Yöntem makalesi

Sıralı Kızılötesi Termografi ile Konveyör Bant Fırınında Situ Yüzey Sıcaklığı Ölçümü

DOI:

10.3791/60963

⸱

30 Mayıs 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
1Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2InfraTec GmbH, 3Rehm Thermal Systems GmbH

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokol, bir konveyör bant fırınına kızılötesi kamera nın nasıl yerleştirilmeyeceği, fabrikada kalibre edilmiş bir IR kameranın müşteri düzeltmesinin nasıl yürütüldürün ve ilgi çekici bir nesnenin mekansal yüzey sıcaklığı dağılımının nasıl değerlendirilecece açıklanmaktadır. Örnek nesneler endüstriyel silikon güneş pilleri vardır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Konveyör bant fırınlarında işlenen nesnelerin yüzey sıcaklığının ölçülmesi, proses kontrolü ve kalite güvencesinde önemli bir araçtır. Şu anda konveyör bant fırınlarında işlenen nesnelerin yüzey sıcaklığı genellikle termokupllar ile ölçülür. Ancak, kızılötesi (IR) termometre, temassız, gerçek zamanlı ve uzamsal olarak çözümlenmiş bir yöntem olduğu için termokupl ölçümlerine göre birden fazla avantaj sunar. Burada, temsili bir kanıt-of-kavram örnek olarak, bir satırlı termografi sistemi başarıyla endüstriyel Si güneş hücrelerinin temas ateş süreci için kullanılan bir IR lamba sıyrık güneş ateş fırını, yüklenir. Bu protokol, bir konveyör bant fırınına ir kamera nın nasıl yerleştirilmeyeceği, fabrikada kalibre edilmiş bir IR kameranın müşteri düzeltmesinin nasıl yapılacağını ve hedef bir nesne üzerindeki mekansal yüzey sıcaklığı dağılımının değerlendirmesini nasıl gerçekleştireceklerini açıklar.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Konveyör bant fırın1'de işlenen nesnelerin proses1 kontrolü ve kalite güvencesi, nesnenin yüzey sıcaklığının ölçülmesi ile önemlidir ve gerçekleştirilir. Şu anda, sıcaklık genellikle bir termokupl1ile ölçülür. Termokupl ölçümleri nesneyle temas gerektirdiğinden, termokupllar kaçınılmaz olarak nesneye zarar verir. Bu nedenle, sıcaklık ölçümleri için bir toplu iş temsili örnekleri seçmek yaygındır, onlar zarar beri daha fazla işlenmez. Bu hasarlı nesnelerin ölçülen sıcaklıkları daha sonra daha fazla işlenir toplu kalan örnekleriçin genelleştirilmiştir. Buna göre termokupl ölçümleri için üretimin kesilmesi gerekmektedir. Ayrıca, temas yerel, her ölçümden sonra düzeltilmesi gerekir ve yerel sıcaklığı etkiler.

Kızılötesi (IR) termografi2 klasik termokupl ölçümlerine göre bir takım avantajlara sahiptir ve temassız, yerinde, gerçek zamanlı, zaman kazandıran ve mekansal olarak çözülmüş sıcaklık ölçüm yöntemini temsil eder. Bu yöntem kullanılarak, daha fazla işlenmiş olanlar da dahil olmak üzere toplu işlemin her örneği üretimi kesintiye uğratmadan ölçülebilir. Buna ek olarak, yüzey sıcaklık dağılımı ölçülebilir, bu da işlem sırasında sıcaklık homojenliğine ışık sağlar. Gerçek zamanlı özellik, sıcaklık ayarlarının anında düzeltilmesine olanak tanır. Şimdiye kadar, konveyör bant fırınlarında IR termografisi kullanılmaması için olası nedenler 1) sıcak nesnelerin bilinmeyen optik parametreleri (özellikle ametaller için3)ve 2) fırında parazitik çevresel radyasyon (yani, nesneden yayılan radyasyona ek olarak IR kamera tarafından tespit yansıyan radyasyon), hangi yanlış sıcaklıkçıkışı2 yol açar .

