Oberflächen- und Schichtcharakterisierung

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Elektronenmikroskopbild einer verschmutzten Glasoberfläche mit Darstellung chlorhaltiger Salzverbindungen in grüner Farbe.

Photovoltaikmodule müssen im Verlauf ihrer Lebensdauer teilweise harschen Umweltbedingungen widerstehen. Die chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Modulschichtstapels spielen dabei die wesentliche Rolle. Wir bieten hochaufgelöste und hochsensitive Schichtanalytik an allen Integrationsebenen von PV-Modulen. Moduldefekte können nach Lokalisierung mit elektro-optischen Methoden anschließend mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) bis auf die atomare Ebene zurückverfolgt werden, was oftmals erst die Grundlage für das Verständnis und die Beseitigung von Defektursachen darstellt. Darüber hinaus entwickeln wir neuartige Prüfmethoden für die Bewertung von Moduldegradationseffekten. Zum Beispiel hilft die selbst entwickelte Staubtestkammer unseren Kunden bei der Entwicklung staubabweisender Glasbeschichtungen. Mit ihr lassen sich die Bedingungen, unter denen Staub an Oberflächen "festbäckt" realistisch nachstellen.

Leistungen

  • Verschmutzungs- und Reinigungstests an Glasoberflächen
  • Defektdiagnostik in der Dünnschicht-PV: Lokalisierung, Zielpräparation und Mikrostrukturanalyse
  • Elementanalytik im Schichtstapel: Quantitative Oberflächen- und Tiefenprofilanalysen mit ToF-SIMS, XPS, TEM
  • Herstellung (Magnetron-Sputtern) und Charakterisierung funktioneller Dünnschichten
  • Spannungs-Degradationstests und Hochspannungs-Leckstromprüfungen

Beispiele

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Elektrooptische Verfahren und REM/EBIC (a) helfen Defekte und Verunreinigungen in Dünnschicht-Solarzellen zu lokalisieren. Durch Zielpräparationsverfahren lassen sich vergrabene Defekte im Schichtaufbau auffinden (b) und Rückschlüsse auf Prozessfehler ziehen.

Schichtdiagnostik in der Dünnschicht-PV

Defekte und Verunreinigungen in Dünnschicht-Solarzellen werden mit elektrooptischen Verfahren und REM/EBIC (a) lokalisiert. Durch Zielpräparationsverfahren lassen sich vergrabene Defekte im Schichtaufbau auffinden (b), die Rückschlüsse auf Fehler im Prozess erlauben. Weiterführende elementanalytische Verfahren wie ToF-SIMS, XPS, TEM/EDX helfen bei der Klassifizierung von verschiedenen Defekttypen.

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Atomar aufgelöste Struktur der CIGS-Schicht.

Stapelfehler in der atomaren Struktur von CIGS-Schichten

Durch eigens entwickelte Präparationsverfahren werden artefaktfreie Querschnitte von empfindlichen Dünnschichtsystemen wie CIGS-Solarzellen hergestellt. Diese erlauben die hochaufgelöste Abbildung der atomaren Struktur im Transmissionselektronenmikroskop (TEM). In der Abbildung sind lokale Materialdefekte anhand  von Unregelmäßigkeiten in der geordneten Kristallstruktur der Atome zu erkennen.

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REM, FIB, TEM & EDX-Charakterisierung von vertstaubtem Glas auf einem Testfeld in Katar.

Anti-Soiling-Bewertung von Glasbeschichtungen

In Regionen mit hoher Staubbelastung in der Luft (z.B. Wüsten, Städte) kommt es durch Ablagerung des Staubs auf den Glasoberflächen der PV-Module zu signifikanten Ertragsverlusten. Dieser Prozess wird auch als „Soiling“ bezeichnet. Um den Reinigungsaufwand zu minimieren, können Anti-Soiling-Schichten eingesetzt werden. Für das Verständnis und die Überprüfung der Funktion dieser staubabweisenden Schichten ist eine mikrostrukturelle Charakterisierung hilfreich. So finden z.B. unter realen Wüstenbedingungen Zementationsprozesse statt, bei welchen Staubpartikel regelrecht an das Glas „angebacken“ werden. Die Nachstellung solcher Verschmutzungsprozesse im Labor wird am CSP mit Hilfe eines eigens hierfür entwickelten Teststandes realisiert. 

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Mit dem Prüfgerät PIDcon lässt sich die Potenzial-induzierte Degradation (PID) schon auf Solarzellenebene nachweisen.

PID-Testgeräte für unverkapselte Solarzellen und installierte Solarmodule

Für die Bewertung von unverkapselten Solarzellen sowie von Modul-Verkapselungsmaterialien hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Potential-induzierte Degradation (PID) wurde am Fraunhofer CSP ein integriertes Testgerät entwickelt. Das patentierte Testverfahren ist als PID-Zellentestgerät „PIDcon“ von Freiberg Instruments kommerziell erhältlich. Mit PIDcon ist es möglich, innerhalb weniger Stunden und ohne den aufwändigen  Einsatz teurer Klimakammern PID-Tests an Solarzellen durchzuführen.

Basierend auf dem Know-how wurde gemeinsam mit Freiberg Instruments auch das PID-Modul-Testgerät „PIDcheck“ für den Einsatz im Freifeld entwickelt. Mit PIDcheck wird es möglich, Module auch nach ihrer Installation im Freifeld einer Qualitätsprüfung zu unterziehen und Aussagen über die Anfälligkeit von Modulen für den PID-Effekt zu treffen. Mit vier bis acht Stunden nimmt der Einsatz des Geräts deutlich weniger Zeit in Anspruch als bisherige Methoden.

Weitere Informationen unter www.pidcon.com