Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
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Protocol
1. Instalación de la cámara IR en un horno de cinta transportadora
- 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). - 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).
- Determinar, o al menos estimar (a través de experimentos o literatura), la temperatura, las emisiones dependientes espectrales y angulares de los objetos de interés (por ejemplo, la célula solar de silicio) para identificar los rangos de longitud de onda de emisión más alta para el rango de temperatura de interés (bajo un ángulo de cámara específico).
NOTA: Aquí, la emisión se estima sobre la base de la literatura anterior3 y un software llamado RadPro10, que calcula la emisividad espectral, angular y dependiente de la temperatura para materiales de interés. - Decidir sobre el tipo de cámara IR
NOTA: Aquí se utiliza una cámara antimonida de indio de indium de onda media (MWIR)(InSb) (Tabla de materiales).- Elija una cámara que pueda detectar el rango de temperatura de interés.
- Seleccione una cámara cuyo rango de longitud de onda de detección coincida con el rango de longitud de onda de mayor emisión del objeto de interés en el rango de temperatura de interés.
- Evite la mayor detección de radiación parasitaria posible por parte de la cámara evitando objetos que emitan o reflejen la radiación en el campo de visión de la cámara (por ejemplo, lámparas IR en un horno).
- Decide la resolución espacial y temporal necesaria de la cámara (por ejemplo, 640 px x 512 px y 125 Hz [imagen completa] para la cámara usada aquí).
- Realice una trayectoria óptica suficiente desde la cámara IR hasta el objeto (consulte la figura 1B).
- Evite perturbar objetos en la trayectoria óptica (por ejemplo, lámparas IR que causen luz directa o reflejada).
- Coloque la cámara fuera de la cámara del horno, si es posible.
NOTA: La mayoría de las cámaras tienen bajas temperaturas de funcionamiento (p. ej., hasta 50 oC). Asegúrese de que la posición de la cámara se puede cambiar, si lo desea. - Retire la pared del horno y el aislamiento en el lugar donde debe estar la trayectoria óptica y reemplace el orificio con una ventana IR aislante.
- Elija el material adecuado para la ventana que cumpla con las siguientes exigencias: 1) lo más transparente posible para el rango de longitud de onda de detección (o) de la cámara (p. ej., ventana de vidrio de cuarzo para 0,2 m < < 3 m, ventana de zafiro para 0,4 m < 4,2 m) y 2) capaz de aislar la cámara térmica del horno.
NOTA: Las temperaturas resultantes de la ventana pueden influir en la transmisión de la ventana. - Evite daños en la ventana IR. No apriete la ventana para evitar roturas durante la expansión del calor.
NOTA: El material de la ventana debe tener una cantidad suficiente de espacio para expandirse cuando se calienta.
- Elija el material adecuado para la ventana que cumpla con las siguientes exigencias: 1) lo más transparente posible para el rango de longitud de onda de detección (o) de la cámara (p. ej., ventana de vidrio de cuarzo para 0,2 m < < 3 m, ventana de zafiro para 0,4 m < 4,2 m) y 2) capaz de aislar la cámara térmica del horno.
- Compruebe el campo de visión resultante (FOV) de la cámara IR examinando la imagen de termografía a través del software de la cámara IR. Identifique el objeto objetivo y su temperatura en la imagen de termografía. Ajuste el FOV, si es necesario.
2. Corrección global de la temperatura del cliente de una cámara IR calibrada de fabricación
ADVERTENCIA: Se supone que la fabricación de la cámara IR incluye una calibración radiométrica.
- Detecte artefactos ópticos locales, como la reflexión y la radiación de fondo.
- Realice mediciones clásicas del termopar del objeto mientras graba simultáneamente la oblea, incluido el termopar con la cámara IR.
- Compruebe la validez de los termopares utilizados. Busque puntos de temperatura característicos conocidos en el perfil de temperatura del objeto procesado que puedan detectarse claramente visiblemente (por ejemplo, interrupción en una línea suave). Si el termopar mide estos puntos de temperatura correctamente, lo más probable es que el termopar esté correctamente calibrado.
- Ejemplo de uso de células solares de silicio
- Coloque el termopar en el lado trasero de aluminio de la oblea. Tome un perfil de temperatura para un proceso de cocción estándar11.
- Validar los termopares determinando si hay una interrupción en el perfil de temperatura del paso 2.2.2.1 alrededor de la temperatura eutéctica De Al-Si de 577 oC en forma de curva más plana (como es el caso en la Figura 2D).