Burada, bir konveyör bant fırınında IR termografisinin temsili bir kanıtı olarak, endüstriyel Si güneş pillerinin temas ateşleme işlemi sırasında kullanılan IR lambası ile çalışan güneş fırınına(Şekil 1)bir sıralı termografi sistemi kurduk (Şekil 2A,B)4,5. Ateşleme süreci endüstriyel güneş piliüretimi6 sonunda önemli bir adımdır. Bu adımda hücrenin kontakları7,8oluşur ve yüzey pasifasyonu9'daaktive edilir. İkincisini başarılı bir şekilde başarmak için, ateşleme işlemi sırasındaki zaman sıcaklığı profilinin(Şekil 2C)doğru bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekir. Bu nedenle yeterli ve verimli sıcaklık kontrolü gereklidir. Bu protokol, bir konveyör bant fırınına ir kamera nın nasıl yerleştirilmeyeceği, fabrikada kalibre edilmiş bir IR kameranın müşteri düzeltmesinin nasıl yapılacağını ve hedef nesnenin mekansal yüzey sıcaklık dağılımının nasıl değerlendirilebildiğini açıklar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Ir kameranın konveyör bant fırınına montajı

  1. Fırının hangi bölümünün IR kamera ile ölçüleceğine karar verin.
    NOT: Burada, ateşleme işleminin en yüksek bölgesi seçilir (Bkz. Şekil 1A'nınateşleme alanındaki turuncu vurgulu bölge).
  2. IR kamerasının tespit etmesi gereken sıcaklık aralığını tanımlayın (örneğin, 700−900 °C, ateşleme işleminin tipik en yüksek sıcaklık aralığı).
  3. İlgi sıcaklığı (belirli bir kamera açısı altında) için en yüksek emisyon aralığını belirlemek için (deneyler veya literatür yoluyla), ilgi alanının (örn. silikon güneş pili) sıcaklığını, spektral ve açısal bağımlı emisyonlarını belirleyin veya en azından tahmin edin.
    NOT: Burada emisyon, önceki literatür3 ve radpro10adlı bir yazılıma göre tahmin edilmektedir, bu yazılım ilgi çekici malzemeler için spektral, açısal ve ısıya bağlı emissivity hesaplar.
  4. IR kamera türüne karar verme
    NOT: Burada bir orta dalga kızılötesi (MWIR) indiyum antimonid (InSb) kamera(Malzeme Tablosu)kullanılır.
    1. İlgi nin sıcaklık aralığını algılayabilen bir kamera seçin.
    2. Algılama dalga boyu aralığı, ilgi nin sıcaklık aralığındaki ilgi çekici nesnenin en yüksek emisyon dalga boyu aralığıyla eşleşen bir kamera seçin.
    3. Kamera görüş alanına radyasyon yayan veya yansıtan nesnelerden kaçınarak kamera tarafından mümkün olduğunca çok parazitik radyasyon tespitinden kaçının (örn. fırındaki IR lambaları).
    4. Kameranın gerekli mekansal ve zamansal çözünürlüğüne karar verin (örn. 640 px x 512 px ve burada kullanılan kamera için 125 Hz [tam görüntü] ).
  5. IR kameradan nesneye yeterli optik yolu gerçekleştirin (Bkz. Şekil 1B).
    1. Optik yolda rahatsız edici nesnelerden kaçının (örneğin, doğrudan veya yansıyan ışığa neden olan IR lambaları).
    2. Mümkünse kamerayı fırın odasının dışına yerleştirin.
      NOT: Çoğu kameranın çalışma sıcaklıkları düşüktür (örn. 50 °C'ye kadar). İstenirse kamera konumunun değiştirileebileceğinden önceden emin olun.
    3. Optik yolun olması gereken konumdafırın duvarını ve izolasyonu çıkarın ve deliği yalıtımlı bir IR penceresi ile değiştirin.
      1. Aşağıdaki talepleri karşılayan pencere için uygun malzemeyi seçin: 1) kameranın algılama dalga boyu (λ) aralığı için mümkün olduğunca saydam (örneğin, ~0,2 μm < λ < 3 μm için kuvars cam pencere, ~0,4 μm < λ < 4,2 μm) ve 2) fırın odasını termal olarak izole edebilir.
        NOT: Pencerenin ortaya çıkan sıcaklıkları pencere iletimini etkileyebilir.
      2. IR penceresinin zarar görmesini önleyebilirsiniz. Isı genleşmesi sırasında kırılmayı önlemek için pencereyi sıkmayın.
        NOT: Pencere malzemesi ısıtıldığında genişletmek için yeterli miktarda alana sahip olmalıdır.
  6. IR kamera yazılımı aracılığıyla termografi görüntüsünü inceleyerek IR kameranın ortaya çıkan görüş alanını (FOV) kontrol edin. Termografi görüntüsünde hedeflenen nesneyi ve sıcaklığını tanımlayın. Gerekirse FOV'u ayarlayın.

2. Bir üretim kalibre IR kamera küresel müşteri sıcaklığı düzeltme

DİkKAT: IR kameranın imalatında radyometrik kalibrasyon içerdiği varsayılmaktadır.

