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Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 Zelle^7,,8, gebildet und die Oberflächenpassivierung wird^{aktiviert 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.

Protocol

1. Installation der IR-Kamera in einen Förderbandofen 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). Definieren Sie den von der IR-Kamera zu erfassenden Temperaturbereich (z. B. 700 bis 900 °C, den typischen Spitzentemperaturbereich des Brennvorgangs). Bestimmen oder zumindest schätzen (durch Experimente oder Literatur), die temperatur-, spektralen und winkelabhängigen Emissionen der von Interesse befindlichen Objekte (z. B. Silizium-Solarzelle), um den Wellenlängenbereich(n) der höchsten Emission für den Temperaturbereich (unter einem bestimmten Kamerawinkel) zu identifizieren.HINWEIS: Hier wird die Emission auf der Grundlage früherer Literatur3 und einer Software namens RadPro10geschätzt, die die spektrale, winkelförmige und temperaturabhängige Emissivität für Materialien von Interesse berechnet. Entscheidung über den IR-KameratypHINWEIS: Hier wird eine Midwave-Infrarot-Indium-Antimonid-Kamera (InSb)(Tabelle der Materialien) verwendet. Wählen Sie eine Kamera, die den Temperaturbereich erkennen kann. Wählen Sie eine Kamera aus, deren Erfassungswellenlängenbereich dem Wellenlängenbereich der höchsten Emission des Objekts entspricht, das im Temperaturbereich von Interesse ist. Vermeiden Sie so viel parasitäre Strahlungserkennung durch die Kamera wie möglich, indem Sie Objekte vermeiden, die Strahlung in das Sichtfeld der Kamera aussenden oder reflektieren (z. B. IR-Lampen in einem Ofen). Entscheiden Sie sich für die notwendige räumliche und zeitliche Auflösung der Kamera (z.B. 640 px x 512 px und 125 Hz [Vollbild] für die verwendete Kamera hier). Realisieren Sie einen ausreichenden optischen Pfad von der IR-Kamera zum Objekt (siehe Abbildung 1B). Vermeiden Sie störende Objekte im optischen Pfad (z. B. IR-Lampen, die direktes oder reflektiertes Licht verursachen). Positionieren Sie die Kamera nach Möglichkeit außerhalb der Ofenkammer.HINWEIS: Die meisten Kameras haben niedrige Betriebstemperaturen (z. B. bis zu 50 °C). Stellen Sie im Voraus sicher, dass die Kameraposition auf Wunsch geändert werden kann. Entfernen Sie die Ofenwand und die Isolierung an der Stelle, an der sich der optische Pfad befinden sollte, und ersetzen Sie das Loch durch ein isolierendes IR-Fenster. Wählen Sie das passende Material für das Fenster, das den folgenden Anforderungen entspricht: 1) so transparent wie möglich für den Erfassungswellenlängenbereich der Kamera (z.B. Quarzglasfenster für 0,2 m < 3 m, Saphirfenster für 0,4 m < 4,2 m) und 2) in der Lage, die Ofenkammer thermisch zu isolieren.HINWEIS: Die resultierenden Temperaturen des Fensters können die Fensterübertragung beeinflussen. Vermeiden Sie Beschädigungen des IR-Fensters. Ziehen Sie das Fenster nicht an, um Brüche bei der Wärmeausdehnung zu vermeiden.HINWEIS: Das Fenstermaterial sollte genügend Platz haben, um sich beim Aufwärmen zu erweitern. Überprüfen Sie das resultierende Sichtfeld (FOV) der IR-Kamera, indem Sie das Thermografiebild über die IR-Kamerasoftware untersuchen. Identifizieren Sie das Zielobjekt und seine Temperatur im Thermografiebild. Passen Sie ggf. den FOV an. 2. Globale Kundentemperaturkorrektur einer fertigungskalibrierten IR-Kamera VORSICHT: Bei der Herstellung der IR-Kamera wird davon ausgegangen, dass sie eine radiometrische Kalibrierung enthält. Erkennen