במדידת טמפרטורת פני השטח של סיטו בכבשן מסוע באמצעות תרמוגרפיה אינפרא-אדום מוטבעת
Summary
פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת אינפרא-אדום בכבשן מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולהעריך את התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית של אובייקט מעניין. האובייקטים לדוגמה הם תאים סולאריים סיליקון תעשייתי.
Abstract
מדידת טמפרטורת פני השטח של עצמים המעובדים בתנורי מסוע היא כלי חשוב בשליטה בתהליכים ובאבטחת איכות. כיום, טמפרטורת פני השטח של אובייקטים מעובדים בתנורי מסוע נמדדת בדרך כלל באמצעות תרמוקופלים. עם זאת, תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR) מציגה יתרונות מרובים בהשוואה למדידות תרמיקופל, מכיוון שהיא שיטה ללא מגע, בזמן אמת ונפתרת מרחבית. כאן, כדוגמה ייצוגית הוכחה של מושג, מערכת תרמוגרפיה מוטבעת מותקן בהצלחה לתוך תנור ירי שמש מופעל מנורת IR, אשר משמש לתהליך ירי מגע של תאים סולאריים Si תעשייתי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת IR לתוך תנור מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולבצע את ההערכה של התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית באובייקט יעד.
Introduction
בקרת תהליך ואבטחת איכות של אובייקטים המעובדים בתנורימסוע 1 חשובה ומושגת על ידי מדידת טמפרטורת פני השטח של האובייקט. כיום, הטמפרטורה נמדדת בדרך כלל על-ידי תרמיקופל1. מכיוון שמדידות תרמיות דורשות מגע עם האובייקט, תרמו-אופלים פוגעים באובייקט באופן בלתי נמנע. לכן, נפוץ לבחור דגימות מייצגות של אצווה למדידות טמפרטורה, אשר אינם מעובדים עוד מאז שהם הופכים פגומים. הטמפרטורות הנמדדות של אובייקטים פגומים אלה מוכללים לאחר מכן לדגימות הנותרות מהאצווה, המעובדות עוד יותר. בהתאם לכך, יש להפריע לייצור עבור מדידות תרמיות. יתר על כן, הקשר הוא מקומי, יש להתתקן מחדש לאחר כל מדידה, ומשפיע על הטמפרטורה המקומית.
תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR)2 כוללת מספר יתרונות על פני מדידות תרמיקופל קלאסיות והיא מייצגת שיטת מדידת טמפרטורה ללא מגע, in-situ, בזמן אמת, חוסכת זמן ושיטת מדידת טמפרטורה שנפתרה מרחבית. באמצעות שיטה זו, ניתן למדוד כל דגימה של האצווה, כולל אלה המעובדים עוד יותר, מבלי להפריע לייצור. בנוסף, ניתן למדוד את התפלגות טמפרטורת פני השטח, המספקת תובנה לגבי הומוגניות טמפרטורה במהלך התהליך. התכונה בזמן אמת מאפשרת תיקון של הגדרות טמפרטורה באופן כללי. עד כה, הסיבות האפשריות אי שימוש תרמוגרפיה IR בתנורי מסוע הם 1) פרמטרים אופטיים לא ידועים של אובייקטים חמים (במיוחד עבור שאינם מתכות3)ו 2) קרינה סביבתית טפילית בתנור (כלומר, קרינה משתקפת שזוהתה על ידי מצלמת IR בנוסף לקרינה הנפלטת מהעצם), מה שמוביל פלטטמפרטורה כוזבת 2.
כאן, כדוגמה הוכחה של מושג מייצג של תרמוגרפיה IR בכבשן מסוע, התקנו בהצלחה מערכת תרמוגרפיה מוטבעת לתוך תנור ירי שמש מופעל מנורת IR ( איור 1 ), אשרמשמש במהלך תהליךירי מגע של תאים סולאריים Si תעשייתי ( איור2A,B)4,,5. תהליך הירי הוא צעד מכריע בסוף ייצור תאים סולאריים תעשייתיים6. בשלב זה, אנשי הקשר של התא נוצרים7,8, ו passivation פני השטח מופעל9. כדי להשיג בהצלחה את האחרון, יש לממש במדויק את פרופיל טמפרטורת הזמן במהלך תהליך הירי(איור 2C). לכן, בקרת טמפרטורה יעילה מספיקה נדרשת. פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת IR לתוך תנור מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולהעריך את התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית של אובייקט יעד.
Protocol
Representative Results
Discussion
בדרך כלל, טמפרטורת התרמוגרפיה מתוקנת באמצעות מדידה והתאמה של הפרמטרים האופטיים של האובייקט, חלון ותיב transmissive, וטמפרטורה סביבתית של האובייקט וחלון transmissive2. כשיטה חלופית, טכניקה לתיקון טמפרטורה המבוססת על מדידות תרמיקופל מתוארת בפרוטוקול זה. עבור השיטה האחרונה, אין צורך בידע ע…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי המשרד הפדרלי הגרמני לעניינים כלכליים במסגרת הפרויקט “Feuerdrache” (0324205B). המחברים מודים לשותפים שתרמו לעבודה זו ולשותפים בפרויקט (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) על מימון משותף ומתן תמיכה יוצאת דופן.
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).
