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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Questo lavoro è sostenuto dal Ministero federale tedesco per gli affari economici nell'ambito del progetto "Feuerdrache" (0324205B). Gli autori ringraziano i collaboratori che hanno contribuito a questo lavoro e i partner del progetto (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) per il cofinanziamento e il supporto eccezionale.

1. Installazione della telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore
<ol><li>Decidere quale parte del forno deve essere misurata dalla fotocamera a infrarossi. NOTA: Qui viene scelta la zona di picco del processo di cottura (vedere la zona arancione evidenziata nell'area di cottura della figura 1A).</li>
	<li>Definire l'intervallo di temperatura di interesse che la telecamera a infrarossi dovrebbe rilevare (ad esempio, 700-900 gradi centigradi, l'intervallo...

<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>

Comunemente, la temperatura termografia viene corretta misurando e adattando i parametri ottici dell'oggetto, la finestra e il percorso trasmissivi e la temperatura ambientale dell'oggetto e della finestra trasmissiva2. Come metodo alternativo, una tecnica di correzione della temperatura basata sulle misurazioni termocoppia è descritta in questo protocollo. Per quest'ultimo metodo, non è necessaria la conoscenza dei parametri di cui sopra. Per l'applicazione illustrata di seguito, questo metodo ...

Il controllo del processo e la garanzia della qualità degli oggetti trattati nei fornidel nastro trasportatore 1 è importante e realizzato misurando la temperatura superficiale dell'oggetto. Attualmente, la temperatura è in genere misurata da un termocoppia1. Poiché le misurazioni termocoppia richiedono il contatto con l'oggetto, termocopples inevitabilmente danneggiare l'oggetto. Pertanto, è comune scegliere campioni rappresentativi di un lotto per le misurazioni della temperatura, che non vengono ulteriormente elaborate in quanto vengono danneggiate. Le temperature misurate di questi oggetti danneggiati vengono quindi generalizzate ai campioni rimanenti del lotto, che vengono ulteriormente elaborati. Di conseguenza, la produzione deve essere interrotta per le misurazioni termocoppia. Inoltre, il contatto è locale, deve essere riadattato dopo ogni misurazione e influenza la temperatura locale.
La termografia a infrarossi (IR)ha una serie di vantaggi rispetto alle classiche misurazioni termocoppia e rappresenta un metodo di misurazione della temperatura senza contatto, in situ, in tempo reale, risparmio di tempo e risolto spazialmente. Utilizzando questo metodo, ogni campione del lotto, compresi quelli che vengono ulteriormente elaborati, può essere misurato senza interrompere la produzione. Inoltre, è possibile misurare la distribuzione della temperatura superficiale, che fornisce informazioni sull'omogeneità della temperatura durante il processo. La funzione in tempo reale consente di correggere le impostazioni della temperatura al volo. Finora, le possibili ragioni per non utilizzare la termografia irrisorie nel nastro trasportatore sono 1) parametri ottici sconosciuti di oggetti caldi (soprattutto per i nonmetalli3) e 2) di radiazione ambientale parassita nel forno (cioè, radiazione riflessa rilevata dalla telecamera a infrarossi oltre alla radiazione emessa dall'oggetto), che porta a false uscite di temperatura2.
Qui, come esempio rappresentativo di termografia iR in un forno a nastro trasportatore, abbiamo installato con successo un sistema di termografia in linea in un forno a fuoco solare alimentato a lampada IR (Figura 1), che viene utilizzato durante il processo di cottura a contatto delle celle solari Si industriali (Figura 2A,B)4,5. Il processo di cottura è un passo cruciale alla fine della produzione industriale di celle solari6. Durante questo passaggio, i contatti della cella vengono formati7,8e la passivazione della superficie viene attivata9. Per raggiungere con successo quest'ultimo, il profilo di temperatura del tempo durante il processo di cottura (Figura 2C) deve essere realizzato con precisione. Pertanto, è necessario un controllo della temperatura sufficiente ed efficiente. Questo protocollo descrive come installare una telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore, eseguire una correzione del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata in fabbrica e valutare la distribuzione della temperatura superficiale spaziale di un oggetto bersaglio.

<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

Misurare la temperatura superficiale degli oggetti che vengono lavorati nei forni del nastro trasportatore è uno strumento importante nel controllo del processo e nella garanzia della qualità. Attualmente, la temperatura superficiale degli oggetti lavorati nei forni del nastro trasportatore viene in genere misurata tramite termocoppie. Tuttavia, la termografia a infrarossi (IR) presenta molteplici vantaggi rispetto alle misurazioni termocoppia, in quanto è un metodo senza contatto, in tempo reale e risolto spazialmente. Qui, come esempio rappresentativo di proof-of-concept, un sistema di termografia in linea viene installato con successo in un forno a fuoco solare alimentato a lampada IR, che viene utilizzato per il processo di cottura a contatto delle celle solari Si industriali. Questo protocollo descrive come installare una telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore, eseguire una correzione da parte del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata in fabbrica ed eseguire la valutazione della distribuzione della temperatura della superficie spaziale su un oggetto di destinazione.

Come illustrato nella Figura 3B-D, l'oggetto di esempio (qui, una cella solare in silicio; in senso stretto, un emettitore passivato e una cella posteriore [PERC]12; Figura 2A,B) può essere chiaramente rilevata dalla fotocamera a infrarossi in diverse configurazioni4. Le diverse configurazioni sono monofacially metallized (Figura 3B), bifacially metal...

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

Questo protocollo descrive come installare una telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore, eseguire una correzione da parte del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata in fabbrica e valutare la distribuzione della temperatura superficiale spaziale di un oggetto di interesse. Gli oggetti di esempio sono celle solari in silicio industriale.