NOTA: Si la interrupción se produce a una temperatura de alrededor de 577 oC, es una señal de que la medición de la temperatura por el termopar es precisa. Utilice únicamente termopares validados para los siguientes pasos.
- Realice mediciones de termopar en el rango de temperatura de interés en el mismo punto de objeto (varias veces por razones estadísticas), luego en varios puntos aleatorios espacialmente (por razones estadísticas) para obtener perfiles de temperatura-tiempo.
- Determinar la temperatura del objeto de termografía local no corregida debajo de los termopares de las mediciones del termopar del paso 2.2.3 mientras coloca el termopar en la parte superior del objeto.
- Compruebe si hay una posible caída de temperatura local alrededor del termopar en contacto (debido a la disipación de calor y el sombreado). Supongamos que la temperatura en las proximidades del termopar como la temperatura del objeto directamente debajo del termopar, si no hay una caída de temperatura local.
- Realice los pasos siguientes si hay una caída de temperatura local.
- Determinar el gradiente de temperatura espacial de la caída de temperatura actual en la parte que no está cubierta por el termopar.
NOTA: Se recomienda determinar el gradiente en varios puntos alrededor de la caída de temperatura (radialmente) y determinar un gradiente promedio. - Estimar la contribución de posibles artefactos ópticos inducidos por el termopar (ejemplo protocolo para un caso en el que se asume una temperatura homogénea a lo largo de la dirección de profundidad de la célula, como en las células solares Si).
- Coloque el termopar en la superficie opuesta a la superficie medida y repita la medición del termopar y la termografía en esta configuración (como se muestra en la Figura 3A). Gire el objeto, incluido el termopar, para que el termopar no esté en la trayectoria óptica entre la cámara y el objeto.
NOTA: Si el gradiente de la caída de temperatura local es el mismo para el termopar que se encuentra dentro y fuera de la trayectoria óptica (es decir, unido a la superficie medida o opuesta), es una señal de que el termopar probablemente no induce artefactos ópticos. - Extrapolar el gradiente de la caída de temperatura en el caso del termopar que entra en contacto con la superficie medida (es decir, dentro de la trayectoria óptica) al área cubierta por el termopar para obtener la temperatura del objeto debajo del termopar.
- Repita 2.3.2.2.2 para cada medición del paso 2.2.3.
- Coloque el termopar en la superficie opuesta a la superficie medida y repita la medición del termopar y la termografía en esta configuración (como se muestra en la Figura 3A). Gire el objeto, incluido el termopar, para que el termopar no esté en la trayectoria óptica entre la cámara y el objeto.
- Determinar el gradiente de temperatura espacial de la caída de temperatura actual en la parte que no está cubierta por el termopar.
- Alternativa a 2.3: Determine la temperatura del objeto termográfico local no corregido debajo de los termopares de las mediciones del termopar del paso 2.2.3 mientras coloca el termopar en el lado inferior del objeto. 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.
NOTA: Mantener el termopar en la parte trasera evita que el termopar bloquee la mira del objeto por la cámara. Por lo tanto, por un lado, la corrección de temperatura es significativamente más simple. Por otro lado, los termopares generalmente no se colocan en la parte inferior del objeto durante el proceso de cocción, por lo que podría conducir a complicaciones operativas, razón por la cual esta alternativa debe llevarse a cabo con mucho cuidado. - Corrija la imagen termografía no corregida con respecto a las temperaturas medidas del termopar con los datos generados a partir de los pasos 2.3 o 2.4.
- Trazar las temperaturas medidas a través de termopares contra las temperaturas determinadas a través de termografía IR no corregida. Llevar a cabo un ajuste de curva.
- Aplique el ajuste de curva obtenido como una fórmula de corrección global uniforme general para la imagen termografía no corregida.
- Repita la corrección de temperatura para cada nuevo tipo de objeto o configuración, especialmente cuando los parámetros ópticos difieren.
3. Evaluación de la distribución de la temperatura de la superficie espacial a través de termografía IR
NOTA: Se supone que las condiciones de cocción son idénticas para esta sección.
- Creación de un mapa de distribución de temperatura máxima bidimensional (véase la figura 4A)
- Escriba un script con un lenguaje de programación adecuado para realizar un seguimiento de la temperatura del objeto de superficie para cada punto de superficie del objeto a lo largo de toda la cámara FOV, es decir, actuando como un "termopar virtual" colocado en todos los puntos de objeto simultáneamente.
NOTA: Aquí, el script está escrito en MATLAB. - Extraiga el valor máximo, es decir, la temperatura máxima, para cada punto de objeto y trace estas temperaturas en un mapa de distribución 2D correspondiente.
