In Situ Misurazione della Temperatura della Superficie in un Forno a nastro Trasportatore tramite Termografia a infrarossi in linea

Questo protocollo descrive come installare una telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore, eseguire una correzione da parte del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata in fabbrica e valutare la distribuzione della temperatura superficiale spaziale di un oggetto di interesse. Gli oggetti di esempio sono celle solari in silicio industriale.

Misurare la temperatura superficiale degli oggetti che vengono lavorati nei forni del nastro trasportatore è uno strumento importante nel controllo del processo e nella garanzia della qualità. Attualmente, la temperatura superficiale degli oggetti lavorati nei forni del nastro trasportatore viene in genere misurata tramite termocoppie. Tuttavia, la termografia a infrarossi (IR) presenta molteplici vantaggi rispetto alle misurazioni termocoppia, in quanto è un metodo senza contatto, in tempo reale e risolto spazialmente. Qui, come esempio rappresentativo di proof-of-concept, un sistema di termografia in linea viene installato con successo in un forno a fuoco solare alimentato a lampada IR, che viene utilizzato per il processo di cottura a contatto delle celle solari Si industriali. Questo protocollo descrive come installare una telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore, eseguire una correzione da parte del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata in fabbrica ed eseguire la valutazione della distribuzione della temperatura della superficie spaziale su un oggetto di destinazione.

Il controllo del processo e la garanzia della qualità degli oggetti trattati nei forni^{del nastro trasportatore 1} è importante e realizzato misurando la temperatura superficiale dell'oggetto. Attualmente, la temperatura è in genere misurata da un termocoppia¹. Poiché le misurazioni termocoppia richiedono il contatto con l'oggetto, termocopples inevitabilmente danneggiare l'oggetto. Pertanto, è comune scegliere campioni rappresentativi di un lotto per le misurazioni della temperatura, che non vengono ulteriormente elaborate in quanto vengono danneggiate. Le temperature misurate di questi oggetti danneggiati vengono quindi generalizzate ai campioni rimanenti del lotto, che vengono ulteriormente elaborati. Di conseguenza, la produzione deve essere interrotta per le misurazioni termocoppia. Inoltre, il contatto è locale, deve essere riadattato dopo ogni misurazione e influenza la temperatura locale.

La termografia a infrarossi (IR)^{ha una} serie di vantaggi rispetto alle classiche misurazioni termocoppia e rappresenta un metodo di misurazione della temperatura senza contatto, in situ, in tempo reale, risparmio di tempo e risolto spazialmente. Utilizzando questo metodo, ogni campione del lotto, compresi quelli che vengono ulteriormente elaborati, può essere misurato senza interrompere la produzione. Inoltre, è possibile misurare la distribuzione della temperatura superficiale, che fornisce informazioni sull'omogeneità della temperatura durante il processo. La funzione in tempo reale consente di correggere le impostazioni della temperatura al volo. Finora, le possibili ragioni per non utilizzare la termografia irrisorie nel nastro trasportatore sono 1) parametri ottici sconosciuti di oggetti caldi (soprattutto per i nonmetalli³) e 2) di radiazione ambientale parassita nel forno (cioè, radiazione riflessa rilevata dalla telecamera a infrarossi oltre alla radiazione emessa dall'oggetto), che porta a false uscite di temperatura².

Qui, come esempio rappresentativo di termografia iR in un forno a nastro trasportatore, abbiamo installato con successo un sistema di termografia in linea in un forno a fuoco solare alimentato a lampada IR (Figura 1), che viene utilizzato durante il processo di cottura a contatto delle celle solari Si industriali (Figura 2A,B)^4,5. Il processo di cottura è un passo cruciale alla fine della produzione industriale di celle solari⁶. Durante questo passaggio, i contatti della cella vengono formati^7,8e la passivazione della superficie viene attivata⁹. Per raggiungere con successo quest'ultimo, il profilo di temperatura del tempo durante il processo di cottura (Figura 2C) deve essere realizzato con precisione. Pertanto, è necessario un controllo della temperatura sufficiente ed efficiente. Questo protocollo descrive come installare una telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore, eseguire una correzione del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata in fabbrica e valutare la distribuzione della temperatura superficiale spaziale di un oggetto bersaglio.