In Situ Misurazione della Temperatura della Superficie in un Forno a nastro Trasportatore tramite Termografia a infrarossi in linea

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

Poiché è fondamentale misurare la temperatura degli oggetti lavorati nei forni in linea, qui presentiamo la termografia in linea come una promettente alternativa alle classiche misurazioni della temperatura da parte delle termocopia. Le termocopia danneggiano l'oggetto, misurano la temperatura localmente e richiedono un'interruzione della produzione. La nostra termografia in linea, tuttavia, misura la temperatura dell'oggetto in modo contactless, in tempo reale, risolto spazialmente.Utilizziamo forni in linea per la cottura a contatto di celle solari al silicio. Pertanto, abbiamo installato una termografia in linea nel nostro forno per indagare questi vantaggi. Selezionare una fotocamera con un intervallo di lunghezze d'onda di rilevamento che corrisponda il più possibile all'intervallo di lunghezza d'onda dell'emissione più alta dell'oggetto di interesse nell'intervallo di temperatura di interesse.Per installare la telecamera all'esterno della camera del forno, rimuovere la parete del forno e l'isolamento nel punto in cui deve trovarsi il percorso ottico, evitando oggetti inquietanti, come le lampade a infrarossi, nel percorso ottico. Chiudere il foro con una finestra che isola termicamente la camera del forno pur essendo il più trasparente possibile per l'intervallo di lunghezze d'onda di rilevamento della fotocamera. Quindi, posizionare la fotocamera sopra le finestre in modo che la fotocamera abbia un'immagine sulla cintura mobile.Evita il maggior numero possibile di rilevamenti di radiazioni parassitari da parte della fotocamera evitando oggetti vicini che emettono o riflettono radiazioni nell'intervallo di lunghezze d'onda di rilevamento della fotocamera. Quindi, esaminare l'immagine della termografia tramite il software della fotocamera a infrarossi per controllare il campo visivo risultante della fotocamera. Per una correzione della temperatura del cliente per le celle solari in silicio, controllare prima la cella solare alla ricerca di artefatti ottici locali.Poiché la correzione della temperatura si basa sulle termocopia, per verificare la validità della termocopia, montare la termocopia sul lato posteriore in alluminio del wafer e misurare il profilo della temperatura temporale per un processo di cottura standard. Se il profilo della temperatura temporale mostra un'interruzione sotto forma di una curva più piatta alla temperatura eutettica del silicio di alluminio di 577 gradi Celsius, la termocopia è molto probabilmente calibrata correttamente. Effettuare misurazioni della termocopia con la termoscopia convalidata montata sul lato posteriore della cella solare e registrare il wafer con la termocamera.Effettuare misurazioni multiple della termocopia nell'intervallo di temperatura di interesse nello stesso punto oggetto e in vari punti di oggetti casuali spaziali per ottenere profili di temperatura del tempo statisticamente significativi. Per determinare la temperatura locale delle celle solari termografiche non corretta sotto la termocopia, estrarre la temperatura locale nella posizione della termocopia. Registrare le temperature misurate tramite termocopia rispetto alle temperature determinate tramite termografia infrarossa non corretta e ottenere una curva adatta come formula di correzione globale uniforme generale per l'immagine termografica non corretta.Quindi utilizzare questi dati di adattamento della curva per correggere l'immagine termografica non corretta a livello globale. Per creare una mappa di distribuzione della temperatura di picco bidimensionale, scrivete uno script in un linguaggio di programmazione appropriato per tenere traccia della temperatura superficiale per il punto di superficie di ogni oggetto lungo l'intero campo visivo della telecamera per agire come una termocopia virtuale posizionata in tutti i punti del wafer contemporaneamente. Quindi, estrarre il valore di temperatura di picco per ogni punto e tracciare queste temperature in una mappa di distribuzione 2D corrispondente.Per eseguire una distribuzione media della temperatura nella direzione della velocità effettiva, mediare la distribuzione della temperatura 2D nella dimensione perpendicolare alla direzione di velocità effettiva. Per eseguire una distribuzione media della temperatura perpendicolare alla direzione della velocità effettiva, in media la distribuzione della temperatura 2D nella dimensione nella direzione della velocità effettiva. Come dimostrato in questa figura, la temperatura corretta di questa cella solare in silicio può essere chiaramente rilevata dalla termocamera in diverse configurazioni.Campioni di vantaggi monofattialmente metallizzati, metallizzati bifattialmente e non metallizzati. In queste analisi, l'intervallo di temperatura di interesse assomigliava al tipico intervallo di temperatura di picco del processo di cottura. Come osservato in questa immagine, la termoscopia a contatto sul lato posteriore della cella solare provoca un calo di temperatura intorno a sé, molto probabilmente a causa della dissipazione del calore e dell'ombreggiatura.Quest'ultima goccia è importante per stimare la temperatura cellulare durante la cottura senza termocopia, rispetto alla temperatura misurata dalla termocopia, come per questa cella posizionata su un telaio quando contattata da una termocopia. Se posizionata direttamente sul nastro, la termocamera consente l'osservazione della dissipazione del calore locale delle celle da parte del nastro trasportatore. Questa immagine mostra una distribuzione rappresentativa della temperatura di picco della cella solare spaziale bidimensionale, e la distribuzione media dedotta in e perpendicolare alla direzione di trasporto.Quando utilizziamo forni in linea per la cottura a contatto di celle solari di silicio, abbiamo installato una termocamera nel nostro forno per creare un'innovativa applicazione termografica. Ottenere distribuzioni di temperatura di picco risolte spazialmente durante il processo di cottura consente lo studio delle correlazioni di distribuzione della temperatura con i parametri delle celle solari risolti spazialmente che sono significativamente influenzati dalla cottura.

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