Numerische Simulation der Handhabung von Photovoltaik-Siliziumscheiben

Numerical simulations of photovoltaic wafer handling

Felix Kaule
Master-Thesis vom 19.12.2011

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht / Abstract

2. Einführung

3. Zum Stand der Technik - State of the Art

4. Zur Theorie

5. Ergebnisse

6. Zusammenfassung

7. Ausblick

8. Quellen

9. Über den Autor

10. Impressum

11. Originalarbeit


1. Übersicht

In der Produktion der siliziumbasierenden Solarwafer entstehen durch die Forderung nach immer dünneren Substratdicken und schnellere Taktzeiten neue Herausforderungen an die Handhabung der Wafer. Die Quantifizierung der Belastungen infolge der Handhabungsoperationen und die Ursache der daraus entstehenden Festigkeitsreduzierung sind weitestgehend unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die dynamischen Belastungen am Beispiel der stoßartigen Belastung mit Hilfe numerischer Methoden zu untersuchen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sollten unter Durchführung eines Experiments validiert werden.

Abstract

Due to the decreasing wafer thickness and cycle time the handling of photovoltaic wafers has to face new challanges. The quantification of the stresses due to handling and the reason for strength reduction are mostly unkown. This thesis is about a numerical study of the dynamic stresses caused by impacts in handling operations. The numerical results has to validated with an experiment.

2. Einführung

Der weltweit fortschreitende Energiebedarf sorgt, vor allem im Hinblick auf die zunehmende Forderung nach regenerativen Energien, für einen steigenden Einsatz von Photovoltaik (PV). Den größten Anteil nehmen immer noch die monokristallinen- und polykristallinen aus Silizium bestehenden Zellen ein. Auf Grund der hohen Materialkosten für Silizium ist man bestrebt die Waferdicke immer weiter zu reduzieren. So sank diese auf mittlerweile 180 μm, mit einer anhaltenden Tendenz zu noch dünneren Wafern bis zu 100μm im Jahr 2020 [1].Um eine Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten, müssen die Produktionskosten weiter gesenkt werden. Die Einführung von Automatisierung in allen Prozessbereichen ermöglicht eine schnellere und kostengünstigere Herstellung mit einer Auslastung von bis zu 24 h pro Tag [3]. Mit Hilfe von Greifern werden eine Vielzahl von pick-and-place Operationen während des gesamten Herstellungsprozesses ausgeführt [4]. Die für eine Steigerung der Produktion notwendige Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit, ist auf die dadurch entstehenden Belastungen, der immer dünner werdenden Wafer begrenzt. Dies führt zu starken Durchbiegungen und im Extremfall zum Bruch (siehe Abbildung 2.1). Die Quantifizierung dieser und anderer durch Handhabungsoperationen hervorgerufene Belastungen wurde bisher nur in geringem Maße untersucht [5,6,7,8]. Eine Betrachtung der dynamischen Belastung erfolgte dabei nur in [5]. Die Ursachen der daraus entstehenden Festigkeitsreduzierung sind jedoch weitestgehend unbekannt. Silizium als sprödes Material ist nicht in der Lage mittels plastischer Verformung große Spannungen abzubauen. Dadurch entstehen Spannungsüberhöhungen infolge von Rissen und Defekten im Material. Aus diesem Grund ist die Defektverteilung innerhalb des Siliziums entscheidend für die Festigkeit des Bauteils. Diese ist bei Siliziumwafern jedoch vom Herstellungsprozess abhängig, sodass dies nicht als Materialparameter definiert werden kann. [13]Es ist denkbar, dass sich auf Grund der durch die Handhabung entstehenden Belastungen bestehende Risse ausbreiten oder sogar neue bilden könnten. Dies führt zu einer Reduzierung der Festigkeit und somit auch zu einer höheren Bruchrate. Neuste experimentelle Untersuchungen konnten bereits eine Reduzierung der Festigkeit in Folge von Transportoperationen mit punktuellen Vakuum- sowie Bernoulli-Greifern nachweisen [9].

Abbildung 2.1: Durchbiegung des Wafers in Folge der Handhabung und der daraus resultierende Bruch nach [4]

3. Zum Stand der Technik - State of the Art

Es konnte nur eine Veröffentlichung von Krämer zur dynamischen Belastung der Photovoltaik-Siliziumwafer in Folge der Handhabung gefunden werden. Krämer untersuchte numerisch die stoßartige Belastung eines Photovoltaikwafers mit Hilfe eines Falltestversuchs auf einen Zylinder (siehe Abbildung 3.1).

