Summary
פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת אינפרא-אדום בכבשן מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולהעריך את התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית של אובייקט מעניין. האובייקטים לדוגמה הם תאים סולאריים סיליקון תעשייתי.
Abstract
מדידת טמפרטורת פני השטח של עצמים המעובדים בתנורי מסוע היא כלי חשוב בשליטה בתהליכים ובאבטחת איכות. כיום, טמפרטורת פני השטח של אובייקטים מעובדים בתנורי מסוע נמדדת בדרך כלל באמצעות תרמוקופלים. עם זאת, תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR) מציגה יתרונות מרובים בהשוואה למדידות תרמיקופל, מכיוון שהיא שיטה ללא מגע, בזמן אמת ונפתרת מרחבית. כאן, כדוגמה ייצוגית הוכחה של מושג, מערכת תרמוגרפיה מוטבעת מותקן בהצלחה לתוך תנור ירי שמש מופעל מנורת IR, אשר משמש לתהליך ירי מגע של תאים סולאריים Si תעשייתי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת IR לתוך תנור מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולבצע את ההערכה של התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית באובייקט יעד.
Introduction
בקרת תהליך ואבטחת איכות של אובייקטים המעובדים בתנורימסוע 1 חשובה ומושגת על ידי מדידת טמפרטורת פני השטח של האובייקט. כיום, הטמפרטורה נמדדת בדרך כלל על-ידי תרמיקופל1. מכיוון שמדידות תרמיות דורשות מגע עם האובייקט, תרמו-אופלים פוגעים באובייקט באופן בלתי נמנע. לכן, נפוץ לבחור דגימות מייצגות של אצווה למדידות טמפרטורה, אשר אינם מעובדים עוד מאז שהם הופכים פגומים. הטמפרטורות הנמדדות של אובייקטים פגומים אלה מוכללים לאחר מכן לדגימות הנותרות מהאצווה, המעובדות עוד יותר. בהתאם לכך, יש להפריע לייצור עבור מדידות תרמיות. יתר על כן, הקשר הוא מקומי, יש להתתקן מחדש לאחר כל מדידה, ומשפיע על הטמפרטורה המקומית.
תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR)2 כוללת מספר יתרונות על פני מדידות תרמיקופל קלאסיות והיא מייצגת שיטת מדידת טמפרטורה ללא מגע, in-situ, בזמן אמת, חוסכת זמן ושיטת מדידת טמפרטורה שנפתרה מרחבית. באמצעות שיטה זו, ניתן למדוד כל דגימה של האצווה, כולל אלה המעובדים עוד יותר, מבלי להפריע לייצור. בנוסף, ניתן למדוד את התפלגות טמפרטורת פני השטח, המספקת תובנה לגבי הומוגניות טמפרטורה במהלך התהליך. התכונה בזמן אמת מאפשרת תיקון של הגדרות טמפרטורה באופן כללי. עד כה, הסיבות האפשריות אי שימוש תרמוגרפיה IR בתנורי מסוע הם 1) פרמטרים אופטיים לא ידועים של אובייקטים חמים (במיוחד עבור שאינם מתכות3)ו 2) קרינה סביבתית טפילית בתנור (כלומר, קרינה משתקפת שזוהתה על ידי מצלמת IR בנוסף לקרינה הנפלטת מהעצם), מה שמוביל פלטטמפרטורה כוזבת 2.
כאן, כדוגמה הוכחה של מושג מייצג של תרמוגרפיה IR בכבשן מסוע, התקנו בהצלחה מערכת תרמוגרפיה מוטבעת לתוך תנור ירי שמש מופעל מנורת IR ( איור 1 ), אשרמשמש במהלך תהליךירי מגע של תאים סולאריים Si תעשייתי ( איור2A,B)4,,5. תהליך הירי הוא צעד מכריע בסוף ייצור תאים סולאריים תעשייתיים6. בשלב זה, אנשי הקשר של התא נוצרים7,8, ו passivation פני השטח מופעל9. כדי להשיג בהצלחה את האחרון, יש לממש במדויק את פרופיל טמפרטורת הזמן במהלך תהליך הירי(איור 2C). לכן, בקרת טמפרטורה יעילה מספיקה נדרשת. פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת IR לתוך תנור מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולהעריך את התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית של אובייקט יעד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. התקנת מצלמת IR לתוך תנור מסוע
- החלט איזה חלק של הכבשן צריך להימדד על-ידי מצלמת ה- IR.
