Kaum eine Branche steht so unter Kostendruck wie die Photovoltaik-industrie: Binnen zwei Jahren fielen die Preise für Solarmodule um 50 %. Diesen Preisdruck durch Produktivitätssteigerungen wettzumachen, war und ist die Voraussetzung für Hersteller von Solarzellen und -modulen, um im Wettbewerb bestehen zu können. Typische Maßnahmen sind die weitere Erhöhung des Automatisierungsgrads sowie die Senkung der Fehler- und Ausschussrate durch eine lückenlose Prozessüberwachung, beispielsweise auf Beschädigungen der Solarzellen.

In der Regel erfolgt die Erfassung der Eigenschaften von Wafern und Zellen mittels Bildverarbeitungssystemen oder Smart-Kameras. Diese sind nicht nur teuer, sie verlangen darüber hinaus umfangreiches Bildverarbeitungs-Know-how. Das Problem: Immer weniger Betriebe verfügen über Mitarbeiter mit diesem Spezialwissen. Deshalb hat die Firma Sensopart für das Anforderungsprofil der Solarindustrie einen Vision-Sensor entwickelt, der sich als einfach zu bedienende Stand-alone-Lösung für alle relevanten Messaufgaben im Bereich des Wafer-Handlings eignet. Zum einen erfasst der „Visor“ genannte Sensor die Po­sition der Wafer beziehungsweise Zellen und ermöglicht so ein präzises Aufnehmen und Ablegen der empfindlichen Zellen durch Roboter. Zudem detektiert der Sensor im selben Arbeitsschritt feine Ausbrüche an den Zellen. Beschädigte Wafer oder Zellen können dadurch frühzeitig aus dem Prozess aussortiert werden, bevor sie vollständig brechen können und dabei weitere Zellen schädigen oder die komplette Produktionslinie mit Splittern kontaminieren. Ein in dieser Hinsicht besonders kritischer Prozessschritt ist die „Verdrahtung“ der Wafer. Mithilfe des Siebdrucks erhalten die Zellen ihre elektrischen Kontaktbahnen in Form von Silber oder Aluminiumpasten.

Der Visor-Sensor ermittelt die Position von Wafern und Solarzellen auf ±50 µm genau und prüft sie gleichzeitig auf Beschädigungen.

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Die bei einem Bruch entstandenen scharfkantigen Wafersplitter könnten das teure Drucksieb beschädigen und einen Anlagenstillstand erzwingen, der weitere Folgekosten verursacht. Denn das Sieb lässt sich nur bei stehendem Prozess tauschen. Ein frühzeitiges Erkennen vorgeschädigter Wafer und Zellen erzielt demzufolge eine erhebliche Kostenersparnis.

Während der automatisierten Solarzellenherstellung sind eine Vielzahl von Positionsbestimmungen erforderlich: Die Handling-Systeme an den einzelnen Fertigungsstationen müssen die Zellen präzise greifen und den einzelnen Bearbeitungsstationen zuführen und wieder auf dem Transportband ablegen. Dank spezieller Algorithmen ermittelt der Visor diese Positionswerte mit einer Auflösung (Wiederholgenauigkeit) von ±1 µm und einer absoluten Genauigkeit von ±50 µm bei einer Objektgröße von 156 mm. Dabei vermisst der Sensor jeden Wafer beziehungsweise jede Solarzelle einzeln und unabhängig von seiner Lage. Kantenausbrüche lassen sich damit ab einer Größe von 0,5 mm erkennen. Trotz der hohen Genauigkeit benötigt der Vi­sion-Sensor für die Positionsbestimmung (60 ms) und Kantenkontrolle (25 ms) insgesamt nur eine Zykluszeit von 85 ms – wesentlich schneller, als dass dadurch die typische Prozessgeschwindigkeit einer Zellfertigung limitiert werden könnte, die bei einer schnellen Taktung der Produktion bei etwa 1 s liegt.

Neben der Positions- und Ausbrucherkennung unterstützt der Sensor weitere Funktionen: Mittels Analyse der Grauwerte lässt sich detektieren, ob ein Wafer auf der falschen Seite auf dem Transportband liegt („Sunny Side Down“). Außerdem erkennt das System, ob zwei Wafer aneinander haften oder das Metallgitter falsch aufgedruckt wurde. Um eine irrtümliche Detektion der Transportbänder als fehlerhafte Solarzellen auszuschließen, werden diese im Auswertebereich ausgeblendet. Andere schwierige Hintergrund-Muster wie Gitternetze, die lokal die gleiche Helligkeit wie der Wafer haben, kann der Sensor ebenso ausblenden.