- Escriba un script con un lenguaje de programación adecuado para realizar un seguimiento de la temperatura del objeto de superficie para cada punto de superficie del objeto a lo largo de toda la cámara FOV, es decir, actuando como un "termopar virtual" colocado en todos los puntos de objeto simultáneamente.
- Distribución de temperatura media en y perpendicular a la dirección de rendimiento del objeto (consulte la figura 4B)
- En la dirección de rendimiento: promedia la distribución de temperatura 2D en la dimensión que es opuesta a la dirección de rendimiento. Lo que queda es la distribución media de la temperatura 1D en la dirección de rendimiento.
- Perpendicular a la dirección de rendimiento: promedia la distribución de temperatura 2D en la dimensión que está en dirección de rendimiento. Lo que queda es la distribución media de la temperatura 1D perpendicular a la dirección de rendimiento.
NOTA: Se recomienda dejar fuera el último centímetro (al menos) del borde para el promedio, ya que los artefactos ópticos en el borde del objeto podrían falsificar el promedio de temperatura resultante.
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Representative Results
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),13 metalizadas bifacialmente (Figura 3C) y muestras PERC no metálicadas (Figura 3D). La diferencia entre la configuración monofacial y bifacial es que la primera tiene una capa de aluminio de área completa, mientras que la segunda tiene una rejilla de patrón H (similar a la parte delantera plateada) en la parte trasera. Aquí, la cámara IR se posicionó de manera que la cámara FOV capturara la temperatura máxima del proceso de cocción. La fase máxima es la fase más crucial durante el proceso de cocción, ya que los contactos se forman realmente durante esta fase14. Aquí, el rango de temperatura de interés se asemejaba al rango de temperatura máxima típico del proceso de cocción (es decir, alrededor de 700–900 oC1).
Para este último rango de temperatura, la emisividad espectral es bastante alta y homogénea en los espectros infrarrojos de longitud de onda corta, media y larga3. Una capa de zafiro doble se utilizó como una ventana transmisiva, lo que permite una buena transmisión en los espectros de longitud de onda IR corto y medio. Con el fin de minimizar la detección de luz de las lámparas IR del horno (longitud de onda máxima en el rango infrarrojo de longitud de onda corta), se eligió un tipo de cámara IR con InSb como material detector, con un rango de detección de 3,7 x 4,1 m (incluidos los filtros). Solo se puede detectar un tercio de la oblea en la dirección de rendimiento al mismo tiempo. Sin embargo, era suficiente para este trabajo, ya que la oblea pasa por completo el campo de visión existente. Naturalmente, las imágenes de termografía corregidas por temperatura se muestran aquí. Estrictamente hablando, la imagen se corrige con respecto a las células solares.
Como se puede ver en la Figura 3A, el termopar en contacto en el lado opuesto de la trayectoria óptica causó una caída de temperatura alrededor de sí mismo (con una caída de temperatura de 10 K), muy 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. Aquí, la celda se posicionó en un marco cuando se contactó con un termopar(Figura 3E). La disipación de calor por el marco causó una caída de temperatura de alrededor de 10 K. Junto con la caída de calor adicional por el termopar, este último midió una temperatura 20 K menor que lo que las células mostraron durante el procesamiento estándar (sin el equipo de termopar). Es importante estimar este último desplazamiento para el sistema de termopar utilizado, que se realiza con la ayuda de la termografía, como se muestra. La cámara IR permite la observación de la disipación de calor local de las células por la cinta transportadora si se coloca directamente en la correa (Figura 3F). Esta es la razón por la que las células generalmente se colocan en las elevaciones de la correa para minimizar el contacto entre ellas y la correa.
La Figura 4 muestra la distribución de la temperatura de la superficie. Dado que las células solares de silicio suelen estar alrededor de 160 m de espesor y se procesan en el horno durante 30 s, es probable que la distribución de la temperatura a lo largo de la profundidad de la célula sea homogénea. Por lo tanto, lo más probable es que los resultados sugieran una distribución de la temperatura en lugar de solo una distribución de la temperatura superficial. Frente a la dirección de producción, se obtuvo un gradiente de temperatura promedio de 1 K/cm. En la dirección de rendimiento, el cuarto de obleas entrantes era sustancialmente más frío que el resto de la oblea final. La porción entrante más fría experimentó un gradiente de 7 K/cm, mientras que la parte final más caliente experimentó un gradiente de 0,5 K/cm.