  1. Yansıma ve arka plan radyasyonu gibi yerel optik yapıları tespit edin.
  2. Ir kamera ile termokupl da dahil olmak üzere gofret kaydederken nesnenin klasik termokupl ölçümlerini gerçekleştirin.
    1. Kullanılan termokuplların geçerliliğini kontrol edin. İşlenmiş nesnenin sıcaklık profilinde açıkça tespit edilebilen bilinen karakteristik sıcaklık noktalarını arayın (örn. düzgün bir çizgide bozulma). Termokupl bu sıcaklık noktalarını doğru şekilde ölçerse, termokupl büyük olasılıkla doğru kalibre edilir.
    2. Silikon güneş pilleri kullanarak örnek
      1. Termokupl gofret arka alüminyum tarafında yerleştirin. Standart bir ateşleme işlemi için sıcaklık profili alın11.
      2. 577 °C'lik Al-Si eutectic sıcaklığının etrafındaki 2.2.2.1 adımdan sıcaklık profilinde bir bozulma olup olmadığını daha düz bir eğri şeklinde belirleyerek termokuplları doğrulayın (Şekil 2D'deolduğu gibi).
        NOT: Bozulma 577 °C civarında ki sıcaklıkta meydana gelirse, termokupltarafından sıcaklık ölçümünün doğru olduğunun bir işaretidir. Aşağıdaki adımlar için yalnızca doğrulanmış termokupllar kullanın.
    3. Zaman-sıcaklık profilleri elde etmek için aynı nesne noktasında (istatistiksel nedenlerle birden çok kez) sıcaklık aralığında termokupl ölçümleri gerçekleştirin, sonra mekansal olarak çeşitli rastgele noktalarda (istatistiksel nedenlerle) gerçekleştirin.
  3. Termokupl ölçümlerinden termokuplların altındaki yerel düzeltilmemiş termografi nesne sıcaklığını 2.2.3 adımdan belirleyin ve termokuplun nesnenin üst tarafına yerleştirin.
    1. Temas eden termokuplun etrafında olası bir yerel sıcaklık düşüşü olup olmadığını kontrol edin (ısı dağılımı ve gölgeleme nedeniyle). Yerel bir sıcaklık düşüşü yoksa, termokuplun çevresindeki sıcaklığı doğrudan termokuplun altındaki nesne sıcaklığı olarak kabul edin.
    2. Yerel bir sıcaklık düşüşü varsa aşağıdaki adımları gerçekleştirin.
      1. Termokupl tarafından kapsanmayan kısımdaki mevcut sıcaklık düşüşünün mekansal sıcaklık gradyanını belirleyin.
        NOT: Sıcaklık düşüşü (radyal) etrafında birden fazla noktada degradebelirlemek ve ortalama bir degrade belirlemek için tavsiye edilir.
      2. Termokupl tarafından indüklenen olası optik eserlerin katkısını tahmin edin (örneğin, si güneş pillerinde olduğu gibi hücre derinliği yönü boyunca homojen sıcaklığın varsayıldığı bir durum için protokol).
        1. Termokupl'u ölçülen yüzeyin karşısındaki yüzeye yerleştirin ve termopl ve termografi ölçümünü bu konfigürasyonda tekrarlayın (Şekil 3A'dagösterildiği gibi). Termokupl da dahil olmak üzere nesneyi, termokuplun kamera ile nesne arasındaki optik yolda olmaması için döndürün.
          NOT: Yerel sıcaklık düşüşünün degradesi, termokuplun optik yolun içinde ve dışında olması yla aynıysa (örneğin, ölçülen veya karşı yüzeye bağlı), termokuplun büyük olasılıkla optik objeleri tetiklemediğinin bir işaretidir.
        2. Termokuplun altındaki nesnenin sıcaklığını elde etmek için ölçülen yüzeye (yani optik yol içinde) temas etmesi durumunda sıcaklık düşüşünün degradesini hesaplayın.
        3. Adım 2.2.3'ten her ölçüm için 2.3.2.2.2'yi tekrarlayın.
  4. 2.3'e Alternatif: Termokupl ölçümlerinden termokuplların altındaki yerel düzeltilmemiş termografi nesne sıcaklığını 2.2.3 adımdan belirleyin ve termokuplu nesnenin alt tarafına yerleştirin. Termokupl altında yerel düzeltilmemiş termografi güneş pili sıcaklığını belirlemek için, termokupl konumunda yerel sıcaklık ayıklayın.
    NOT: Termokuplun arka tarafta tutulması, termokuplun kamera tarafından nesnenin görüşünü engellemesini önler. Bu nedenle, bir yandan, sıcaklık düzeltme önemli ölçüde basittir. Öte yandan, termokupllar genellikle ateşleme işlemi sırasında nesnenin alt tarafında konumlandırılmış değildir, bu nedenle operasyonel komplikasyonlara yol açabilir, bu nedenle bu alternatif ekstra dikkatli yapılması gerekir.
  5. Düzeltilmemiş termografi görüntüsünü, 2.3 veya 2.4 adımlarından elde edilen verilerle termokupl ölçülen sıcaklıklara göre düzeltin.
    1. Ölçülen sıcaklıkları termokupllar aracılığıyla düzeltilmemiş IR termografisi ile belirlenen sıcaklıklara göre çizin. Bir eğri uydurma gerçekleştirin.
    2. Düzeltilmemiş termografi görüntüsü için elde edilen eğriyi genel bir tekdüze küresel düzeltme formülü olarak uygulayın.
  6. Özellikle optik parametreler farklı olduğunda, her yeni nesne türü veya yapılandırma için sıcaklık düzeltmesini tekrarlayın.