הערה: כאן נבחר אזור השיא של תהליך הירי (ראה האזור המודגש בכתום באזור הירי של איור 1א'). - הגדר את טווח הטמפרטורה של עניין שמצלמת ה- IR אמורה לזהות (לדוגמה, 700-900°C, טווח טמפרטורת השיא האופייני של תהליך הירי).
- לקבוע, או לפחות להעריך (באמצעות ניסויים או ספרות), את הטמפרטורה, ספקטרלי, ופליטה תלויזוויתית של האובייקטים (למשל, תא סולרי סיליקון) כדי לזהות את טווח אורך הגל של הפליטה הגבוהה ביותר עבור טווח הטמפרטורה של עניין (תחת זווית מצלמה ספציפית).
הערה: כאן, הפליטה מוערכתבהתבסס על ספרות קודמת 3 ותוכנה בשם RadPro10, המחשבת את האמיסה הספקטרלית, הזוויתית ותלויה בטמפרטורה עבור חומרים בעלי עניין. - החלטה על סוג מצלמת IR
הערה: כאן, נעשה שימוש במצלמת אינפרה-אדום (MWIR) של אינדיום אנטי-מונייד (InSb)(טבלת חומרים).- בחר מצלמה שיכולה לזהות את טווח הטמפרטורות של עניין.
- בחר מצלמה שטווח אורך הגל של הזיהוי שלה תואם לטווח אורך הגל של הפליטה הגבוהה ביותר של אובייקט העניין בטווח הטמפרטורה של העניין.
- הימנע מזיהוי קרינה טפילית על-ידי המצלמה ככל האפשר על-ידי הימנעות מחפצים הפולטים או משקפים קרינה בשדה המצלמה (לדוגמה, מנורות IR בכבשן).
- החלט על הרזולוציה המרחבית והזמנית הנחוצה של המצלמה (לדוגמה, 640 px x 512 px ו- 125 הרץ [תמונה מלאה] עבור המצלמה המשומשת כאן).
- מימוש נתיב אופטי מספיק ממצלמת ה- IR לאובייקט (ראה איור 1ב').
- הימנע מחפצים מטרידים בנתיב האופטי (לדוגמה, מנורות IR הגורמות לאור ישיר או משתקף).
- מקם את המצלמה מחוץ לתא הכבשן, אם הדבר אפשרי.
הערה: ברוב המצלמות יש טמפרטורות הפעלה נמוכות (לדוגמה, עד 50 °C). ודא מראש שניתן לשנות את מיקום המצלמה, אם תרצה. - הסר את קיר הכבשן ואת הבידוד במיקום שבו אמור להיות הנתיב האופטי והחלף את החור בחלון IR מבודד.
- בחר את החומר המתאים עבור החלון העומד בדרישות הבאות: 1) שקוף ככל האפשר עבור טווח אורך הגל של הזיהוי של המצלמה (לדוגמה, חלון זכוכית קוורץ עבור ~ 0.2 μm < ρ < 3 μm, חלון ספיר עבור ~ 0.4 μm < ρ < 4.2 μm) ו 2) מסוגל לבודד את תא הכבשן תרמית.
הערה: הטמפרטורות המתוברות של החלון עשויות להשפיע על שידור החלון. - הימנע מנזק של חלון ה- IR. אין להדק את החלון כדי למנוע שבירה במהלך הרחבת החום.
הערה: חומר החלון צריך להיות כמות מספקת של שטח כדי להרחיב בעת מחומם.
- בחר את החומר המתאים עבור החלון העומד בדרישות הבאות: 1) שקוף ככל האפשר עבור טווח אורך הגל של הזיהוי של המצלמה (לדוגמה, חלון זכוכית קוורץ עבור ~ 0.2 μm < ρ < 3 μm, חלון ספיר עבור ~ 0.4 μm < ρ < 4.2 μm) ו 2) מסוגל לבודד את תא הכבשן תרמית.
