Name: in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography at JoVE.com

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.

1. Installation af IR-kamera i en transportbåndsovn
<ol><li>Beslut, hvilken del af ovnen der skal måles af IR-kameraet. BEMÆRK: Her vælges spidszonen for fyringsprocessen (se den orange fremhævede zone i affyringsområdet figur 1A).</li>
	<li>Definer det temperaturområde, som IR-kameraet skal detektere (f.eks. 700-900 °C, fyringsprocessens typiske maksimale temperaturområde).</li>
	<li>Bestem eller i det mindste skøn (gennem forsøg eller litteratur) temperatur...

<ol>
	<li>Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , (2018).</li><li>Breitenstein, O., Warta, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , (2010).</li><li>Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+Simulation+of+Emissivity+of+Silicon-Related+Materials+and+Structures.">Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures.</a> Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).</li><li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Solar+Wafer+Temperature+Measurement+during+Firing+Process+via+Inline+IR+Thermography.">In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography.</a> Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270 (2019).</li><li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+wafer+temperature+measurement+during+firing+process+via+inline+infrared+thermography.">In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography.</a> AIP Conference Proceedings. 2156, 020013 (2019).</li><li>Cooper, I. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+Use+of+IR+Belt+Furnace+for+Rapid+Thermal+Firing+of+Screen-Printed+Contacts+to+Si+Solar+Cells.">Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).</li><li>Schubert, G., Huster, F., Fath, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+understanding+of+printed+thick-film+front+contacts+of+crystalline+Si+solar+cells-Review+of+existing+models+and+recent+developments.">Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).</li><li>Rauer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aluminum+Alloying+in+Local+Contact+Areas+on+Dielectrically+Passivated+Rear+Surfaces+of+Silicon+Solar+Cells.">Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).</li><li>Pawlik, M., Vilcot, J. -. P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+the+firing+step+on+Al+2+O+3+passivation+on+p-type+Czochralski+Si+wafers:+Electrical+and+chemical+approaches.">Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21 (2015).</li><li>Lee, B. J., Zhang, Z. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RAD-PRO:+Effective+Software+for+Modeling+Radiative+Properties+in+Rapid+Thermal+Processing.">RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing.</a> 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , (2005).</li><li>. Temperature Measurements Available from: <a target="_blank" href="https://meettechniek.info/measuring/temperature.html">https://meettechniek.info/measuring/temperature.html</a> (2020)</li><li>Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=22.8%+efficient+silicon+solar+cell.">22.8% efficient silicon solar cell.</a> Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).</li><li>Dullweber, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PERC+:+industrial+PERC+solar+cells+with+rear+Al+grid+enabling+bifaciality+and+reduced+Al+paste+consumption.">PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).</li><li>Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+burnout+phase+of+the+contact+firing+process+for+industrial+PERC.">Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC.</a> AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).</li></ol>

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...

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:665px;" width="665">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Datalogger incl. Thermal barrier</td>
			<td style="width:121px;">Datapaq Ltd.</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography camera &#34;Image IR 8300&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography software &#34;IRBIS Professional 3.1&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Solar cells</td>
			<td style="width:121px;">Fraunhofer ISE</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Solar firing furnace &#34;RFS 250 Plus&#34;</td>
			<td style="width:121px;">Rehm Thermal Systems GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sheath thermocouples type K</td>
			<td style="width:121px;">TMH GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Thermocouple quartzframe</td>
			<td style="width:121px;">Heraeus Noblelight GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography

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.

Som vist i figur 3B-D, er eksempelobjektet (her en siliciumsolcelle; strengt taget en passiveret emitter og bageste celle [PERC]12; Figur 2A,B) kan tydeligt detekteres af IR-kameraet i forskellige konfigurationer4. De forskellige konfigurationer er monofacially metallized (Figur 3B),bifacially metallized13 (...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography at JoVE.com

In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

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.

In Situ overfladetemperaturmåling i en transportbåndsovn via inline infrarød termografi

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...