3. IR termografisi ile mekansal yüzey sıcaklık dağılımının değerlendirilmesi

NOT: Ateşleme koşullarının bu bölüm için aynı olduğu varsayılır.

  1. İki boyutlu bir pik sıcaklık dağılım haritası oluşturulması (Bkz. Şekil 4A)
    1. Tüm kamera FOV boyunca her nesne yüzey nokta için yüzey nesne sıcaklığı nı izlemek için uygun bir programlama dili ile bir komut dosyası yazın, yani aynı anda tüm nesne noktalar yerleştirilir bir "sanal termokupl" olarak hareket.
      NOT: Burada, komut dosyası MATLAB yazılmıştır.
    2. Her nesne noktası için maksimum değeri, yani en yüksek sıcaklığı ayıklayın ve bu sıcaklıkları ilgili 2B dağıtım haritasında çizin.
  2. Nesne üretim yönüne dik ve ortalama sıcaklık dağılımı (Bkz. Şekil 4B)
    1. Üretim yönünde: elde etme yönüne ters olan boyuttaki 2B sıcaklık dağılımının ortalaması. Geriye kalan, üretim yönünde ortalama 1D sıcaklık dağılımıdır.
    2. Üretim yönüne dik: üretim yönünde olan boyuttaki 2B sıcaklık dağılımının ortalaması. Geriye kalan, üretim yönüne dik ortalama 1D sıcaklık dağılımıdır.
      NOT: Nesne kenarındaki optik yapılar ortaya çıkan sıcaklık ortalamasını tahrif edebileceğinden, ortalama kenarın son santimetresini (en az) dışarıda bırakmanız önerilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Şekil 3B−D'degösterildiği gibi, örnek nesne (burada, silikon bir güneş pili; kesinlikle konuşursak, pasif bir yayımlayıcı ve arka hücre [PERC]12; Şekil 2A,B) farklı konfigürasyonlarda IR kamera tarafından açıkça tespit edilebilir4. Farklı konfigürasyonlar monofacially metallized (Şekil 3B), bifacially metallized13 (

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Genellikle, termografi sıcaklığı ölçme ve nesnenin optik parametreleri adapte, transmissive pencere ve yol ve nesnenin çevre sıcaklığı ve transmissive pencere2düzeltilir. Alternatif bir yöntem olarak, termokupl ölçümlerine dayalı bir sıcaklık düzeltme tekniği bu protokolde tanımlanmıştır. İkinci yöntem için, yukarıda belirtilen parametrelerin bilgisi gerekli değildir. Burada gösterilen uygulama için bu yöntem yeterlidir. Ancak, termokupl yönteminin konveyör bant fırınındaki tüm termografi uygulama...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, "Feuerdrache" (0324205B) projesi kapsamında Almanya Federal Ekonomik İşler Bakanlığı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar bu çalışmada emeği geçen iş arkadaşlarına ve proje ortaklarına (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) ortak finansman ve olağanüstü destek sağladıklarından dolayı teşekkür eder.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Datapaq Ltd.dahil veri kaydedici
IR termografi kamerası "Image IR 8300"InfraTec GmbH
IR termografi yazılımı "IRBIS Professional 3.1"InfraTec GmbH
Güneş pilleriFraunhofer ISE
Güneş ateşleme fırını "RFS 250 Plus"Rehm Thermal Systems GmbH
Ktipi kılıf termokupllarıTMH GmbH
Termokupl kuvars çerçevesiHeraeus Noblelight GmbH
Termal bariyer

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , Springer. Heidelberg, Germany. (2018).
  2. Breitenstein, O., Warta, M. W. Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , Springer. Heidelberg, Germany. (2010).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Ourinson, D., et al. In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography. AIP Conference Proceedings. 2156, 020013(2019).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Temperature Measurements. , Available from: https://meettechniek.info/measuring/temperature.html (2020).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

M teri S cakl k D zeltmesiMekansal S cakl k Da l mK z l tesi Kamera KurulumuTermokupl Do rulamasPik S cakl k HaritalamaSilikon G ne H creleriKontak Pi irme S reci

İlgili makaleler