- בדוק את שדה התצוגה שנוצר (FOV) של מצלמת ה- IR על-ידי בדיקת תמונת התרמוגרפיה באמצעות תוכנת מצלמת IR. זהה את האובייקט המיועד ואת הטמפרטורה שלו בתדמית התרמוגרפיה. כוונן את FOV, במידת הצורך.
2. תיקון טמפרטורת לקוח גלובלי של מצלמת IR מכוילת ייצור
התראה: ייצור מצלמת ה- IR הוא הניח לכלול כיול רדיומטרי.
- תבחין בחפצים אופטיים מקומיים, כגון השתקפות וקרינה ברקע.
- ערוך מדידות תרמיות קלאסיות של האובייקט ובו-זמנית הקלטת הוופל כולל thermocouple עם מצלמת IR.
- בדוק את תוקפם של התרמוקופלים המשומשים. חפש נקודות טמפרטורה אופייניות מוכרות בפרופיל הטמפרטורה של האובייקט המעובד שניתן לזהות בבירור (לדוגמה, הפרעה בקו חלק). אם התרמוקופל מודד נקודות טמפרטורה אלה כראוי, קרוב לוודאי שהתרמוקופל מכויל כראוי.
- דוגמה באמצעות תאים סולריים סיליקון
- מניחים את התרמוקופל בצד האחורי של הוופל. קח פרופיל טמפרטורה עבור תהליך ירי סטנדרטי11.
- אמת את התרמוקופלים על-ידי קביעה אם קיימת הפרעה בפרופיל הטמפרטורה מהצעד 2.2.2.1 סביב הטמפרטורה האו-לקטית של אל-סי של 577°C בצורה של עקומה מחמיאה (כפי שאירע באיור 2D).
הערה: אם ההפרעה מתרחשת בטמפרטורה סביב 577 °C, זה סימן כי מדידת הטמפרטורה על ידי thermocouple הוא מדויק. השתמש רק באופלי תרמית מאומתים עבור השלבים הבאים.
- נהל מדידות תרמיות בטווח הטמפרטורה של עניין באותו נקודת אובייקט (מספר פעמים מסיבות סטטיסטיות), ולאחר מכן בנקודות אקראיות שונות מרחבית (מסיבות סטטיסטיות) כדי להשיג פרופילים בטמפרטורת זמן.
- לקבוע את טמפרטורת אובייקט התרמוגרפיה המקומית שלא תוקן מתחת לתרמוקופלים ממדידות התרמוקופל מהצעד 2.2.3 תוך הצבת התרמוקופל בצד העליון של האובייקט.
- בדוק אם ייתכן ירידה בטמפרטורה המקומית סביב thermocouple יצירת קשר (בשל פיפוג חום וההפללה). הנח את הטמפרטורה בקרבת thermocouple כמו טמפרטורת האובייקט ישירות מתחת thermocouple, אם ירידה בטמפרטורה המקומית אינה קיימת.
- בצע את השלבים הבאים אם קיים ירידה בטמפרטורה מקומית.
- לקבוע את מעבר הצבע של הטמפרטורה המרחבית של ירידה בטמפרטורה הנוכחית בחלק שלא מכוסה על ידי thermocouple.
הערה: מומלץ לקבוע את מעבר הצבע בנקודות מרובות סביב ירידה בטמפרטורה (רדיאלית) ולקבוע מעבר צבע ממוצע. - להעריך את התרומה של חפצים אופטיים אפשריים המושרה על ידי thermocouple (פרוטוקול לדוגמה עבור מקרה שבו טמפרטורה הומוגנית לאורך כיוון עומק התא הוא הניח, כגון בתאים סולאריים Si).
- מקם את התרמוקופל על פני השטח מול המשטח הנמדד וחזור על מדידת התרמוקופל והתרמוגרפיה בתצורה זו (כפי שמתואר באיור 3א'). סובב את האובייקט, כולל thermocouple, מסביב כך thermocouple לא יהיה בנתיב האופטי בין המצלמה לאובייקט.
הערה: אם מעבר הצבע של ירידה בטמפרטורה המקומית זהה עבור thermocouple להיות בתוך ומחוץ לנתיב האופטי (כלומר, מצורף למשטח נמדד או הנגדי), זה סימן כי thermocouple ככל הנראה אינו לגרום לחפצים אופטיים. - להשער את מעבר הצבע של ירידה בטמפרטורה במקרה של thermocouple יצירת קשר עם פני השטח נמדד (כלומר, בתוך נתיב אופטי) לאזור מכוסה על ידי thermocouple כדי לקבל את הטמפרטורה של האובייקט מתחת thermocouple.
