Name: in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00
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Ces travaux sont soutenus par le ministère fédéral allemand de l’Économie dans le cadre du projet « Feuerdrache » (0324205B). Les auteurs remercient les collègues qui ont contribué à ce travail et les partenaires du projet (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) pour le cofinancement et le soutien exceptionnel.

1. Installation d’une caméra IR dans un four à convoyeur
<ol><li>Décidez quelle partie du four doit être mesurée par la caméra IR. REMARQUE : Ici, la zone de pointe du processus de tir est choisie (voir la zone orange mise en évidence dans la zone de tir de la figure 1A).</li>
	<li>Définissez la plage de température d’intérêt que la caméra IR devrait détecter (p. ex., 700−900 °C, la plage de température maximale typique du processus de cuisson).</li...

<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>

Généralement, la température de la thermographie est corrigée par la mesure et l’adaptation des paramètres optiques de l’objet, de la fenêtre et du chemin de transmission, et de la température environnementale de l’objet et de la fenêtre transmissive2. Comme méthode alternative, une technique de correction de température basée sur des mesures thermocouple est décrite dans ce protocole. Pour cette dernière méthode, la connaissance des paramètres mentionnés ci-dessus n’est pa...

Le contrôle des procédés et l’assurance de la qualité des objets traités dans les fours à convoyeur1 sont importants et réalisés en mesurant la température de surface de l’objet. Actuellement, la température est généralement mesurée par un thermocouple1. Comme les mesures thermocouple nécessitent un contact avec l’objet, les thermocouples endommagent inévitablement l’objet. Par conséquent, il est courant de choisir des échantillons représentatifs d’un lot pour les mesures de température, qui ne sont pas traitées davantage puisqu’ils sont endommagés. Les températures mesurées de ces objets endommagés sont ensuite généralisées aux échantillons restants du lot, qui sont traités plus en détail. En conséquence, la production doit être interrompue pour les mesures thermocouple. En outre, le contact est local, doit être réajusté après chaque mesure, et influence la température locale.
La thermographie infrarouge (IR)2 présente un certain nombre d’avantages par rapport aux mesures thermocouple classiques et représente une méthode de mesure de la température sans contact, in situ, en temps réel, en gain de temps et résolue spatialement. À l’aide de cette méthode, chaque échantillon du lot, y compris ceux qui sont traités plus avant, peut être mesuré sans interrompre la production. En outre, la répartition de la température de surface peut être mesurée, ce qui donne un aperçu de l’homogénéité de la température au cours du processus. La fonction en temps réel permet de corriger les paramètres de température à la volée. Jusqu’à présent, les raisons possibles pour ne pas utiliser la thermographie IR dans les fours à bande transporteuse sont 1) des paramètres optiques inconnus des objets chauds (en particulier pour les non métaux3) et 2) rayonnement environnemental parasite dans le four (c.-à-d. rayonnement réfléchi détecté par la caméra IR en plus du rayonnement émis de l’objet), ce qui conduit à la sortie de température fausse2.
Ici, en tant qu’exemple représentatif de preuve de concept de la thermographie IR dans un four à convoyeur, nous avons réussi à installer un système de thermographie en ligne dans un four à tir solaire alimenté par lampe IR (Figure 1), qui est utilisé pendant le processus de tir de contact des cellules solaires industrielles Si (Figure 2A,B)4,5. Le processus de mise à feu est une étape cruciale à la fin de la production industrielle de cellules solaires6. Au cours de cette étape, les contacts de la cellule sont formés7,8, et la passivation de surface est activée9. Pour réussir ce dernier, le profil temps-température pendant le processus de cuisson (Figure 2C) doit être réalisé avec précision. Par conséquent, un contrôle de la température suffisant et efficace est nécessaire. Ce protocole décrit comment installer une caméra IR dans un four à bande transporteuse, effectuer une correction client d’une caméra IR calibrée en usine et évaluer la répartition de la température spatiale à la surface d’un objet cible.

<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

La mesure de la température de surface des objets traités dans des fours à convoyeurs est un outil important pour le contrôle des processus et l’assurance de la qualité. À l’heure actuelle, la température de surface des objets traités dans les fours à convoyeurs est généralement mesurée par thermocouples. Cependant, la thermographie infrarouge (IR) présente de multiples avantages par rapport aux mesures thermocouple, car il s’agit d’une méthode sans contact, en temps réel et résolu spatialement. Ici, comme exemple de preuve de concept représentatif, un système de thermographie en ligne est installé avec succès dans un four de tir solaire alimenté par lampe IR, qui est utilisé pour le processus de tir de contact des cellules solaires industrielles Si. Ce protocole décrit comment installer une caméra IR dans un four à convoyeur, effectuer une correction client d’une caméra IR calibrée en usine et effectuer l’évaluation de la distribution de la température spatiale à la surface sur un objet cible.

Comme le montre la figure 3B−D, l’objet par exemple (ici, une cellule solaire en silicium; à proprement parler, un émetteur passivated et une cellule arrière [PERC]12; La figure 2A,B) peut être clairement détectée par la caméra IR dans différentes configurations4. Les différentes configurations sont monofacially métallisées (Figure 3B), ...

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

Ce protocole décrit comment installer une caméra infrarouge dans un four à convoyeur, effectuer une correction client d’une caméra IR calibrée d’usine et évaluer la répartition de la température spatiale à la surface d’un objet d’intérêt. Les objets par exemple sont des cellules solaires industrielles en silicium.