1. Installazione della telecamera a infrarossi in un forno a nastro trasportatore

1. Decidere quale parte del forno deve essere misurata dalla fotocamera a infrarossi.
   NOTA: Qui viene scelta la zona di picco del processo di cottura (vedere la zona arancione evidenziata nell'area di cottura della figura 1A).
2. Definire l'intervallo di temperatura di interesse che la telecamera a infrarossi dovrebbe rilevare (ad esempio, 700-900 gradi centigradi, l'intervallo di temperatura di picco tipico del processo di cottura).
3. Determinare, o almeno stimare (attraverso esperimenti o letteratura), la temperatura, le emissioni dipendenti spettrali e angolari degli oggetti di interesse (ad esempio, la cella solare di silicio) per identificare gli spazi di lunghezza d'onda più elevati per l'intervallo di temperatura di interesse (sotto un angolo specifico della telecamera).
   NOTA: Qui, l'emissione è stimata sulla base della letteratura^{precedente 3} e di un software chiamato RadPro¹⁰, che calcola l'emissività spettrale, angolare e dipendente dalla temperatura per i materiali di interesse.
4. Decidere il tipo di fotocamera a infrarossi
   NOTA: Qui viene utilizzata una telecamera a infrarossi a onde medie (MWIR) in antimonide (InSb).Table of Materials
   1. Scegli una fotocamera in grado di rilevare l'intervallo di temperatura di interesse.
   2. Selezionare una telecamera il cui intervallo di lunghezza d'onda di rilevamento corrisponde all'intervallo di lunghezza d'onda più alta dell'oggetto di interesse nell'intervallo di temperatura di interesse.
   3. Evitare il maggior numero possibile di rilevazioni parassitarie da parte della telecamera evitando oggetti che emettono o riflettono radiazioni nel campo di vista della telecamera (ad esempio, lampade a infrarossi in un forno).
   4. Decidere la necessaria risoluzione spaziale e temporale della fotocamera (ad esempio, 640 px x 512 px e 125 Hz [immagine completa] qui).
5. Realizzare un percorso ottico sufficiente dalla fotocamera a infrarossi all'oggetto (vedere la figura 1B).
   1. Evitare di disturbare gli oggetti nel percorso ottico (ad esempio, lampade a IR che causano luce diretta o riflessa).
   2. Posizionare la fotocamera all'esterno della camera del forno, se possibile.
      NOTA: La maggior parte delle telecamere ha basse temperature di funzionamento (ad es. fino a 50 gradi centigradi). Assicurarsi in anticipo che la posizione della fotocamera può essere modificata, se lo si desidera.
   3. Rimuovere la parete del forno e l'isolamento nella posizione in cui deve essere il percorso ottico e sostituire il foro con una finestra iR isolante.
      1. Scegliere il materiale appropriato per la finestra che soddisfi le seguenti esigenze: 1) il più trasparente possibile per la gamma di lunghezza d'onda di rilevamento (λ) della telecamera (ad esempio, Finestra in vetro al quarzo per 0,2 m < λ < 3 m, finestra di zaffiro per 0,4 m < λ < 4,2 m) e 2) in grado di isolare termicamente la camera del forno.
         NOTA: le temperature risultanti della finestra possono influenzare la trasmissione della finestra.
      2. Evitare danni alla finestra a IR. Non stringere la finestra per evitare la rottura durante l'espansione del calore.
         NOTA: Il materiale della finestra deve avere una quantità sufficiente di spazio per espandersi quando viene riscaldato.
6. Controllare il campo di visualizzazione risultante (FOV) della fotocamera a infrarossi esaminando l'immagine termografia tramite il software della fotocamera a infrarossi. Identificare l'oggetto di destinazione e la sua temperatura nell'immagine termografia. Regolare il FOV, se necessario.

2. Correzione globale della temperatura del cliente di una telecamera a infrarossi calibrata per la fabbricazione

CAUTION: Si presuppone che la fabbricazione della telecamera a infrarossi includa una calibrazione radiometrica.