- חזור על 2.3.2.2.2 עבור כל מדידה מ- 2.2.3.
- מקם את התרמוקופל על פני השטח מול המשטח הנמדד וחזור על מדידת התרמוקופל והתרמוגרפיה בתצורה זו (כפי שמתואר באיור 3א'). סובב את האובייקט, כולל thermocouple, מסביב כך thermocouple לא יהיה בנתיב האופטי בין המצלמה לאובייקט.
- לקבוע את מעבר הצבע של הטמפרטורה המרחבית של ירידה בטמפרטורה הנוכחית בחלק שלא מכוסה על ידי thermocouple.
- חלופה 2.3: לקבוע את טמפרטורת אובייקט תרמיה לא תרמוגרפיה מקומית מתחת thermocouples ממדידות thermocouple מ צעד 2.2.3 תוך הצבת thermocouple בצד התחתון של האובייקט. כדי לקבוע את טמפרטורת התא הסולארי התרמוגרפי הלא תוקן המקומי מתחת לתרמוקופל, לחלץ את הטמפרטורה המקומית במיקום של thermocouple.
הערה: שמירה על התרמוקופל בצד האחורי מונעת מהתרמוקופל לחסום את המראה על-ידי המצלמה. לכן, מצד אחד, תיקון הטמפרטורה הוא פשוט יותר באופן משמעותי. מצד שני, thermocouples בדרך כלל אינם ממוקמים בצד התחתון של האובייקט במהלך תהליך הירי, ובכך עלול להוביל לסיבוכים תפעוליים, ולכן חלופה זו צריכה להתבצע בזהירות רבה במיוחד. - תקן את תמונת התרמוגרפיה הלא מתוקנת ביחס לטמפרטורות הנמדדות של תרמיקופל עם הנתונים שנוצרו בשלבים 2.3 או 2.4.
- התווה את הטמפרטורות הנמדדות באמצעות תרמוקופלסים כנגד הטמפרטורות שנקבעו באמצעות תרמוגרפיה IR לא תקנו. לבצע התאמת עקומה.
- החל את העקומה שהושגה המתאימה כנוסחת תיקון כללי אחידה עבור תמונת התרמוגרפיה הלא תירנכון.
- חזור על תיקון הטמפרטורה עבור כל סוג או תצורה חדשים של אובייקט, במיוחד כאשר הפרמטרים האופטיים שונים.
3. הערכה של התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית באמצעות תרמוגרפיה IR
הערה: תנאי הירי הם הניחים להיות זהים עבור סעיף זה.
- יצירת מפת התפלגות טמפרטורת שיא דו-ממדית (ראה איור 4A)
- כתוב קובץ Script עם שפת תכנות מתאימה כדי לעקוב אחר טמפרטורת אובייקט פני השטח עבור כל נקודת פני השטח של אובייקט לאורך כל המצלמה FOV, כלומר פועל כמו "thermocouple וירטואלי" ממוקם בכל נקודות אובייקט בו זמנית.
הערה: כאן, התסריט נכתב ב- MATLAB. - לחלץ את הערך המרבי, כלומר טמפרטורת השיא, עבור כל נקודת אובייקט ולתכנן טמפרטורות אלה במפת התפלגות דו-ממדית מתאימה.
- כתוב קובץ Script עם שפת תכנות מתאימה כדי לעקוב אחר טמפרטורת אובייקט פני השטח עבור כל נקודת פני השטח של אובייקט לאורך כל המצלמה FOV, כלומר פועל כמו "thermocouple וירטואלי" ממוקם בכל נקודות אובייקט בו זמנית.
- התפלגות טמפרטורה ממוצעת בניצב לכיוון תפוקת האובייקט (ראה איור 4ב')
- בכיוון התפוקה: ממוצע התפלגות הטמפרטורה הדו-ממדית בממד ההפוכה לכיוון התפוקה. מה שנשאר, הוא התפלגות הטמפרטורה הממוצעת 1D בכיוון התפוקה.
