In Situ overfladetemperaturmåling i en transportbåndsovn via inline infrarød termografi
Summary
Denne protokol beskriver, hvordan du installerer et infrarødt kamera i en transportbåndsovn, foretager en kundekorrektion af et fabrikskalibreret infrarødt kamera og evaluerer den rumlige overfladetemperaturfordeling af et objekt af interesse. Eksempelobjekterne er industrielle siliciumsolceller.
Abstract
Måling af overfladetemperaturen af objekter, der behandles i transportbånd ovne er et vigtigt redskab i processtyring og kvalitetssikring. I øjeblikket måles overfladetemperaturen for objekter, der behandles i transportbåndsovne, typisk via termoelementer. Men infrarød (IR) termografi præsenterer flere fordele i forhold til termoelement målinger, da det er en kontaktløs, real-time, og rumligt løst metode. Her, som en repræsentativ proof-of-concept eksempel, en inline termografi system er med succes installeret i en IR lampe drevet solfyring ovn, som bruges til kontakt fyring proces af industrielle Si solceller. Denne protokol beskriver, hvordan du installerer et IR-kamera i en transportbåndsovn, foretager en kundekorrektion af et fabrikskalibreret IR-kamera og udfører evalueringen af rumlig overfladetemperaturfordeling på et målobjekt.
Introduction
Processtyring og kvalitetssikring af genstande, der behandles itransportbåndsovne 1, er vigtig og opnås ved at måle objektets overfladetemperatur. I øjeblikket måles temperaturen typisk ved hjælp af et termoelement1. Da termoelementmålinger kræver kontakt med objektet, beskadiger termoelementer uundgåeligt objektet. Det er derfor almindeligt at vælge repræsentative prøver af et parti til temperaturmålinger, som ikke forarbejdes yderligere, da de bliver beskadiget. De målte temperaturer af disse beskadigede genstande generaliseres derefter til de resterende prøver fra partiet, som forarbejdes yderligere. Produktionen skal derfor afbrydes ved termoelementmålinger. Desuden er kontakten lokal, skal justeres efter hver måling og påvirker den lokale temperatur.
Infrarød (IR) termografi2 har en række fordele i forhold til klassiske termoelementmålinger og repræsenterer en kontaktløs, in-situ, realtid, tidsbesparende og rumligt løst temperaturmålingsmetode. Ved hjælp af denne metode kan hver prøve af partiet, herunder dem, der behandles yderligere, måles uden at afbryde produktionen. Desuden kan overfladetemperaturfordelingen måles, hvilket giver indsigt i temperaturhomogenitet under processen. Realtidsfunktionen gør det muligt at korrigere temperaturindstillingerne på farten. Hidtil har de mulige årsager til ikke at bruge IR termografi i transportbånd ovne er 1) ukendte optiske parametre for varme objekter (især for ikke-metal3)og 2) parasitisk miljøstråling i ovnen (dvs. reflekteret stråling opdaget af IR kameraet ud over den udsendte stråling fra objektet), hvilket fører til falsk temperatur output2.
Her, som en repræsentativ proof-of-concept eksempel på IR termografi i et transportbånd ovn, vi med succes installeret en inline termografi system i en IR lampe drevet solfyring ovn (Figur 1), som anvendes under kontakt fyring proces industrielle Si solceller (Figur 2A, B)4,5. Fyringsprocessen er et afgørende skridt i slutningen af den industrielle solcelleproduktion6. Under dette trin dannes cellerens kontakter7,8,og overfladedrementning aktiveres9. For at opnå sidstnævnte skal tidstemperaturprofilen under affyringsprocessen (Figur 2C) realiseres nøjagtigt. Derfor er der behov for tilstrækkelig og effektiv temperaturkontrol. Denne protokol beskriver, hvordan du installerer et IR-kamera i en transportbåndsovn, foretager en kundekorrektion af et fabrikskalibreret IR-kamera og evaluerer den rumlige overfladetemperaturfordeling af et målobjekt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Normalt korrigeres termografitemperaturen ved at måle og tilpasse objektets optiske parametre, transmissive vindue og bane og miljøtemperatur af objektet og det transmissive vindue2. Som en alternativ metode er der beskrevet en temperaturkorrektionsteknik baseret på termoelementmålinger i denne protokol. For sidstnævnte metode er kendskab til ovennævnte parametre ikke påkrævet. For den ansøgning, der vises her, er denne metode tilstrækkelig. Det kan dog ikke garanteres, at termoelementme…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde støttes af det tyske økonomiministerium inden for projektet “Feuerdrache” (0324205B). Forfatterne takker de medarbejdere, der har bidraget til dette arbejde, og projektpartnerne (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) for medfinansiering og fremragende støtte.
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).
