In Situ Oppervlaktetemperatuurmeting in een transportbandoven via inline infrarood thermografie
Summary
Dit protocol beschrijft hoe u een infraroodcamera in een transportbandoven installeert, een klantcorrectie van een in de fabriek gekalibreerde IR-camera uitvoert en de ruimtelijke oppervlaktetemperatuurverdeling van een interessant object evalueert. De voorbeeldobjecten zijn industriële silicium zonnecellen.
Abstract
Het meten van de oppervlaktetemperatuur van objecten die worden verwerkt in transportbanden is een belangrijk hulpmiddel bij procescontrole en kwaliteitsborging. Momenteel wordt de oppervlaktetemperatuur van objecten verwerkt in transportbanden meestal gemeten via thermokoppels. Infrarood (IR) thermografie biedt echter meerdere voordelen in vergelijking met thermokoppelmetingen, omdat het een contactloze, real-time en ruimtelijk opgeloste methode is. Hier, als een representatief proof-of-concept voorbeeld, een inline thermografie systeem is met succes geïnstalleerd in een IR-lamp aangedreven zonne-vuren oven, die wordt gebruikt voor het contact bakken proces van industriële Si zonnecellen. Dit protocol beschrijft hoe u een IR-camera in een transportbandoven installeert, een klantcorrectie van een in de fabriek gekalibreerde IR-camera uitvoert en de evaluatie van de verdeling van de ruimtelijke oppervlaktetemperatuur op een doelobject uitvoert.
Introduction
Procescontrole en kwaliteitsborging van objecten verwerkt in transportbanden1 is belangrijk en bereikt door het meten van de oppervlaktetemperatuur van het object. Momenteel wordt de temperatuur meestal gemeten door een thermokoppel1. Omdat thermokoppelmetingen contact met het object vereisen, beschadigen thermokoppels onvermijdelijk het object. Daarom is het gebruikelijk om representatieve monsters van een partij te kiezen voor temperatuurmetingen, die niet verder worden verwerkt omdat ze beschadigd raken. De gemeten temperaturen van deze beschadigde voorwerpen worden vervolgens gegeneraliseerd tot de resterende monsters van de partij, die verder worden verwerkt. Bijgevolg moet de productie worden onderbroken voor thermocouple metingen. Bovendien is het contact lokaal, moet het na elke meting worden aangepast en beïnvloedt het de lokale temperatuur.
Infrarood (IR) thermografie2 heeft een aantal voordelen ten opzichte van klassieke thermokoppelmetingen en vertegenwoordigt een contactloze, in-situ, real-time, tijdbesparende en ruimtelijk opgeloste temperatuurmeetmethode. Met deze methode kan elk monster van de partij, inclusief de monsters die verder worden verwerkt, worden gemeten zonder de productie te onderbreken. Daarnaast kan de oppervlaktetemperatuurverdeling worden gemeten, wat inzicht geeft in de temperatuurhomogeniteit tijdens het proces. De real-time functie maakt het mogelijk om de temperatuurinstellingen on-the-fly te corrigeren. Tot nu toe zijn de mogelijke redenen voor het niet gebruiken van IR-thermografie in transportbanden 1) onbekende optische parameters van hete objecten (met name voor niet-metalen3) en 2) parasitaire omgevingsstraling in de oven (d.w.z. gereflecteerde straling gedetecteerd door de IR-camera naast de uitgezonden straling van het object), wat leidt tot valse temperatuuroutput2.
Hier, als een representatief proof-of-concept voorbeeld van IR thermografie in een transportband oven, hebben we met succes geïnstalleerd een inline thermografie systeem in een IR-lamp aangedreven zonne-vuren oven (Figuur 1), die wordt gebruikt tijdens het contact bakken proces van industriële Si zonnecellen (Figuur 2A, B)4,5. Het vuurproces is een cruciale stap aan het einde van de industriële zonnecelproductie6. Tijdens deze stap worden de contacten van de celgevormd 7,8en oppervlaktepassivatie wordt geactiveerd9. Om dit laatste succesvol te bereiken, moet het tijdstemperatuurprofiel tijdens het afvuren(figuur 2C)nauwkeurig worden gerealiseerd. Daarom is voldoende en efficiënte temperatuurregeling vereist. Dit protocol beschrijft hoe u een IR-camera in een transportbandoven installeert, een klantcorrectie van een in de fabriek gekalibreerde IR-camera uitvoert en de ruimtelijke oppervlaktetemperatuurverdeling van een doelobject evalueert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gewoonlijk wordt de thermografietemperatuur gecorrigeerd via het meten en aanpassen van de optische parameters van het object, het overdraagbare venster en het pad en de omgevingstemperatuur van het object en het transmissive venster2. Als alternatieve methode wordt in dit protocol een temperatuurcorrectietechniek op basis van thermokoppelmetingen beschreven. Voor deze laatste methode is kennis van de hierboven genoemde parameters niet vereist. Voor de toepassing die hier wordt getoond, is deze me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt ondersteund door het Duitse federale ministerie van Economische Zaken binnen het project “Feuerdrache” (0324205B). De auteurs bedanken de medewerkers die hebben bijgedragen aan dit werk en de projectpartners (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) voor medefinanciering en uitstekende ondersteuning.
Materials
| Datalogger incl. Thermal barrier | Datapaq Ltd. | ||
| IR thermography camera "Image IR 8300" | InfraTec GmbH | ||
| IR thermography software "IRBIS Professional 3.1" | InfraTec GmbH | ||
| Solar cells | Fraunhofer ISE | ||
| Solar firing furnace "RFS 250 Plus" | Rehm Thermal Systems GmbH | ||
| Sheath thermocouples type K | TMH GmbH | ||
| Thermocouple quartzframe | Heraeus Noblelight GmbH |
References
- Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. . Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , (2018).
- Breitenstein, O., Warta, M. W. . Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , (2010).
- Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures. Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).
- Ourinson, D., et al. In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography. Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270 (2019).
- Ourinson, D., et al. In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography. AIP Conference Proceedings. 2156, 020013 (2019).
- Cooper, I. B., et al. Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells. IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).
- Schubert, G., Huster, F., Fath, P. Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).
- Rauer, M., et al. Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells. IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).
- Pawlik, M., Vilcot, J. -. P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches. Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21 (2015).
- Lee, B. J., Zhang, Z. M. RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing. 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , (2005).
- . Temperature Measurements Available from: https://meettechniek.info/measuring/temperature.html (2020)
- Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. 22.8% efficient silicon solar cell. Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).
- Dullweber, T., et al. PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).
- Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC. AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).