En ambas direcciones, los bordes de las celdas (los 2 cm restantes) fueron ignorados para la determinación de los gradientes, ya que la temperatura detectada en los bordes se mezcla con el límite exterior más frío de las celdas, lo que resultó en temperaturas falsas. La Figura 4C muestra una distribución representativa de la temperatura 2D de una célula solar monofacial, que no fue metalizada en la parte frontal. Las tendencias antes mencionadas en las mismas direcciones de transporte y opuestas también se observaron aquí. Con todo, estos resultados revelan que las células solares en este trabajo experimentaron un cierto grado de inhomogeneidad de temperatura espacial.
Figura 1: Equipo más importante utilizado en el protocolo. (A) Esquema lateral del horno de cinta transportadora. Este panel de figuras ha sido modificado de Ourinson et al.4. (B) Zona de disparo ampliada, visualizando la configuración del sistema de termografía. 1) Pared del horno y aislamiento, 2) cámara IR, 3) lámparas IR, 4) ventana aislante, 5) dirección de transporte de objetos, 6) cámara FOV, 7) correa de transporte, 8) objeto, y 9) software de termografía. Este panel de figuras ha sido modificado de Ourinson et al.4. (C) El horno de cocción utilizado durante este protocolo. (D) Imagen que ilustra la cámara IR usada y la ventana IR transmisiva colocada en el horno de cocción. Los números corresponden a los números de los paneles A y B. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Objetos medidos y sus temperaturas. (A) Sección transversal esquemática de una célula solar PERC monofacial. (B) Vista lateral delantera (izquierda) y trasera (derecha) de una celda PERC industrial. (C) Perfil de tiempo-temperatura industrial medido por termopar de una célula solar PERC durante el proceso de cocción, incluida la segmentación en fases y sección, que está cubierta por el campo de visión de la cámara. Esta cifra ha sido modificada de Ourinson et al.5. (D) Demostración de la interrupción en torno a la temperatura eutéctica(TEUT)de aluminio y silicio en un perfil de cocción medido por un termopar, cuando el termopar se coloca en la parte trasera de aluminio de la célula solar. Esta cifra ha sido modificada de Ourinson et al.5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Imágenes representativas de termografía de las células solares PERC para condiciones de disparo idénticas. (A) Descenso de temperatura local visible causado por el contacto de un termopar desde la parte trasera. (B) Imagen de la termografía superior de un tercio de una célula PERC metalizada monofacialmente, incluyendo (1) barras de bus visibles (2) colocadas en la cinta transportadora visible. TAV muestra la temperatura media en la oblea. (C) Imagen de la termografía de una célula PERC metalizada bifacialmente. (D) Imagen de la termografía de una oblea PERC nometallizada. (E) Imagen termografía de una oblea colocada en un marco de termopar y contactada por un termopar. TTC muestra la temperatura de la oblea medida por el termopar. (F) Imagen termografía de una oblea colocada directamente en la cinta transportadora. (G) Mapa a color del rango de temperatura medido por la cámara IR. Esta cifra ha sido modificada de Ourinson et al.5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Distribución de la temperatura de una célula solar PERC para condiciones de cocción idénticas. (A) Distribución de temperatura máxima 2D de una célula solar PERC monofacial desde el lado frontal. (B) Distribución media de la temperatura máxima en (imagen derecha) y perpendicular (imagen izquierda) a la dirección de transporte celular." Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
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 es suficiente. Sin embargo, no se puede garantizar que el método del termopar sea suficiente para todas las aplicaciones de termografía en un horno de cinta transportadora.
En el protocolo, se propone una corrección uniforme de la temperatura global de la imagen de termografía; aunque, es más preciso corregir la temperatura resuelta espacialmente. Sin embargo, se ha encontrado que la corrección uniforme de la temperatura es más apropiada en los casos de objetos en movimiento. Además, está destinado a corregir la temperatura del objeto en lugar de los objetos circundantes (por ejemplo, la correa y las paredes).
Como se menciona en el paso 2.3.2.2, se supone que el ejemplo proporcionado aquí tiene una distribución de temperatura homogénea a lo largo de la profundidad del objeto. En los casos de objetos con distribución de temperatura inhomogénea a lo largo de sus profundidades, la temperatura en una superficie no se asemeja a la temperatura en la superficie opuesta. Por lo tanto, los pasos descritos en la sección 2.3.2.2 no se aplican a estos casos. Se debe estudiar más a fondo una solución para la distribución de la temperatura inhomogénea a lo largo de la profundidad del objeto.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
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.
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
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