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27.04.2009

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3D-Oberflächenanalyse an Dünnschicht-Solarzellen

Schichtdicke und Rauheit von Dünnschicht-Solarzellen sind mit zweidimensionalen Kennwerten nicht eindeutig quantifizierbar. Für diese Aufgabe setzt ein Solaranlagenproduzent ein berührungslos arbeitendes 3D-Oberflächenmesssystem ein. Dieses liefert nahezu in Echtzeit dreidimensionale Daten, mit denen sich Prozessfehler rasch und verlässlich erkennen lassen.

Die Dünnschicht-Solarzellen des Solaranlagenherstellers centrotherm photovoltaics, Blaubeuren, werden mit dem Konfokalsystem µsurf custom des Oberhausener Messtechnikspezialisten NanoFocus analysiert. „Wir setzen die berührungslose 3D-Messtechnik in der Entwicklung von Prozesstechniken für Dünnschichtmodule ein“, erklärt Dr. Immo Kötschau, Leiter Forschung und Entwicklung im Bereich Dünnschicht bei centrotherm photovoltaics. Bei Strukturierungsgrößen von unter 50 µm sei man auf höchste Messgenauigkeit angewiesen. Herkömmliche mono- und polykristalline Solarzellen aus Silizium seien etwa 200 bis 300 µm dick. „Überzeugt hat uns vor allem die kurzfristige Verfügbarkeit und die nahtlose Integration der Lösung“, sagt Dr. Kötschau. Das modulare Messsystem lasse sich von der Hard- bis zur Software individuell an die jeweilige Applikation anpassen.

Dirk Hoffmann, Applikationsingenieur bei der NanoFocus AG, hat die Anpassung des Systems an die Messaufgabe von Beginn an begleitet. „Centrotherm photovoltaics benötigte ein hochauflösendes Mikroskop, mit dem auch große Proben zerstörungsfrei untersucht werden können“, beschreibt er die Anforderungen des Solaranlagenbauers an das 3D-Oberflächenmesssystem. „Das Problem dabei waren die Verfahrtische, die andere Messtechnikhersteller mit ihren Lösungen nicht zeitnah realisieren konnten“, so Dirk Hoffmann weiter.

Bild 1. Forschung & Entwicklung: Dünnschicht-Solarzellen im Technikum von centrotherm photovoltaics, Blaubeuren

Bild 1. Forschung & Entwicklung: Dünnschicht-Solarzellen im Technikum von centrotherm photovoltaics, Blaubeuren

Der Solaranlagenhersteller setzt die 3D-Oberflächenanalyse als Profilometer ein, um Schichtdicken und Rauheit an Dünnschicht-Solarzellen exakt bestimmen zu können (Bild 1). „Auf diese Weise erhalten wir ein verlässliches Stufenbild, das es uns erlaubt, Prozessfehler frühzeitig zu erkennen und schnell gegenzusteuern“, erklärt Dr. Immo Kötschau. Eine Messaufgabe sei beispielsweise die Oberflächenanalyse von Beschichtungen wie Kupfer-Indium-Diselenid (Bild 2). Über Rauheitsparameter und andere Analysetools könne die Oberflächenqualität eindeutig quantifiziert werden. Diese Erkenntnisse fließen direkt in die Prozessoptimierung ein, um Defekte wie Pinholes und Partikel zu minimieren.

Bild 2. Protokoll: Laserscribe-Analyse an Dünnschichtsolarzellen. Anhand verschiedener Normparametern können Messungen auf Knopfdruck ausgewertet sowie in Form von 3D-Bildern, Messkurven und Tabellen dargestellt werden.

Bild 2. Protokoll: Laserscribe-Analyse an Dünnschichtsolarzellen. Anhand verschiedener Normparametern können Messungen auf Knopfdruck ausgewertet sowie in Form von 3D-Bildern, Messkurven und Tabellen dargestellt werden.

Zudem werden mit dem System Laser-Scribes vermessen. Mit diesen laserstrukturierten Isolationskanälen lässt sich das Gesamtmodul unterteilen. Die einzelnen Segmente werden mit entsprechenden Überlappungsbereichen monolithisch verschaltet. Mit hochpräziser 3D-Mikroskopie lassen sich sowohl die geometrischen Daten der Laser-Scribes vermessen, als auch Informationen zur Optimierung des Materialabtrags ermitteln. Durch Materialerwärmungen können am Rand unerwünschte Verschmelzungen entstehen. Diese werden anhand der 3D-Daten entnommen und beziffert. Pulsbreite, Wellenlänge und Pulsspitzenleistung des Lasers werden so an die materialtypische Ablationsschwelle angepasst und verbessern damit den Aufschmelzbereich und den Wärmeeintrag.

Mit der Auswertesoftware µsoft analysis lassen sich die Messdaten nach den aktuellen Normen analysieren. Zudem stellt der Protokollgenerator die Ergebnisse übersichtlich in Form von 3D-Bildern, Messkurven und Tabellen dar. Das Protokoll dient anschließend als Vorlage für die Analyse von Serienmessungen. Für automatisierte Messprozesse bietet NanoFocus die Software µsoft automation an, mit der sich alle messspezifischen Parameter wie Referenzpunkte, Auflösung und Probenhöhe in einer Messvorlage ablegen lassen. Dadurch soll sich der Zeitaufwand für die Prozesskontrolle noch einmal deutlich reduzieren.

„Der Einsatz des µsurf-custom-Systems spart Zeit und erleichtert uns die Entwicklungsarbeit“, fasst Dr. Kötschau die Vorteile zusammen, die mithilfe dieser Messtechnik erzielt werden. „Künftig werden berührungslose Messtools aus der Fotovoltaik nicht mehr wegzudenken sein, weil sie als Profilometer nahezu in Echtzeit verlässliche Daten liefern, die eine rasche Fehlerbehebung und eine kontinuierliche Verbesserung der Technologie im Dünnschichtbereich erlauben“, so der Entwicklungsleiter Dünnschicht. „Ein weiterer Grund, warum optische Messtechnik an Bedeutung gewinnen wird, ist, dass die Oberfläche besonders im Dünnschichtbereich immer höheren Anforderungen unterliegt. Diese muss zerstörungsfrei und zuverlässig vermessen werden“, ergänzt Rouven Lenz, Leiter des Kundenzentrums Süd von NanoFocus. „Zusätzlich müssen dreidimensionale Eigenschaften und Funktionen beschrieben werden, die mit zweidimensionalen Kennwerten alleine nicht eindeutig quantifiziert werden können.“

Rouven Lenz hat schon zahlreiche Unternehmen der Solarbranche – sowohl im Dick- als auch im Dünnschichtbereich – bei der Anschaffung eines konfokalen 3D-Oberflächenmesssystems beraten. „Typische branchenspezifische Messaufgaben sind etwa das Messen von Oberflächenrauheit, das Untersuchen von Leiterbahnen, das Erkennen von Defekten oder das Charakterisieren der pyramidenartig strukturierten Oberfläche“, weiß er aus Erfahrung. Die Messdaten müssen jedoch im Solarbereich unter schwierigen Bedingungen gewonnen werden. Steile Flanken, komplexe Geometrien und Strukturen bis in den Nanometerbereich machen die Messaufgaben anspruchsvoll.

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