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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Diese Arbeit wird vom Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des Projekts "Feuerdrache" (0324205B) unterstützt. Die Autoren danken den Mitarbeitern, die zu dieser Arbeit beigetragen haben, und den Projektpartnern (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) für die Kofinanzierung und hervorragende Unterstützung.

1. Installation der IR-Kamera in einen Förderbandofen
<ol><li>Entscheiden Sie, welcher Teil des Ofens von der IR-Kamera gemessen werden soll. HINWEIS: Hier wird die Spitzenzone des Brennvorgangs ausgewählt (siehe die orange hervorgehobene Zone im Brennbereich von Abbildung 1A).</li>
	<li>Definieren Sie den von der IR-Kamera zu erfassenden Temperaturbereich (z. B. 700 bis 900 °C, den typischen Spitzentemperaturbereich des Brennvorgangs).</li>
	<li>Bestimmen oder zumin...

<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>

Üblicherweise wird die Thermographietemperatur durch Messung und Anpassung der optischen Parameter des Objekts, des transmissiven Fensters und Deswegs sowie der Umgebungstemperatur des Objekts und des transmissivenFensters 2korrigiert. Als alternative Methode wird in diesem Protokoll eine Temperaturkorrekturtechnik auf Basis von Thermoelementmessungen beschrieben. Für die letztgenannte Methode ist keine Kenntnis der oben genannten Parameter erforderlich. Für die hier gezeigte Anwendung ist dies...

Die Prozesskontrolle und Qualitätssicherung von Gegenständen, die in Förderbandöfen1 verarbeitet werden, ist wichtig und wird durch Messung der Oberflächentemperatur des Objekts durchgeführt. Derzeit wird die Temperatur in der Regel mit einem Thermoelement1gemessen. Da Thermoelementmessungen den Kontakt mit dem Objekt erfordern, beschädigen Thermoelemente unweigerlich das Objekt. Daher ist es üblich, repräsentative Proben einer Charge für Temperaturmessungen zu wählen, die nicht weiterverarbeitet werden, da sie beschädigt werden. Die gemessenen Temperaturen dieser beschädigten Objekte werden dann zu den übrigen Proben aus der Charge verallgemeinert, die weiterverarbeitet werden. Dementsprechend muss die Produktion für Thermoelementmessungen unterbrochen werden. Darüber hinaus ist der Kontakt lokal, muss nach jeder Messung nachjustiert werden und beeinflusst die lokale Temperatur.
Die Infrarot-Thermographie2 hat gegenüber klassischen Thermoelementmessungen eine Reihe von Vorteilen und stellt eine berührungslose, in-situ, Echtzeit-, Zeitsparende und räumlich aufgelöste Temperaturmessmethode dar. Mit dieser Methode kann jede Probe der Charge, einschließlich der weiterverarbeiteten, ohne Unterbrechung der Produktion gemessen werden. Darüber hinaus kann die Oberflächentemperaturverteilung gemessen werden, die Einen einblickin die Temperaturhomogenität während des Prozesses liefert. Die Echtzeit-Funktion ermöglicht die Korrektur von Temperatureinstellungen on-the-fly. Bisher sind die möglichen Gründe für die Nichtanwendung der IR-Thermographie in Förderbandöfen 1) unbekannte optische Parameter von heißen Objekten (insbesondere für Nichtmetalle3) und 2) parasitäre Umweltstrahlung im Ofen (d.h. reflektierte Strahlung, die von der IR-Kamera zusätzlich zur emittierten Strahlung des Objekts erkannt wird), was zu einer falschen Temperaturausgabe2führt.
Hier haben wir als repräsentatives Proof-of-Concept-Beispiel der IR-Thermographie in einem Förderbandofen erfolgreich ein Inline-Thermographiesystem in einen IR-Lampen-Solarbrennofen eingebaut (Abbildung 1), der beim Kontaktbrennprozess von industriellen Si-Solarzellen eingesetzt wird (Abbildung 2A,B)4,5. Der Brennprozess ist ein entscheidender Schritt am Ende der industriellen Solarzellenproduktion6. In diesem Schritt werden die Kontakte der Zelle7,,8, gebildet und die Oberflächenpassivierung wirdaktiviert 9. Um Letzteres erfolgreich zu erreichen, muss das Zeit-Temperatur-Profil während des Brennvorgangs (Abbildung 2C) genau realisiert werden. Daher ist eine ausreichende und effiziente Temperaturregelung erforderlich. Dieses Protokoll beschreibt, wie man eine IR-Kamera in einen Förderbandofen einbaut, eine Kundenkorrektur einer werkskalibrierten IR-Kamera durchführt und die räumliche Oberflächentemperaturverteilung eines Zielobjekts auswertet.

