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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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.

1. Instalación de la cámara IR en un horno de cinta transportadora
<ol><li>Decida qué parte del horno debe medirse mediante la cámara IR. NOTA: Aquí se elige la zona máxima del proceso de cocción (ver la zona resaltada en naranja en el área de disparo de la Figura 1A).</li>
	<li>Defina el rango de temperatura de interés que la cámara IR debe detectar (por ejemplo, 700-900 oC, el rango de temperatura máxima típico del proceso de cocción).</li>
	<li>Determina...

<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>

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 ...

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.

<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 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.

Como se muestra en la Figura 3B-D, el objeto de ejemplo (aquí, una célula solar de silicio; estrictamente hablando, un emisor pasivado y una celda posterior [PERC]12; La Figura 2A,B) puede ser detectada claramente por la cámara IR en diferentes configuraciones4. Las diferentes configuraciones son metalizadas monofacialmente (Figura 3B),<sup class="x...

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

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.

In Situ Medición de Temperatura de Superficie en un Horno de Cinta Transportadora a través de Termografía Infrarroja Inline

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

Como es crucial medir la temperatura de los objetos procesados en hornos en línea, aquí presentamos la termografía en línea como una alternativa prometedora a las mediciones clásicas de temperatura por termopares. Los termopares dañan el objeto, miden la temperatura localmente y requieren una interrupción de la producción. Nuestra cámara termográfica en línea, sin embargo, mide la temperatura del objeto de una manera sin contacto, en tiempo real, resuelta espacialmente.Utilizamos hornos en línea para la cocción de contacto de células solares de silicio. Por lo tanto, instalamos una cámara termográfica en línea en nuestro horno para investigar estas ventajas. Seleccione una cámara con un rango de longitud de onda de detección que coincida con el rango de longitud de onda de la emisión más alta del objeto de interés en el rango de temperatura de interés tanto como sea posible.Para instalar la cámara fuera de la cámara del horno, retire la pared del horno y el aislamiento en el lugar donde debe ubicarse la trayectoria óptica, evitando objetos perturbadores, como lámparas infrarrojas, en la trayectoria óptica. Cierre el orificio con una ventana que aísle la cámara del horno térmicamente mientras es lo más transparente posible para el rango de longitud de onda de detección de la cámara. A continuación, coloque la cámara encima de las ventanas para que la cámara tenga un objeto visual en la correa móvil.Evite la mayor detección de radiación parasitaria posible por parte de la cámara evitando los objetos cercanos que emiten o reflejan la radiación en el rango de longitud de onda de detección de la cámara. A continuación, examine la imagen de termografía a través del software de cámara infrarroja para comprobar el campo de visión resultante de la cámara. Para una corrección de la temperatura del cliente para las células solares de silicio, primero revise la celda solar en busca de artefactos ópticos locales.Como la corrección de temperatura se basa en termopares, para comprobar la validez del termopar, monte el termopar en el lado trasero de aluminio de la oblea y mida el perfil de temperatura de tiempo para un proceso de cocción estándar. Si el perfil de temperatura de tiempo muestra una interrupción en forma de curva más plana a la temperatura eutéctica de silicio de aluminio de 577 grados Celsius, lo más probable es que el termopar esté correctamente calibrado. Realice mediciones de termopar con el termopar validado montado en la parte posterior de la célula solar y registre la oblea con la cámara infrarroja.Realice múltiples mediciones de termopar en el rango de temperatura de interés en el mismo punto del objeto y en varios puntos de objeto aleatorios espacialmente para obtener perfiles de temperatura de tiempo estadísticamente significativos. Para determinar la temperatura local de la célula solar de termografía no corregida bajo el termopar, extraiga la temperatura local en la posición del termopar. Registre las temperaturas medidas a través de termopares contra las temperaturas determinadas a través de la termografía infrarroja no corregida, y obtenga un ajuste de curva como una fórmula de corrección global uniforme general para la imagen termografía no corregida.A continuación, utilice estos datos de ajuste de curva para corregir la imagen termografía no corregida globalmente. Para crear un mapa de distribución de temperatura máxima bidimensional, escriba un script en un lenguaje de programación adecuado para realizar un seguimiento simultáneo de la temperatura de la superficie del punto de superficie de cada objeto a lo largo de todo el campo de visión de la cámara para que actúe como un termopar virtual colocado en todos los puntos de oblea simultáneamente. A continuación, extraiga el valor de temperatura máxima para cada punto y trace estas temperaturas en un mapa de distribución 2D correspondiente.Para realizar una distribución de temperatura media en la dirección de rendimiento, promede la distribución de temperatura 2D en la dimensión perpendicular a la dirección de rendimiento. Para realizar una distribución de temperatura media perpendicular a la dirección de rendimiento, promede la distribución de temperatura 2D en la dimensión en la dirección de rendimiento. Como se muestra en esta figura, la temperatura corregida de esta célula solar de silicio puede ser claramente detectada por la cámara infrarroja en diferentes configuraciones.Muestras de ventajas metalizadas, bifacialmente y no metalizadas. En estos análisis, el rango de temperatura de interés se asemejaba al rango de temperatura máxima típico del proceso de cocción. Como se observa en esta imagen, el termopar en contacto en la parte posterior de la célula solar causa una caída de temperatura alrededor de sí misma, probablemente debido a la disipación de calor y el sombreado.Esta última caída es importante para estimar la temperatura celular durante la cocción sin termopares, en comparación con la temperatura medida por el termopar, como para esta célula colocada en un marco cuando se contacta con un termopar. Si se coloca directamente en la correa, la cámara infrarroja permite la observación de la disipación de calor local de las células por la cinta transportadora. Esta imagen muestra una distribución representativa de la temperatura máxima de la célula solar espacial bidimensional y la distribución media deducida en y perpendicular a la dirección de transporte.A medida que utilizamos hornos en línea para la cocción de contacto de células solares de silicio, instalamos una cámara infrarroja en nuestro horno para crear una innovadora aplicación de termografía. La obtención de distribuciones de temperatura máxima resueltas espacialmente durante el proceso de cocción permite investigar las correlaciones de distribución de temperatura con los parámetros de células solares resueltos espacialmente que se ven significativamente realizados por el disparo.

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