Abbildung 3.1: Simulation des Wafer Fallversuchs auf ein zylindrischen Aufprallkörper nach [5]

In der Simulation wurde der Aufprall als impulsartige Belastung innerhalb eines Zeitschrittes aufgebracht und die auftretenden Spannungen nach der dem Rücksprung des Wafers berechnet. Krämer konnte mit dem Modell zeigen, dass experimentelle Ungenauigkeiten, wie Verkippung oder Verdrehung des Wafers während des Falls, einen geringeren Einfluss auf die Berechnung der maximale Spannung haben. Weiterhin untersuchte er den Einfluss der Parameter Fallgeschwindigkeit, Dicke- und Abmaße des Wafers. Er beobachtete, dass bei größeren Waferabmessungen auch höhere maximale Spannungen auftreten, wobei eine Veränderung der Dicke keinen Einfluss zeigte. Eine Steigerung der Aufprallgeschwindigkeit, wirkte sich jedoch sehr stark auf das Spannungsbild aus.

4. Zur Theorie

Analog zum in der Literatur empfohlenen Falltest wurde ein Versuchsstand aufgebaut (siehe Abbildung 4.1). Dabei konnte ein Wafer mit Hilfe des Haltemechanismus kontrolliert auf den zylindrischen Aufprallkörper fallen gelassen und nach dem Rücksprung wieder gefangen werden. Mit Hilfe eines Piezos konnte der transiente Kraftverlauf über das Ladungsmeter und das Scope in den Messrechner übertragen werden.

Abbildung 4.1: Experimenteller Aufbau des Wafer-Fallversuchs

Insgesamt wurden je 30 multikristalline Wafer von vier verschiedenen Fallhöhen von 20mm bis 125mm fallen gelassen. Nach dem Fallversuch wurde im 4-Punkt-Biegeversuch die Festigkeit bestimmt. Um den Einfluss der stoßartigen Belastung zu bestimmten wurden zusätzlich von 30 unbelasteten Wafern die Festigkeit im 4-Punkt-Biegeversuch bestimmt.

Abbildung 4.2: Aufbau der Simulation des Wafer-Fallversuchs

Um die während des Stoßes auftretenden Spannungen zu bestimmen, wurde eine dynamische Simulation mit dem expliziten FE-Solver LS-DYNA durchgeführt. In dem Aufbau des FE-Modells wurde die Symmetrie ausgenutzt, um Rechenzeit zu sparen (siehe Abbildung 4.2). Zum Kontaktpunkt hin wurde das Netz verfeinert um die Hertzsche Pressung möglichst genau wiederzugeben. Mit Hilfe der im Experiment bestimmten Kontaktkraft konnte das Simulationsmodell validiert werden.

5. Ergebnisse

Die im Versuch auftretenden Schädigungen können grob in zwei Kategorieren unterteilt werden. Dies sind mit dem Auge sichtbare und nicht sichtbare Schädigungen. Zu den sichtbaren Schädigungen gehört der komplette Bruch des Wafers und das Abplatzen von Material (siehe Abbildung 5.1). Mit Hilfe der Videoanalyse und dem Kontaktkraftverlauf konnte nachgewiesen werden, dass diese Schädigungen bereits während des Kontakts zwischen Wafer und Aufprallkörper auftraten.

Abbildung 5.1: Schädigung des Wafers beim Fallversuch: Ausbruch und Bruch

Die nicht sichtbare Schädigung konnte erst nach der Festigkeitsbestimmung mittels 4-Punkt-Biegeversuch beobachtet werden. Dabei brach der Wafer bereits bei einer sehr geringen Bruchspannung durch nur einen Riss, der sich vom Aufprallpunkt ausgehend ausbreitete (siehe Abbildung 5.2).

Abbildung 5.2: Bruch des Wafers im 4-Punkt-Biegeversuch durch Ausbreitung eines Risses vom Aufprallpunkt ausgehend

Im Histogramm der Bruchspannung (siehe Abbildung 5.3) sind zwei unterschiedliche Aussagen abzuleiten. Zum einen gibt es sehr stark geschädigte Wafer mit sehr geringer Bruchspannung im Vergleich zur Referenz. Diese Wafer besitzen die bereits beschriebenen Schädigungsarten (Bruch ausgenommen). Die restlichen Wafer zeigen jedoch im Vergleich zur Referenz nur eine sehr geringe Abweichung. Dies bedeutet das einige Wafer ab einer Fallhöhe von 75mm sehr stark geschädigt werden und die restlichen Wafer jedoch im Vergleich nur sehr gering bis vernachlässigbar. Um dies zu erklären müssen die beim Aufprall auftretenden Spannungen analysiert werden.