- ניצב לכיוון התפוקה: ממוצע התפלגות הטמפרטורה הדו-ממדית בממד שנמצא בכיוון תפוקה. מה שנשאר, הוא התפלגות הטמפרטורה הממוצעת 1D ניצב לכיוון התפוקה.
הערה: מומלץ להשמט את סנטימטר האחרון (לפחות) של הקצה עבור ממוצע מאז חפצים אופטיים בקצה האובייקט עשוי לזייף את ממוצע הטמפרטורה שנוצר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כפי המוצג באות 3B-D, האובייקט לדוגמה (כאן, תא סולרי מסיליקון; לעצם, מקרן פאסיב ותא אחורי [PERC]12; איור 2A,B) ניתן לזהות בבירור על-ידי מצלמת IR בתצורות שונות4. התצורות השונות הן מטליותמונו-פייסיות (איור 3B),מטאליות דו-פייסית 13 (איור 3C) ודוגמאותPERC לא ממתיימות(איור 3D). ההבדל בין התצורה monofacial ו bifacial הוא כי הראשון יש שכבת אלומיניום שטח מלא, ואילו האחרון יש רשת תבנית H (בדומה לצד הקדמי כסף) בצד האחורי. כאן, מצלמת IR הייתה ממוקמת באופן שהמצלמה FOV תפסה את טמפרטורת השיא של תהליך הירי. שלב השיא הוא השלב המכריע ביותר בתהליך הירי, שכן המגעים נוצרים למעשה בשלב זה14. כאן, טווח הטמפרטורה של עניין דומה לטווח טמפרטורת השיא האופייני של תהליך הירי (כלומר, 700-900 °C1).
עבור טווח הטמפרטורה האחרון, emissivity ספקטרלי הוא גבוה למדי הומוגני קצר, באמצע, וארוך אורך גל ספקטרוםאינפרא אדום 3. שכבת ספיר כפולה שימשה כחלון טרנסמיסיבי, המאפשרת שידור טוב בספקטרה אורך גל IR קצר באמצע. על מנת למזער את זיהוי האור ממנות ה-IR של הכבשן (אורך גל שיא בטווח אינפרא אדום קצר באורך גל), נבחר סוג מצלמת IR עם InSb כחומר גלאי, עם טווח זיהוי של 3.7-4.1 μm (כולל מסננים). ניתן לזהות רק שליש מהוופל בכיוון התפוקה בו-זמנית. עם זאת, זה היה מספיק לעבודה זו, שכן הוופל עובר את שדה התצוגה הקיים לחלוטין. באופן טבעי, תמונות תרמוגרפיה מתוקנות טמפרטורה מוצגות כאן. לנכון למפורש, התמונה מתוקנת בטמפרטורה ביחס לתאים הסולריים.
כפי שניתן לראות באיור 3A, thermocouple יצירת קשר בצד השני של הנתיב האופטי גרם לירידה בטמפרטורה סביב עצמו (עם ירידה בטמפרטורה של 10 K), ככל הנראה בשל פיפוג חום וההפללה. הירידה האחרונה חשובה כדי להעריך את טמפרטורת התא במהלך ירי ללא תאוות תרמיות, בהשוואה לטמפרטורה הנמדדת על ידי thermocouple. כאן, התא היה ממוקם על מסגרת כאשר פנה על ידי thermocouple (איור 3E). פיפוג החום על ידי המסגרת גרם לירידה בטמפרטורה של כ-10 K. יחד עם טיפת החום הנוספת על ידי thermocouple, האחרון נמדד בטמפרטורה נמוכה יותר של 20 K ממה שהתאים הציגו במהלך עיבוד סטנדרטי (ללא ציוד תרמיקופל). חשוב להעריך את ההיסט האחרון עבור מערכת תרמוקופל בשימוש, אשר מבוצעת בעזרת תרמוגרפיה, כפי שהראה. מצלמת ה-IR מאפשרת התבוננות על פיזור החום המקומי של התאים על ידי המסוע אם הוא מונח ישירות על החגורה(איור 3F). זו הסיבה מדוע תאים ממוקמים בדרך כלל על הגבהים חגורה כדי למזער את המגע בינם לבין החגורה.