<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

Die Messung der Oberflächentemperatur von Objekten, die in Förderbandöfen verarbeitet werden, ist ein wichtiges Werkzeug in der Prozesskontrolle und Qualitätssicherung. Derzeit wird die Oberflächentemperatur von Objekten, die in Förderbandöfen verarbeitet werden, in der Regel über Thermoelemente gemessen. Die Infrarot-Thermographie (IR) bietet jedoch mehrere Vorteile im Vergleich zu Thermoelementmessungen, da es sich um eine berührungslose, Echtzeit- und räumlich aufgelöste Methode handelt. Hier wird als repräsentatives Proof-of-Concept-Beispiel erfolgreich ein Inline-Thermographiesystem in einen IR-Lampen-Solarbrennofen eingebaut, der für den Kontaktbrennprozess von industriellen Si-Solarzellen eingesetzt wird. Dieses Protokoll beschreibt, wie sie eine IR-Kamera in einen Förderbandofen einbauen, eine Kundenkorrektur einer werkskalibrierten IR-Kamera durchführen und die Auswertung der räumlichen Oberflächentemperaturverteilung an einem Zielobjekt durchführen.

Wie in Abbildung 3B-Ddargestellt, das Beispielobjekt (hier eine Silizium-Solarzelle; streng genommen ein passivierter Emitter und eine hintere Zelle [PERC]12; Abbildung 2A,B) kann von der IR-Kamera in verschiedenen Konfigurationen deutlich erkannt werden4. Die verschiedenen Konfigurationen sind monofacial metallisiert (Abbildung 3B), bifacially metalli...

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

Dieses Protokoll beschreibt, wie man eine Infrarotkamera in einen Förderbandofen einbaut, eine Kundenkorrektur einer werkskalibrierten IR-Kamera durchführt und die räumliche Oberflächentemperaturverteilung eines Objekts von Interesse auswertet. Die Beispielobjekte sind industrielle Silizium-Solarzellen.

In Situ Oberflächentemperaturmessung in einem Förderbandofen über Inline-Infrarot-Thermographie