Abbildung 5.3: Verteilung der Bruchspannungen für alle Fallhöhen

Um das Simulationsmodell zu validieren wurden die numerisch bestimmten Kontaktkräfte mit den experimentell bestimmten verglichen (siehe Abbildung 5.5). Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung, wobei das zweite lokale Maximum im Experiment durch die im Messsystem auftretenden Trägheitskräfte zurückzuführen ist und somit nicht die Kontaktkraft zwischen Wafer und Aufprallkörper wiederspiegelt.

Abbildung 5.4: Abgleich der experimentell und numerisch bestimmten Kontaktkraft

Beim Aufprall des Wafers entsteht im Kontaktbereich eine Druckspannung analog der Hertzschen Pressung. Zur Ausbreitung der im Silizium enthaltenen Risse ist jedoch eine Zugspannung notwendig und somit werden nur die ersten Hauptspannungen betrachtet. In Abbildung 5-5 sind die ersten Hauptspannungen für die größte Fallhöhe ohne Neigung des Wafers beim Aufprall dargestellt. Die über den Wafer auftretenden Spannungen sind dabei mit Werten um 10MPa jedoch so gering, dass dies nicht zur Schädigung der Wafer geführt haben kann.

Abbildung 5.5: 1. Hauptspannung bei der Fallhöhe h=125mm ohne Waferneigung

Wird der Wafer in der Simulation geneigt, so entsteht eine Kontaktkraftkomponente quer zur Aufprallrichtung, die durch die Volumenhaft verteilten Trägheitskräfte zur Biegung des Wafers am Aufprallpunkt führt (siehe Abbildung 5.6).

Abbildung 5.6: Verschiebung in z-Richtung bei Waferneigung mit lokalem Beulen

Die daraus entstehenden ersten Hauptspannungen sind mit maximal 400MPa so groß, dass somit diese Schädigung hervorrufen können (siehe Abbildung 5.7). Für eine genaue Darstellung der Schädigungsbetrachtung mit statistischen Modellen wird hierbei auf die Originalarbeit verwiesen. Das auftreten der lokalen Biegung ist vom Aufprallwinkel, der Aufprallgeschwindigkeit und der Waferdicke abhängig. Da der Aufprallwinkel im Experiment varrieren kann, kann somit auch die Variation der Schädigung erklärt werden

Abbildung 5.7: 1. Hauptspannung bei der Fallhöhe h=125mm mit Waferneigung von 0,2° und dem lokalen Beulen

6. Zusammenfassung

Es wurde ein Fallversuch aufgebaut, der mit Hilfe eines piezoresistiven Sensors die Kontaktkraft zwischen dem zylindrischen Aufprallkörper bestimmt. Im Experiment wurden 200μm dicke gesägte multikristalline Siliziumwafer in fünf Chargen mit je 30 Wafer von den Fallhöhen 20 mm, 75 mm, 78 mm, 100 mm und 125 mm auf einen Aufprallradius von 25 mm fallen gelassen. Sichtbare Schädigungen in Form eines Ausbruchs von Material im Aufprallpunkt zeigten 6% der Wafer ab einer Fallhöhe von h = 75 mm. Ab einer Fallhöhe von h = 125 mm sind 20% der Wafer komplett gebrochen. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Schädigung der Wafers bereits während des Kontakts mit dem Aufprallkörper auftreten.

Nach dem Falltest wurde im 4-Punkt-Biegeversuch die Festigkeit der Wafer ohne optische Schäden bestimmt. Da ortstreue Wafer verwendet wurden, konnten die Festigkeitswerte aus den fünf Chargen mit einer unbelasteten Referenzcharge verglichen werden. Dabei zeigten 9% der aller Wafer ab einer Fallhöhe von h = 75 mm eine stark reduzierte Festigkeit ohne dabei mit dem Auge sichtbare Schäden aufzuweisen. Diese Wafer sind im 4-Punkt-Biegeversuch durch Ausbreitung eines einzelnen, aus Nähe des Aufprallpunktes ausgehenden, Risses gebrochen. Die restlichen im 4-Punkt-Biegeversuch getesteten Wafer zeigten unabhängig von der Fallhöhe nur eine sehr geringe Abweichung in der Festigkeit von der Referenzcharge. Es konnte somit experimentell nachgewiesen werden, dass durch punktuelle stoßartige Belastung eine mit dem Auge nicht sichtbare Schädigung entsteht, die zu einer starken Reduzierung der Festigkeit führt. Wird dies in der Handhabung während der Waferproduktion nicht beachtet, so können durch die punktuelle stoßartige Belastungen Vorschädigungen entstehen, die schon bei geringer Belastung zum Ausfall der Solarzelle führen können.