איור 4 מציג את התפלגות טמפרטורת פני השטח. מאז תאים סולריים סיליקון הם בדרך כלל סביב 160 μm עבה ומעובד בכבשן עבור 30 s, סביר להניח כי התפלגות הטמפרטורה לאורך עומק התא הוא הומוגני. לכן, התוצאות ככל הנראה מצביעות על התפלגות טמפרטורה ולא רק התפלגות טמפרטורת פני השטח. מול כיוון התפוקה, הושג מעבר צבע טמפרטורה ממוצע של 1 K/cm. בכיוון התפוקה, הרבעון הנכנס היה קר יותר באופן משמעותי ממנוחת הוופלים הנגררת. החלק הנכנס הקר יותר חווה מעבר צבע של 7 K/cm, בעוד החלק נגרר חם יותר חווה הדרגתי של 0.5 K/ס"מ.
בשני הכיוונים, קצוות התא (2 ס"מ הנותרים) התעלמו לקביעת מעברי הצבע, מאז הטמפרטורה שזוהתה בקצוות מעורבב עם הגבול החיצוני הקר יותר של התאים, וכתוצאה מכך טמפרטורות שווא. איור 4C מציג התפלגות טמפרטורה דו-מית-מית-מרשימה מייצגת של תא סולרי חד-פאסיאלי, שלא היה מטאלי בצד הקדמי. המגמות הנ"ל באותו אופן תחבורה מנוגד נצפו גם כאן. בסך הכל, תוצאות אלה חושפות כי התאים הסולריים בעבודה זו חוו רמה מסוימת של אי-חומוסנות טמפרטורה מרחבית.
איור 1: הציוד החשוב ביותר המשמש בפרוטוקול. (א)תכנית רוחבית של תנור המסוע. לוח איור זה שונה מ Ourinson ואח'. (ב)אזור אש אחרון מוגדל, המדעין את ההתקנה של מערכת התרמוגרפיה. 1) קיר תנור ובידוד, 2) מצלמת IR, 3) מנורות IR, 4) חלון בידוד, 5) כיוון הובלת אובייקט, 6) מצלמה FOV, 7) חגורת תחבורה, 8) אובייקט, ו 9) תוכנת תרמוגרפיה. לוח איור זה שונה מ Ourinson ואח'. (ג)תנור הירי המשמש במהלך פרוטוקול זה. (ד)תמונה הממחישה את מצלמת ה- IR המשמשת ואת חלון ה- IR הטרנס-מנועצע הממוקם בכבשן הירי. המספרים תואמים למספרים מפאנלים A ו- B. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: אובייקטים מדודים והטמפרטורות שלהם. (A)חתך רוחב סכמטי של תא סולרי PERC מונופקי. (ב)תצוגה קדמית (משמאל) ואחורית (מימין) של תא PERC תעשייתי. (ג)פרופיל טמפרטורת זמן תעשייתי נמדד תרמיקופל של תא שמש PERC במהלך תהליך הירי, כולל פילוח לשלבים ומקטע, אשר מכוסה על ידי שדה המצלמה של תצוגה. נתון זה שונה מ-Ourinson ואח'5. (ד)הדגמה של שיבוש סביב הטמפרטורהeutectic( TEUT) של אלומיניום וסיליקון בפרופיל ירי נמדד על ידי thermocouple, כאשר thermocouple ממוקם בצד האחורי אלומיניום של התא הסולארי. נתון זה שונה מ-Ourinson ואח'5. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: תמונות תרמוגרפיות מתוקנות טמפרטורה מייצגות של תאי שמש PERC עבור תנאי ירי זהים. (א)ירידה בטמפרטורה המקומית גלויה הנגרמת על ידי מגע של thermocouple מהצד האחורי. (ב)תמונת תרמוגרפיה של שליש עליון של תא PERC מטלתי חד-פקתי, כולל (1) מוטות אוטובוס גלויים (2) המוצבים על המסוע הנראה. TAV מראה את הטמפרטורה הממוצעת על הוופל. (ג)תמונת תרמוגרפיה של תא PERC מטאלי דו-ציאלי. (ד)תמונת תרמוגרפיה של וופל PERC ללא תסתור. (ה)תמונת תרמית של וופל הממוקם על מסגרת תרמיקופל וצורת קשר עם תרמוקופל. TTC מראה את טמפרטורת הוופל נמדד על ידי thermocouple. (ו)תמונת תרמיוגרפיה של וופל הממוקם ישירות על המסוע. (G)מפת צבע של טווח הטמפרטורה הנמדדת על-ידי מצלמת IR. נתון זה שונה מ-Ourinson ואח'5. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: התפלגות טמפרטורה של תא סולרי PERC עבור תנאי ירי זהים. (א) התפלגות טמפרטורת שיא 2D של תא שמש PERC מונופקי מהצד הקדמי. (ב) התפלגות ממוצעת של טמפרטורת שיא (תמונה ימנית) בניצב (תמונה שמאלית) לכיוון תעבורת התא." לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בדרך כלל, טמפרטורת התרמוגרפיה מתוקנת באמצעות מדידה והתאמה של הפרמטרים האופטיים של האובייקט, חלון ותיב transmissive, וטמפרטורה סביבתית של האובייקט וחלון transmissive2. כשיטה חלופית, טכניקה לתיקון טמפרטורה המבוססת על מדידות תרמיקופל מתוארת בפרוטוקול זה. עבור השיטה האחרונה, אין צורך בידע על הפרמטרים שהוזכרו לעיל. עבור היישום המוצג כאן, שיטה זו מספיקה. עם זאת, לא ניתן להבטיח כי שיטת thermocouple מספיק עבור כל יישומי תרמוגרפיה בתנור מסוע.