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

Da es entscheidend ist, die Temperatur der in Inlineöfen verarbeiteten Objekte zu messen, präsentieren wir hier die Inline-Thermographie als vielversprechende Alternative zu klassischen Temperaturmessungen durch Thermoelemente. Thermoelemente beschädigen das Objekt, messen die Temperatur lokal und erfordern eine Produktionsunterbrechung. Unsere Inline-Thermografiekamera misst jedoch die Objekttemperatur berührungslos, in Echtzeit, räumlich aufgelöst.Wir verwenden Inlineöfen für das Kontaktabfeuern von Silizium-Solarzellen. Deshalb haben wir eine Thermografiekamera inline in unseren Ofen eingebaut, um diese Vorteile zu untersuchen. Wählen Sie eine Kamera mit einem Erfassungswellenlängenbereich aus, der dem Wellenlängenbereich der höchsten Emission des Objekts entspricht, der im Betreffenden Temperaturbereich so weit wie möglich liegt.Um die Kamera außerhalb der Ofenkammer zu installieren, entfernen Sie die Ofenwand und die Isolierung an der Stelle, an der sich der optische Pfad befinden sollte, um störende Objekte wie Infrarotlampen im optischen Pfad zu vermeiden. Schließen Sie das Loch mit einem Fenster, das die Ofenkammer thermisch isoliert und gleichzeitig so transparent wie möglich für den Erfassungswellenlängenbereich der Kamera ist. Platzieren Sie dann die Kamera über den Fenstern, damit die Kamera ein visuelles Bild auf dem beweglichen Gürtel hat.Vermeiden Sie so viel parasitäre Strahlungserkennung durch die Kamera wie möglich, indem Sie Objekte in der Nähe vermeiden, die Strahlung im Erfassungswellenlängenbereich der Kamera aussenden oder reflektieren. Untersuchen Sie dann das Thermografiebild über die Infrarotkamera-Software, um das resultierende Sichtfeld der Kamera zu überprüfen. Für eine Kundentemperaturkorrektur für Silizium-Solarzellen überprüfen Sie zunächst die Solarzelle auf lokale optische Artefakte.Da die Temperaturkorrektur auf Thermoelementen basiert, um die Gültigkeit des Thermoelements zu überprüfen, montieren Sie das Thermoelement auf der hinteren Aluminiumseite des Wafers und messen Sie das Zeittemperaturprofil für einen Standardbrennprozess. Wenn das Zeittemperaturprofil eine Störung in Form einer flacheren Kurve bei der Aluminiumsilizium-Eutektiktemperatur von 577 Grad Celsius zeigt, wird das Thermoelement höchstwahrscheinlich korrekt kalibriert. Führen Sie Thermoelementmessungen mit dem validierten Thermoelement auf der Rückseite der Solarzelle durch und zeichnen Sie den Wafer mit der Infrarotkamera auf.Führen Sie mehrere Thermoelementmessungen im Temperaturbereich von Interesse am gleichen Objektpunkt und an räumlich verschiedenen zufälligen Objektflecken durch, um statistisch signifikante Zeittemperaturprofile zu erhalten. Um die lokale unkorrigierte Thermographie-Solarzellentemperatur unter dem Thermoelement zu bestimmen, extrahieren Sie die lokale Temperatur an der Position des Thermoelements. Protokollieren Sie die gemessenen Temperaturen über Thermoelemente gegen die ermittelten Temperaturen über eine unkorrigierte Infrarot-Thermographie und erhalten Sie eine Kurvenanpassung als allgemeine einheitliche globale Korrekturformel für das unkorrigierte Thermografiebild.Verwenden Sie dann diese Kurvenanpassungsdaten, um das nicht korrigierte Thermografiebild global zu korrigieren. Um eine zweidimensionale Spitzentemperaturverteilungskarte zu erstellen, schreiben Sie ein Skript in einer geeigneten Programmiersprache, um die Oberflächentemperatur für den Oberflächenfleck jedes Objekts entlang des gesamten Kamerasichtfeldes zu verfolgen, um als virtuelles Thermoelement zu fungieren, das an allen Wafer-Spots gleichzeitig platziert wird. Extrahieren Sie dann den Spitzentemperaturwert für jeden Punkt, und zeichnen Sie diese Temperaturen in einer entsprechenden 2D-Verteilungskarte.Um eine durchschnittliche Temperaturverteilung in Durchsatzrichtung durchzuführen, durchschnittlich die 2D-Temperaturverteilung in der Dimension senkrecht zur Durchsatzrichtung. Um eine durchschnittliche Temperaturverteilung senkrecht zur Durchsatzrichtung durchzuführen, durchschnittlich die 2D-Temperaturverteilung in der Bemaßung in der Durchsatzrichtung. Wie in dieser Abbildung dargestellt, kann die korrigierte Temperatur dieser Silizium-Solarzelle von der Infrarotkamera in verschiedenen Konfigurationen deutlich erfasst werden.Monofacially metalized, bifacially metalized, and non-metalized perk samples. Bei diesen Analysen ähnelte der Temperaturbereich dem typischen Spitzentemperaturbereich des Brennvorgangs. Wie in diesem Bild beobachtet, verursacht das kontaktierende Thermoelement auf der Rückseite der Solarzelle einen Temperaturabfall um sich selbst herum, wahrscheinlich aufgrund von Wärmeableitung und Schattierung.Der letztgenannte Tropfen ist wichtig für die Schätzung der Zelltemperatur beim Brennen ohne Thermoelemente, im Vergleich zu der vom Thermoelement gemessenen Temperatur, wie bei dieser Zelle, die auf einem Rahmen positioniert ist, wenn sie von einem Thermoelement kontaktiert wird. Wenn sie direkt auf dem Band platziert wird, ermöglicht die Infrarotkamera die Beobachtung der lokalen Wärmeableitung der Zellen durch das Förderband. Dieses Bild zeigt eine repräsentative zweidimensionale räumliche Solarzellen-Spitzentemperaturverteilung und die abgeleitete durchschnittliche Verteilung in und senkrecht zur Transportrichtung.Da wir Inlineöfen für das Kontaktabfeuern von Silizium-Solarzellen verwenden, haben wir eine Infrarotkamera in unseren Ofen eingebaut, um eine innovative Thermografie-Anwendung zu erstellen. Das Abrufen räumlich aufgelöster Spitzentemperaturverteilungen während des Brennvorgangs ermöglicht die Untersuchung von Temperaturverteilungskorrelationen zu den räumlich aufgelösten Solarzellenparametern, die durch das Abfeuern erheblich bewirkt werden.

Research

JoVE Journal

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