In Situ Medición de Temperatura de Superficie en un Horno de Cinta Transportadora a través de Termografía Infrarroja Inline
Summary
Este protocolo describe cómo instalar una cámara infrarroja en un horno de cinta transportadora, realizar una corrección del cliente de una cámara IR calibrada de fábrica y evaluar la distribución de temperatura de la superficie espacial de un objeto de interés. Los objetos de ejemplo son células solares de silicio industrial.
Abstract
La medición de la temperatura superficial de los objetos que se procesan en hornos de cinta transportadora es una herramienta importante en el control del proceso y el aseguramiento de la calidad. Actualmente, la temperatura superficial de los objetos procesados en hornos de cinta transportadora se mide típicamente a través de termopares. Sin embargo, la termografía infrarroja (IR) presenta múltiples ventajas en comparación con las mediciones de termopar, ya que es un método sin contacto, en tiempo real y resuelto espacialmente. Aquí, como ejemplo representativo de prueba de concepto, un sistema de termografía en línea se instala con éxito en un horno de cocción solar alimentado por lámpara IR, que se utiliza para el proceso de cocción de contacto de células solares Si industriales. Este protocolo describe cómo instalar una cámara IR en un horno de cinta transportadora, realizar una corrección del cliente de una cámara IR calibrada de fábrica y realizar la evaluación de la distribución de la temperatura de la superficie espacial en un objeto de destino.
Introduction
El control del proceso y la garantía de calidad de los objetos procesados en los hornos de cinta transportadora1 es importante y se logra midiendo la temperatura superficial del objeto. Actualmente, la temperatura se mide típicamente por un termopar1. Como las mediciones del termopar requieren contacto con el objeto, los termopares inevitablemente dañan el objeto. Por lo tanto, es común elegir muestras representativas de un lote para mediciones de temperatura, que no se procesan más ya que se dañan. Las temperaturas medidas de estos objetos dañados se generalizan a las muestras restantes del lote, que se procesan posteriormente. En consecuencia, la producción debe interrumpirse para las mediciones del termopar. Además, el contacto es local, necesita ser reajustado después de cada medición, e influye en la temperatura local.
La termografía infrarroja (IR)2 tiene una serie de ventajas sobre las mediciones clásicas del termopar y representa un método de medición de temperatura sin contacto, in situ, en tiempo real, ahorro de tiempo y resuelto espacialmente. Con este método, cada muestra del lote, incluidas las que se procesan más adelante, se puede medir sin interrumpir la producción. Además, se puede medir la distribución de la temperatura superficial, lo que proporciona información sobre la homogeneidad de la temperatura durante el proceso. La función en tiempo real permite la corrección de los ajustes de temperatura sobre la marcha. Hasta ahora, las posibles razones para no utilizar la termografía IR en hornos de cinta transportadora son 1) parámetros ópticos desconocidos de objetos calientes (especialmente para los no metálicos3)y 2) radiación ambiental parasitaria en el horno (es decir, radiación reflejada detectada por la cámara IR además de la radiación emitida por el objeto), lo que conduce a una salida de temperatura falsa2.
Aquí, como ejemplo representativo de prueba de concepto de termografía IR en un horno de cinta transportadora, instalamos con éxito un sistema de termografía en línea en un horno de cocción solar alimentado por lámpara IR (Figura 1), que se utiliza durante el proceso de cocción de contacto de células solares Si industriales (Figura 2A, B)4,5. El proceso de cocción es un paso crucial al final de la producción industrial de células solares6. Durante este paso, los contactos de la celda se forman7,8, y la pasivación de la superficie se activa9. Para lograr con éxito este último, el perfil de tiempo-temperatura durante el proceso de cocción (Figura 2C) debe realizarse con precisión. Por lo tanto, se requiere un control de temperatura suficiente y eficiente. Este protocolo describe cómo instalar una cámara IR en un horno de cinta transportadora, realizar una corrección del cliente de una cámara IR calibrada de fábrica y evaluar la distribución de temperatura de la superficie espacial de un objeto de destino.
Protocol
Representative Results
Discussion
Comúnmente, la temperatura de la termografía se corrige midiendo y adaptando los parámetros ópticos del objeto, ventana y trayectoria transmisiva, y temperatura ambiental del objeto y ventana transmisiva2. Como método alternativo, en este protocolo se describe una técnica de corrección de temperatura basada en mediciones de termopar. Para este último método, no se requiere el conocimiento de los parámetros mencionados anteriormente. Para la aplicación que se muestra aquí, este método …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo cuenta con el apoyo del Ministerio Federal Alemán de Asuntos Económicos dentro del proyecto “Feuerdrache” (0324205B). Los autores agradecen a los compañeros de trabajo que contribuyeron a este trabajo y a los socios del proyecto (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) por cofinanciar y proporcionar un apoyo excepcional.
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).