בפרוטוקול, מוצע תיקון טמפרטורה גלובלי אחיד של תמונת התרמוגרפיה; למרות, זה מדויק יותר כדי לתקן את הטמפרטורה נפתרה מרחבית. עם זאת, נמצא כי תיקון הטמפרטורה האחיד מתאים יותר במקרים של אובייקטים נעים. יתר על כן, הוא נועד לתקן את הטמפרטורה של האובייקט ולא את האובייקטים שמסביב (למשל, החגורה והקירות).
כפי שהוזכר בשלב 2.3.2.2, הדוגמה המסופקת כאן היא ההנחה שיש התפלגות טמפרטורה הומוגנית לאורך עומק האובייקט. במקרים של עצמים עם התפלגות טמפרטורה לא הומוגנית לאורך מעמקיהם, הטמפרטורה על משטח אחד אינה דומה לטמפרטורה על פני השטח הנגדיים. לפיכך, השלבים המתוארים בסעיף 2.3.2.2 אינם חלים על אירועים אלה. יש להמשיך לחקר פתרון לחלוקת טמפרטורה לא-הומוגנית לאורך עומק האובייקט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
לסופרים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת על ידי המשרד הפדרלי הגרמני לעניינים כלכליים במסגרת הפרויקט "Feuerdrache" (0324205B). המחברים מודים לשותפים שתרמו לעבודה זו ולשותפים בפרויקט (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) על מימון משותף ומתן תמיכה יוצאת דופן.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Datalogger incl. Thermal barrier | Datapaq Ltd. | ||
| IR thermography camera "Image IR 8300" | InfraTec GmbH | ||
| IR thermography software "IRBIS Professional 3.1" | InfraTec GmbH | ||
| Solar cells | Fraunhofer ISE | ||
| Solar firing furnace "RFS 250 Plus" | Rehm Thermal Systems GmbH | ||
| Sheath thermocouples type K | TMH GmbH | ||
| Thermocouple quartzframe | Heraeus Noblelight GmbH |
References
- Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , Springer. Heidelberg, Germany. (2018).
- Breitenstein, O., Warta, M. W. Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , Springer. Heidelberg, Germany. (2010).
- Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures. Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).
- Ourinson, D., et al. In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography. Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270 (2019).
- Ourinson, D., et al. In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography. AIP Conference Proceedings. 2156, 020013 (2019).
- Cooper, I. B., et al. Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells. IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).
- Schubert, G., Huster, F., Fath, P. Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).
- Rauer, M., et al. Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells. IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).
- Pawlik, M., Vilcot, J. -P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches. Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21 (2015).
- Lee, B. J., Zhang, Z. M. RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing. 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , Santa Barbara, CA. (2005).
- Temperature Measurements. , Available from: https://meettechniek.info/measuring/temperature.html (2020).
- Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. 22.8% efficient silicon solar cell. Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).
- Dullweber, T., et al. PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).
- Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC. AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).