Sie lokale optische Artefakte, z. B. Reflexion und Hintergrundstrahlung. Führen Sie klassische Thermoelementmessungen des Objekts durch und gleichzeitig die Aufnahme des Wafers einschließlich Thermoelements mit der IR-Kamera. Überprüfen Sie die Gültigkeit der verwendeten Thermoelemente. Suchen Sie nach bekannten charakteristischen Temperaturpunkten im Temperaturprofil des verarbeiteten Objekts, die deutlich sichtbar erkannt werden können (z.B. Störung in glatter Linie). Wenn das Thermoelement diese Temperaturpunkte richtig misst, wird das Thermoelement höchstwahrscheinlich korrekt kalibriert. Beispiel für Silizium-Solarzellen Legen Sie das Thermoelement auf die hintere Aluminiumseite des Wafers. Nehmen Sie ein Temperaturprofil für einen Standardbrennprozess11. Validieren Sie die Thermoelemente, indem Sie feststellen, ob das Temperaturprofil ab Schritt 2.2.2.1 um die Al-Si-Eutektiktemperatur von 577 °C in Form einer flacheren Kurve gestört ist (wie in Abbildung 2D).HINWEIS: Wenn die Störung bei der Temperatur um 577 °C auftritt, ist dies ein Zeichen dafür, dass die Temperaturmessung durch das Thermoelement genau ist. Verwenden Sie nur validierte Thermoelemente für die folgenden Schritte. Führen Sie Thermoelementmessungen im Temperaturbereich von Interesse am gleichen Objektpunkt (mehrmals aus statistischen Gründen) und dann an räumlich verschiedenen Zufallspunkten (aus statistischen Gründen) durch, um Zeit-Temperatur-Profile zu erhalten. Bestimmen Sie die lokale, nicht korrigierte Thermographie-Objekttemperatur unterhalb der Thermoelemente aus den Thermoelementmessungen ab Schritt 2.2.3, während Sie das Thermoelement auf der Oberseite des Objekts platzieren. Prüfen Sie, ob ein möglicher lokaler Temperaturabfall um das kontaktierende Thermoelement herum (aufgrund von Wärmeableitung und Schattierung) möglich ist. Nehmen Sie die Temperatur in der Nähe des Thermoelements als Objekttemperatur direkt unter dem Thermoelement an, wenn kein lokaler Temperaturabfall vorliegt. Führen Sie die folgenden Schritte aus, wenn ein lokaler Temperaturabfall vorliegt. Bestimmen Sie den räumlichen Temperaturgradienten des aktuellen Temperaturabfalls in dem Teil, der nicht vom Thermoelement abgedeckt wird.HINWEIS: Es wird empfohlen, den Gradienten an mehreren Stellen um den Temperaturabfall (radial) zu bestimmen und einen durchschnittlichen Gradienten zu bestimmen. Schätzen Sie den Beitrag möglicher optischer Artefakte, die durch das Thermoelement induziert werden (Beispielprotokoll für einen Fall, in dem eine homogene Temperatur entlang der Zelltiefenrichtung angenommen wird, z. B. in Si-Solarzellen). Legen Sie das Thermoelement auf die Oberfläche gegenüber der gemessenen Oberfläche und wiederholen Sie die Thermoelement- und Thermographiemessung in dieser Konfiguration (siehe Abbildung 3A). Drehen Sie das Objekt, einschließlich des Thermoelements, um, so dass sich das Thermoelement nicht im optischen Pfad zwischen Kamera und Objekt befindet.HINWEIS: Wenn der Gradient des lokalen Temperaturabfalls für das Thermoelement innerhalb und außerhalb des optischen Pfades gleich ist (d. h. an der gemessenen oder gegenüberliegenden Oberfläche befestigt ist), ist dies ein Zeichen dafür, dass das Thermoelement höchstwahrscheinlich keine optischen Artefakte induziert. Extrapolieren Sie den Gradienten des Temperaturabfalls im Falle des Thermoelements, das die gemessene Oberfläche (d. h. innerhalb des optischen Pfades) mit dem vom Thermoelement abgedeckten Bereich in Kontakt mit ihr