Da det er afgørende at måle temperaturen af de objekter, der behandles i inline ovne, her præsenterer vi inline termografi som et lovende alternativ til klassiske temperaturmålinger ved termoelementer. Termoelementer beskadiger objektet, måler temperaturen lokalt og kræver en produktionsafbrydelse. Vores inline thermography kamera dog måler objektet temperatur i en kontaktløs, real-time, rumligt løst måde.Vi bruger inline ovne til kontakt affyring af silicium solceller. Derfor har vi installeret en termografi kamera inline i vores ovn til at undersøge disse fordele. Vælg et kamera med et detektionsbølgelængdeområde, der matcher bølgelængdeområdet for den højeste emission af det objekt, der er interesseret i temperaturområdet, så meget som muligt.For at installere kameraet uden for ovnen kammer, fjerne ovnvæggen og isolation på det sted, hvor den optiske vej skal placeres, undgå forstyrrende objekter, såsom infrarøde lamper, i den optiske vej. Luk hullet med et vindue, der isolerer ovnkammeret termisk og samtidig er så gennemsigtig som muligt for detektionsbølgelængdeområdet af kameraet. Placer derefter kameraet over vinduerne, så kameraet har en visuel på det bevægelige bælte.Undgå så meget parasitisk stråling detektion af kameraet som muligt ved at undgå nærliggende objekter, der udsender eller reflekterer stråling i detektionsbølgelængdeområdet af kameraet. Derefter undersøge termografi billedet via det infrarøde kamera software til at kontrollere den resulterende synsfelt af kameraet. For en kunde temperatur korrektion for Silicon solceller, først kontrollere solcellen for lokale optiske artefakter.Da temperaturkorrektionen er baseret på termoelementer, monteres termoelementet på waferens bageste aluminiumsside for at kontrollere termoelementets gyldighed, og tidstemperaturprofilen for en standardfyringsproces måles. Hvis tidstemperaturprofilen viser en afbrydelse i form af en fladere kurve ved aluminiumssyicium-eutaktisk temperatur på 577 grader Celsius, er termoelementet sandsynligvis korrekt kalibreret. Udvis termoelementmålinger med det validerede termoelement monteret på bagsiden af solcellen, og optag waferen med det infrarøde kamera.Der foretages flere termoelementmålinger i temperaturområdet på samme objektplet og på rumlig forskellige tilfældige objektpletter for at opnå statistisk signifikante tidstemperaturprofiler. For at bestemme den lokale ukorrigeret termografi solcelletemperatur under termoelementet, udtrække den lokale temperatur på positionen af termoelementet. Log de målte temperaturer via termoelementer mod de bestemte temperaturer via ukorrigeret infrarød termografi, og opnå en kurve pasform som en generel ensartet global korrektion formel for ukorrigeret termografi billede.Brug derefter denne kurvepasningsdata til at korrigere det ukorrigerede termografibillede globalt. Hvis du vil oprette et todimensionelt toptemperaturfordelingskort, skal du skrive et script i et passende programmeringssprog for at spore overfladetemperaturen for hvert objekts overfladeplet langs hele kameraets synsfelt for at fungere som et virtuelt termoelement placeret på alle wafer-pletterne samtidigt. Derefter udtrækkes toptemperaturværdien for hvert sted, og afplant disse temperaturer i et tilsvarende 2D-fordelingskort.Hvis du vil udføre en gennemsnitlig temperaturfordeling i gennemløbsretningen, skal du beregne gennemsnittet af 2D-temperaturfordelingen i dimensionen vinkelret på gennemløbsretningen. Hvis du vil udføre en gennemsnitlig temperaturfordeling vinkelret på gennemløbsretningen, skal du beregne gennemsnittet af 2D-temperaturfordelingen i dimensionen i gennemløbsretningen. Som vist i dette tal, den korrigerede temperatur af denne Silicon solcelle kan tydeligt detekteres af det infrarøde kamera i forskellige konfigurationer.Monofacially metaliseret, bifacially metaliseret, og ikke-metaliserede frynsegode prøver. I disse analyser lignede temperaturområdet af interesse det typiske maksimale temperaturområde for fyringsprocessen. Som observeret i dette billede, den kontaktende termoelement på bagsiden af solcellen forårsager et temperaturfald omkring sig selv, sandsynligvis på grund af varmeafledning og skygge.Sidstnævnte fald er vigtigt for at anslå celletemperaturen under affyring uden termoelementer sammenlignet med den temperatur, der måles ved termoelementet, som for denne celle placeret på en ramme, når den kontaktes af et termoelement. Hvis det placeres direkte på bæltet, tillader det infrarøde kamera observation af den lokale varmeafledning af cellerne ved transportbåndet. Dette billede viser en repræsentativ to-dimensionel rumlig sol celle peak temperaturfordeling, og den udledes gennemsnitlige fordeling i og vinkelret på transportretningen.Da vi bruger inline ovne til kontakt affyring af silicium solceller, installerede vi et infrarødt kamera i vores ovn for at skabe en innovativ termografiapplikation. Opnåelse af rumligt løste spidstemperaturfordelinger under fyringsprocessen gør det muligt at undersøge temperaturfordelingskorrelationer til de rumligt løste solcelleparametre, der i væsentlig grad påvirkes af fyringen.

Research

JoVE Journal

Engineering

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In-situ Tapering af chalcogenide Fiber for Mid-infrarødt Supercontinuum Generation

Supercontinuum  generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared  (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

Fabrikation og Drift af et Nano-Optical transportbånd

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Avancerede eksperimentelle metoder til lav-temperatur Magnetotransport Måling af nye materialer

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

Målingen af ​​Usikker Surface Pressure Ved hjælp af en fjernbetjening mikrofon Probe

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Optisk Trap Loading af Dielektrisk mikropartikler i Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

Rekombination Dynamics i Thin-film fotovoltaiske materialer via Time-løst Microwave Ledningsevne

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

Høj temperatur Fabrikation af nanostrukturerede yttriastabiliseret-Zirconia (YSZ) Stilladser ved<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templatering Xerogeler

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel

Forberedelse og høj temperatur anti-friktion opførsel af en glat overflade på rustfrit stål

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A ...

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation af størrelse-kontrollerede Poly (etylenglykol) Diacrylate dråber via Semi-3-dimensionelle Flow med fokus mikrofluid enheder

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

Nær-infrarød temperatur måling teknik til vand omkring en induktion-opvarmet små magnetiske kugle

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...