Die starke Streuung der Schädigung im Experiment konnte mit Hilfe des numerischen Modells auf eine lokale Biegung am Kontaktpunkt zurückgeführt werden. Dabei entsteht eine Kontaktkraftkomponente quer zur Aufprallrichtung, die durch die volumenhaft verteilten Trägheitskräfte zur Biegung des Wafers am Aufprallpunkt führt. Die Intensität der lokalen Biegung ist stark von der Dicke des Wafers und der Neigung des Wafers beim Aufprall abhängig. Je dünner der Wafer, je höher die Aufprallgeschwindigkeit und umso schräger der Aufprall ist, desto höher ist die Intensität der lokalen Biegung. Mit Hilfe des aufgestellten Schädigungskriteriums konnten die im Experiment auftretenden Schädigungsarten über die Intensität der lokalen Biegung erklärt werden. In Folge der lokalen Biegung können Spannungsspitzen entstehen die zur Rissausbreitung führen und somit die Festigkeit des Wafers stark reduzieren. Nach dem Aufprall geht eine elastische Welle vom Aufprallpunkt durch den Wafer, die bei einer zuvor durch lokale Biegung induzierten Rissausbreitung noch zum Bruch des Wafers führen kann. Die Folgen der lokalen Biegung können je nach Intensität von der bereits angesprochen Rissausbreitung bis zum lokalen Ausbruch eines Stück Siliziums oder zum kompletten Bruch des Wafers führen.

7. Ausblick

In weiterführenden Arbeiten sollte das Auftreten des Beulens genauer untersucht werden. Um den Einfluss der Waferneigung auf das Beulen besser zu untersuchen, sollte ein Versuch verwendet werden, bei dem diese Neigung genau definiert werden kann. Weiterhin sollten Versuche mit monokristallinen Wafern durchgeführt werden, um den Einfluss der Kornstruktur der verwendeten multikristalline Wafern auf die stoßartige Belastung zu untersuchen. Mit Hilfe des numerischen Modells sollten ebenfalls weitere Untersuchungen bezüglich des Beulens durchgeführt werden. So könnte zum Beispiel der Einfluss der Reibung zwischen Aufprallkörper und Wafer beim Beulen untersucht werden. Mit Hilfe eines Vollmodells könnten die Neigungen des Wafers um die anderen zwei Achsen, sowie der Einfluss einer Dickenvariation über den Wafer untersucht werden. In der Herleitung des Schädigungskri- teriums wurde davon ausgegangen, dass die transienten Spannungen analog einer statische Belastungen zu behandeln sind. In weiteren Untersuchungen sollte überprüft werden, ab welcher Spannungsänderungsrate diese Annahme keine Gültigkeit mehr besitzt.

8. Quellen

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9. Über den autor

M.-Eng. Felix Kaule

geboren am 31.01.1987 in Bautzen




  • 1994 Einschulung 6. Grundschule Bautzen
  • 1997 Wechsel auf das Albert Einstein Gynasium Bautzen
  • 2002 Wechsel auf das Friedrich Schiller Gynasium Bautzen
  • 2005 Abitur
  • 2005 - 2006 Zivildienst Kindergarten Muschelwitz
  • 2006-2009 Bachelorstudium des Maschinenbaus an der HTWK Leipzig
  • September 2009 - Februar 2010 Praxissemester bei Bombardier Transporations GmbH (Standort Bautzen)
  • Oktober 2009 Abschluss B.-Eng.
  • 2009-2011 Masterstudium des Maschinenbaus an der HTWK Leipzig
  • Oktober 2010 bis Dezember 2011 Wissenschaftliche Hilfskraft am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik
  • Dezmeber 2011 Abschluss M.-Eng.

10. Impressum

Autor

Felix Kaule
Scheffelstr. 27
04277 Leipzig
fkaule(at)googlemail.com
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (Fraunhofer CSP)

Dr.-Ing. Stephan Schönfelder
Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Walter-Hülse-Str. 1
06120 Halle (Saale)
stephan.schoenfelder(at)csp.fraunhofer.de
Betreuer (Fraunhofer CSP)

Dipl.-Ing. Ringo Köpge
Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Walter-Hülse-Str. 1
06120 Halle (Saale)
ringo.koepge(at)csp.fraunhofer.de

11. Originalarbeit

Original-Masterarbeit Felix Kaule