Mesure de la température de surface in situ dans un four à convoyeur via la thermographie infrarouge inline

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

Comme il est crucial de mesurer la température des objets traités dans les fours en ligne, nous présentons ici la thermographie en ligne comme une alternative prometteuse aux mesures classiques de température par thermocouples. Les thermocouples endommagent l’objet, mesurent la température localement et nécessitent une interruption de production. Notre caméra de thermographie en ligne mesure toutefois la température de l’objet d’une manière sans contact, en temps réel et résolue spatialement.Nous utilisons des fours en ligne pour le contact des cellules solaires en silicium. Par conséquent, nous avons installé une caméra de thermographie en ligne dans notre four pour étudier ces avantages. Sélectionnez une caméra avec une plage de longueur d’onde de détection qui correspond à la plage de longueur d’onde de l’émission la plus élevée de l’objet d’intérêt dans la plage de température d’intérêt autant que possible.Pour installer la caméra à l’extérieur de la chambre du four, retirez le mur du four et l’isolement à l’endroit où le chemin optique doit être situé, en évitant les objets perturbateurs, tels que les lampes infrarouges, dans le chemin optique. Fermez le trou avec une fenêtre qui isole thermiquement la chambre du four tout en étant aussi transparent que possible pour la plage de longueur d’onde de détection de la caméra. Ensuite, placez la caméra au-dessus des fenêtres de sorte que la caméra a un visuel sur la ceinture en mouvement.Évitez autant de détection de rayonnement parasite par la caméra que possible en évitant les objets à proximité qui émettent ou réfléchissent le rayonnement dans la plage de longueur d’onde de détection de la caméra. Ensuite, examinez l’image de la thermographie via le logiciel de la caméra infrarouge pour vérifier le champ de vision résultant de la caméra. Pour une correction de température client pour les cellules solaires silicon, vérifiez d’abord la cellule solaire pour les artefacts optiques locaux.Comme la correction de température est basée sur des thermocouples, pour vérifier la validité du thermocouple, monter le thermocouple sur le côté arrière en aluminium de la gaufrette, et mesurer le profil de température du temps pour un processus de cuisson standard. Si le profil de température du temps montre une perturbation sous la forme d’une courbe plus plate à la température eutéctique de silicium d’aluminium de 577 degrés Celsius, le thermocouple est très probablement correctement calibré. Effectuez des mesures thermocouple avec le thermocouple validé monté sur le côté arrière de la cellule solaire, et enregistrez la gaufrette avec la caméra infrarouge.Effectuer plusieurs mesures thermocouple dans la plage de température d’intérêt au même endroit de l’objet et à des endroits d’objets aléatoires spatialement divers pour obtenir des profils statistiquement significatifs de température du temps. Pour déterminer la température locale non corrigée des cellules solaires sous le thermocouple, extraire la température locale à la position du thermocouple. Enregistrez les températures mesurées par thermocouples par rapport aux températures déterminées par thermographie infrarouge non corrigée, et obtenez un ajustement de courbe comme formule générale uniforme de correction globale pour l’image de thermographie non corrigée.Utilisez ensuite ces données d’ajustement de courbe pour corriger l’image de thermographie non corrigée dans le monde entier. Pour créer une carte bidimensionnelle de distribution de la température maximale, écrivez un script dans un langage de programmation approprié pour suivre la température de surface de la surface de chaque objet le long de l’ensemble du champ de vision de la caméra pour agir comme un thermocouple virtuel placé à toutes les taches de gaufrettes simultanément. Ensuite, extraire la valeur de température maximale pour chaque endroit, et tracer ces températures dans une carte de distribution 2D correspondante.Pour effectuer une distribution moyenne de la température dans la direction du débit, faire la moyenne de la distribution de la température 2D dans la dimension perpendiculaire à la direction du débit. Pour effectuer une distribution moyenne de la température perpendiculaire à la direction du débit, faire la moyenne de la distribution de la température 2D dans la dimension dans la direction du débit. Comme démontré dans ce chiffre, la température corrigée de cette cellule solaire de silicium peut être clairement détectée par la caméra infrarouge dans différentes configurations.Échantillons monoofacially métallisés, bifacially métallisés, et non métallisés d’avantage. Dans ces analyses, la plage de température d’intérêt ressemblait à la plage de température maximale typique du processus de cuisson. Comme on l’observe dans cette image, le thermocouple de contact sur le côté arrière de la cellule solaire provoque une baisse de température autour d’elle- même, probablement en raison de la dissipation de chaleur et de l’ombrage.Cette dernière baisse est importante pour estimer la température de la cellule pendant le tir sans thermocouples, par rapport à la température mesurée par le thermocouple, comme pour cette cellule placée sur un cadre lorsqu’elle est contactée par un thermocouple. Si elle est placée directement sur la ceinture, la caméra infrarouge permet d’observer la dissipation de chaleur locale des cellules par la bande transporteuse. Cette image montre une distribution représentative de la température de pointe des cellules solaires spatiales bidimensionnelles, et la distribution moyenne déduite dans et perpendiculaire à la direction de transport.Comme nous utilisons des fours en ligne pour le tir au contact des cellules solaires de silicium, nous avons installé une caméra infrarouge dans notre four pour créer une application de thermographie innovante. L’obtention de distributions de haute température résolues spatialement pendant le processus de cuisson permet d’effectuer l’étude des corrélations de distribution de température avec les paramètres des cellules solaires résolus spatialement qui sont considérablement touchés par la mise à feu.

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