeitungssoftware VisionPro® von Cognex für die perfekte Kalibrierung der Bearbeitungswerkzeuge, ermittelt deren Verschleißstatus und prüft die korrekte Verarbeitung der Solarmodule. Implementiert wurde das komplette Vision-System  von der New Electronic Technology (NET) GmbH aus Finning.

Beeindruckend ist das erzielte Produktionsergebnis. Das Einrichten, die Bearbeitung und die anschließende Qualitätsprüfung nehmen nur 60 Sekunden pro Modul in Anspruch. Eine Leistung, die Herstellern von Solarmodulen einen deutlichen Vorsprung im heiß umkämpften Technologiemarkt der regenerativen Energien bietet.

Präzision für schnelle Linien

Die Dünnschichttechnologie mit ihren meist auf ein Glassubstrat aufgedampften oder gesputterten photoaktiven Halbleitern bietet im Vergleich mit siliziumbasierten Solarzellen den Vorteil geringerer Schichtdicken. Der niedrigere Energie- und Materialverbrauch senkt die Herstellungskosten und öffnet nicht zuletzt vor dem Hintergrund versiegender Bundesförderungen so ein entscheidendes Marktpotenzial für die Zukunft.

Moderne Dünnschichtsolarzellen, Schichten P1 bis P3,  bestehen aus einer Metallschicht, einer Halbleiterschicht und einer transparenten, elektrisch leitenden Oxidschicht. Die Anlage Solas 100 strukturiert in einem ersten Arbeitsschritt die unterste Schicht, auch P1 genannt mit mehreren Lasern. Bei CIS/CIGS-Modulen bearbeiten mechanische Werkzeuge die beiden darüber liegenden Schichten P2 und P3 mit der Anlage Solas 200. Ein in die Anlage integriertes Nadelkammsystem ritzt die gewünschten Strukturen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1,5 m/s präzise in die Oberfläche ein. Jede Nadel in der Anlage wird dabei einzeln angesteuert und positioniert. So kann sich die Produktionsanlage schnell auf unterschiedliche Zellgrößen einstellen und präzise auf Veränderungen der Strukturen durch Temperaturschwankungen und Vorprozesse reagieren. Die automatische Nadelausrichtung minimiert Umrüstzeiten und sorgt für einen zuverlässigen Produktionsprozess.

Heiße Strukturen genau im Blick

Möglich wird dies durch den Verbund aus Kontroll- und Mikroskopkameras und den absolut zuverlässigen Bildverarbeitungs-Algorithmen der VisionPro Software. In Sekundenschnelle erfasst das Vision-System die Ist-Position der Werkzeuge. Zeitgleich vermessen drei weitere Kameras die P1-Spur des automatisch eingeführten Solarpanels. Zuvor mittels Laser von der Molybdänstruktur von P1 abgetragen, liefern die Kameras drei Referenzpunkte zum so genannten Auto-Alignment. Je nach Lage und Position der P1-Strukturen auf dem Panel liefert die Vision-Software Daten zur Anpassung des Maschinenkoordinatensystem und zur Korrektur der Werkzeuge. Ziel ist dabei ein minimaler Versatz der P1 zu P2 und P3-Strukturen, um so einen hohen Wirkungsgrad der Zellen zu ermöglichen. Anschließend erfolgt die Bearbeitung der P2- und P3-Schichten mit einer Positionsgenauigkeit der Bearbeitungswerkzeuge von 5 µm.

In der abschließenden Qualitätskontrolle nehmen zwei weitere Kameras das Solarmodul noch einmal genau unter die Lupe. Gesteuert durch VisionPro prüfen sie die Qualität der aufgebrachten Strukturen. Bei der   P2-Beschichtung wirken Temperaturen von bis zu 600 °C auf das Material. Bei Substratstärken von 2 bis 6 mm verändern sich die Module zum Teil enorm. Zusätzlich sorgt der Check der minimalen und maximalen Spurbreite (Laser: 15 bis 100 µm, Nadel: 30 bis 90 µm) und die Kontrolle von deren Geradheit für optimale Ergebnisse.

Mittels Reflexions- und Transmissionsmessung prüft die Anlage VOTAN Solas 100/200 optional auch abschließend, ob alle aufgebrachten und bearbeiteten Schichten intakt sind. Mikrorisse, Glasbruch und eine mögliche Ablösung von Schichtpartikeln werden in diesem Fall mit hochwertigen Kameras und den Software-Tools von VisionPro fehlerfrei auf einen Industrie-PC erkannt.

Intelligent Prioritäten setzen

Diese Produktionsanlage mit der mächtigen Vision-Software VisionPro an Bord kann schnell und einfach in komplexe Produktionslinien integriert werden. Nicht zuletzt dank Vision-Software kombiniert die Anlage eine hohe Prozessgeschwindigkeit mit maximaler Präzision. Die intelligente Vision-Software ignoriert unkritische Veränderungen im Aussehen der Solarpanels und konzentriert sich auf die kritischen Merkmale, die für die Qualität der Produkte wichtig sind. Die umfassende Leistungsfähigkeit der Visiontools benötigt keine aufwendige Vorverarbeitung des Bildes. Dies beschleunigt die spezifische Anwendungsentwicklung durch den Vision-Ingenieur und senkt die Lebenszykluskosten für das Unternehmen und natürlich auch für den Endkunden.

Ein großes Plus dieser Produktionsanlage  bietet deren Konstruktion mit Werkzeugbaugruppen, die flexibel unterschiedliche Solarpanelgrößen bearbeiten. Vollständig in automatisierte Produktionslinien für Photovoltaik integriert, garantiert die Einzelansteuerung der Werkzeuge niedrige Taktzeiten bei konstant hoher Qualität.

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Die mechanischen Ritzwerkzeuge der Anlage VOTAN^TM Solas 200 lassen sich dank optischer Werkzeugkalibrierung einzeln bis auf 5 µm genau ausrichten.

Drei von sechs Gigabit-Ethernet-Kameras liefern die Bilddaten des Solarpanels zur sehr schnellen und präzisen Bildverarbeitung von VisionPro.

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Schwergewicht mit großen Fähigkeiten – mehr als 10 Tonnen bringt die Solarmodul-Produktionsanlage VOTAN^TM Solas mit ihrem Präzisionskern aus Hartgestein auf die Waage.