Zusätzliche Features hält die „Advanced“-Version bereit. Mit der Funktion „Fragment-Detektion“ sind auf einem Wafer klebende Bruchstücke bis zu einer minimalen Größe von 10 mm (monokristalline Wafer) beziehungsweise 25 mm (polykristallin) erkennbar.

Manueller Prozessschritt wird automatisierbar

Eine wichtige Aufgabenstellung bei der Modulfertigung ist die Verlötung der Stromsammelschienen (Busbars). Mit Hilfe der Funktion „Busbar-Erkennung“ ist auch dieser bei vielen Herstellern noch manuelle Prozessschritt einfach automatisierbar. Dazu ist es notwendig, die Module nicht wie üblich an den Außenkanten der Zellen auszurichten, sondern an den Busbars.

Auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen erkennt der Vision-Sensor zuverlässig Kantenausbrüche ab 0,5 mm (links) und die Position der Solarzellen, indem er Förderbänder oder einen störenden Hintergrund ausblendet (rechts).

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Der Sensor erkennt diese auf den Zellen aufgebrachten Stromsammelschienen und ermöglicht es, die einzelnen Solarzellen miteinander in Reihe (Strings) in so genannten „Stringern“ automatisiert zu verlöten. Die Vorteile liegen auf der Hand: ein höherer Durchsatz und ein besserer Wirkungsgrad durch geringe Abdeckung der Lötbändchen. Auch für die üblichen elektrischen Messungen ist die genaue Kenntnis der Lage des elektrischen Anschlusses erforderlich, um die Kontakte der automatischen Prüfeinrichtung zuverlässig zu platzieren, ohne das Silizium zu beschädigen.

Trotz des Umfangs solcher Messaufgaben bleibt die Konfiguration anwenderfreundlich. Da Kamera, Signalprozessor, Schnittstellen sowie Beleuchtung in einem Gehäuse (45 mm × 45 mm × 64 mm, BxH×T) komprimiert sind, lässt sich der Vision-Sensor wie eine Lichtschranke in bestehende Produktionslinien integrieren. Die kompakte Bauform des Visors ermöglicht eine Montage nah am Prozess mit einem minimalen Arbeitsabstand von 360 mm, so dass genügend Raum für den Handling-Roboter frei bleibt beziehungsweise das Handling-System insgesamt kompakter gestaltet werden kann. Mit der integrierten LED-Beleuchtung lassen sich sämtliche der genannten Prüfaufgaben im kostengünstigen Auflichtverfahren durchführen. Dazu wurde die LED-Beleuchtung so dimensioniert, dass Umgebungslicht die Messungen nicht stört, Abschirmmaßnahmen werden nicht benötigt. Eine zusätzliche externe Beleuchtung ist in der Regel nicht erforderlich. Die Vermessungs- und Prüfdaten können wahlweise via Ethernet oder RS 422 ausgegeben werden. Ein PC ist lediglich für das Einrichtung des Sensors notwendig.

Bildverarbeitung ohne Zaubertricks

Konfiguration in vier Schritten: Spezielle Bildverarbeitungskenntnisse werden nicht benötigt, da alle Begrifflichkeiten aus der Welt des Anwenders stammen.

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In vier Navigationsschritten (Job, Lage-Nachführung, Detektoren, Ausgabe) wählt der Anwender die relevanten Funktionen aus und ergänzt die zugehörigen Parameter, zum Beispiel die zulässigen Wafer­abmessungen oder die Toleranz für Aus­brüche. Hierfür braucht es keinerlei Bildverarbeitungskenntnisse, da sämtliche für die Wafer- und Zellprüfung relevanten Aufgaben, etwa die Erkennung des Zell-typs oder eventuell vorhandener Defekte, bereits vorkonfiguriert sind. Verschiedene Waferabmessungen und -formen (zum Beispiel 5 oder 6 Zoll, monokristallin/mit Fase oder polykristallin/ohne Fase) erkennt das System selbstständig, so dass das bei vielen Systemen notwendige Einlernen von Konturen oder Mustern entfällt. Lediglich die Längen-Kalibrierung erfolgt einmalig mit Hilfe eines Referenzmusters. Ansonsten sind im Wesentlichen nur die Akzeptanz-Kriterien für Größe, Position und Drehlage des Wafers sowie Größe und Form der tolerierten Beschädigungen einzugeben. Eine kontextsensitive Online-Hilfe liefert praxisgerechte Hinweise und Hintergrundinformationen zu jedem Bedienschritt.

Autor: Dr. Kai Borgwarth ist Head of Market Management Solar bei der Firma Sensopart Industriesensorik in Gottenheim bei Freiburg.