in Kontakt kommt, um die Temperatur des Objekts unter dem Thermoelement zu erhalten. Wiederholen Sie 2.3.2.2.2 für jede Messung ab Schritt 2.2.3. Alternative zu 2.3: Bestimmen Sie die lokale unkorrigierte Thermographie-Objekttemperatur unterhalb der Thermoelemente aus den Thermoelementmessungen ab Schritt 2.2.3, während Sie das Thermoelement auf der Unterseite des Objekts platzieren. Um die lokale unkorrigierte Thermographie-Solarzellentemperatur unter dem Thermoelement zu bestimmen, extrahieren Sie die lokale Temperatur an der Position des Thermoelements.HINWEIS: Das Thermoelement auf der Rückseite zu halten, verhindert, dass das Thermoelement die Sicht auf das Objekt durch die Kamera blockiert. Daher ist einerseits die Temperaturkorrektur deutlich einfacher. Andererseits sind Thermoelemente während des Brennvorgangs in der Regel nicht auf der Unterseite des Objekts positioniert, was zu betrieblichen Komplikationen führen kann, weshalb diese Alternative besonders sorgfältig durchgeführt werden muss. Korrigieren Sie das nicht korrigierte Thermografiebild in Bezug auf die gemessenen Temperaturen des Thermoelements mit den daten, die aus den Schritten 2.3 oder 2.4 generiert wurden. Zeichnen Sie die gemessenen Temperaturen über Thermoelemente gegen die ermittelten Temperaturen über eine unkorrigierte IR-Thermographie. Führen Sie eine Kurvenanpassung durch. Wenden Sie die erhaltene Kurvenanpassung als allgemeine einheitliche globale Korrekturformel für das nicht korrigierte Thermografiebild an. Wiederholen Sie die Temperaturkorrektur für jeden neuen Objekttyp oder jede neue Konfiguration, insbesondere wenn sich die optischen Parameter unterscheiden. 3. Auswertung der räumlichen Oberflächentemperaturverteilung mittels IR-Thermographie HINWEIS: Es wird davon ausgegangen, dass die Brennbedingungen für diesen Abschnitt identisch sind. Erstellung einer zweidimensionalen Spitzentemperaturverteilungskarte (siehe Abbildung 4A) Schreiben Sie ein Skript mit einer geeigneten Programmiersprache, um die Oberflächenobjekttemperatur für jeden Objektoberflächenfleck entlang der gesamten Kamera-FOV zu verfolgen, d. h. als “virtuelles Thermoelement” zu fungieren, das an allen Objektflecken gleichzeitig platziert wird.HINWEIS: Hier wird das Skript in MATLAB geschrieben. Extrahieren Sie den Maximalwert, d. h. die Spitzentemperatur, für jeden Objektpunkt und zeichnen Sie diese Temperaturen in einer entsprechenden 2D-Verteilungskarte auf. Durchschnittliche Temperaturverteilung in und senkrecht zur Objektdurchsatzrichtung (siehe Abbildung 4B) In Durchsatzrichtung: Durchschnittlich die 2D-Temperaturverteilung in der Dimension, die der Durchsatzrichtung entgegengesetzt ist. Was bleibt, ist die durchschnittliche 1D-Temperaturverteilung in Durchsatzrichtung. Senkrecht zur Durchsatzrichtung: Durchschnittlich die 2D-Temperaturverteilung in der Dimension, die sich in Durchsatzrichtung befindet. Was bleibt, ist die durchschnittliche 1D-Temperaturverteilung senkrecht zur Durchsatzrichtung.HINWEIS: Es wird empfohlen, den letzten Zentimeter (mindestens) der Kante für die Mittelung wegzulassen, da optische Artefakte am Objektrand den resultierenden Temperaturdurchschnitt verfälschen könnten.

Representative Results

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…

Discussion

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 transmissiven^{Fensters 2}korrigiert. 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…

Materials

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