1. Individuare artefatti ottici locali, come la riflessione e la radiazione di fondo.
2. Eseguire misurazioni termocoppia classiche dell'oggetto mentre contemporaneamente la registrazione del wafer compreso thermocouple con la fotocamera a infrarossi.
   1. Verificare la validità dei termocopple usati. Ricerca di punti di temperatura caratteristici noti nel profilo di temperatura dell'oggetto elaborato che possono essere chiaramente rilevati (ad esempio, interruzione in una linea liscia). Se il termocoppia misura correttamente questi punti di temperatura, il termocoppia è molto probabilmente calibrato correttamente.
   2. Esempio di utilizzo di celle solari in silicio
      1. Posizionare il termocopo sul lato posteriore in alluminio del wafer. Prendere un profilo di temperatura per un processo di cottura standard¹¹.
      2. Convalidare i termocopple determinando se vi è un'interruzione del profilo di temperatura dal punto 2.2.2.1 intorno alla temperatura eutetica di Al-Si di 577 gradi centigradi sotto forma di curva più piatta (come nel caso della figura 2D).
         NOTA: Se l'interruzione si verifica a una temperatura di circa 577 gradi centigradi, è un segno che la misurazione della temperatura da parte del termocoppia è accurata. Utilizzare solo termocoppie convalidate per i seguenti passaggi.
   3. Eseguire misurazioni termocoppia nell'intervallo di temperatura di interesse nello stesso punto oggetto (più volte per motivi statistici), quindi a vari punti casuali spaziali (per motivi statistici) per ottenere profili di temperatura del tempo.
3. Determinare la temperatura dell'oggetto termografico locale non corretto sotto le termocoppie dalle misurazioni del termocoppia del punto 2.2.3 posizionando il termocopo sul lato superiore dell'oggetto.
   1. Verificare la presenza di un possibile calo della temperatura locale intorno al termocoppia a contatto (a causa della dissipazione e dell'ombreggiatura del calore). Si supponga che la temperatura in prossimità del termocoppia come la temperatura dell'oggetto direttamente sotto il termocoppia, se non è presente un calo di temperatura locale.
   2. Se è presente un calo di temperatura locale, effettuare le seguenti operazioni.
      1. Determinare il gradiente di temperatura spaziale del calo di temperatura attuale nella parte che non è coperto dal termocoppia.
         NOTA: Si consiglia di determinare il gradiente in più punti intorno al calo di temperatura (radialmente) e determinare un gradiente medio.
      2. Stimare il contributo di possibili artefatti ottici indotti dal termocoppia (protocollo di esempio per un caso in cui si assume una temperatura omogenea lungo la direzione della profondità cellulare, come nelle celle solari Si).
         1. Posizionare il termocopo sulla superficie opposta alla superficie misurata e ripetere la misurazione termocoppia e termografica in questa configurazione (come mostrato nella Figura 3A). Ruotare l'oggetto, compreso il termocoppia, in modo che il termocoppia non si trova nel percorso ottico tra la fotocamera e l'oggetto.
            NOTA: Se il gradiente del calo di temperatura locale è lo stesso per il termocoppia all'interno e all'esterno del percorso ottico (cioè, attaccato alla superficie misurata o opposta), è un segno che il termocoppia molto probabilmente non induce artefatti ottici.
         2. Estrapolare il gradiente del calo di temperatura nel caso del termocoppia che contatta la superficie misurata (cioè, percorso ottico interno) all'area coperta dal termocoppia per ottenere la temperatura dell'oggetto sotto il termocoppia.
         3. Ripetere il punto 2.3.2.2.2 per ogni misura del punto 2.2.3.
4. Alternativa alla 2.3: Determinare la temperatura dell'oggetto termografico locale non corretto sotto le termocoppie dalle misurazioni termocoppia del punto 2.2.3 posizionando il termocopo sul lato inferiore dell'oggetto. Per determinare la termografia locale termografia temperatura della cella solare sotto il termocoppia, estrarre la temperatura locale nella posizione del termocoppia.
   NOTA: Mantenere il termocopo sul lato posteriore impedisce al termocoppia di bloccare la vista sull'oggetto da parte della fotocamera. Pertanto, da un lato, la correzione della temperatura è significativamente più semplice. D'altra parte, i termocoppie di solito non sono posizionati sul lato inferiore dell'oggetto durante il processo di cottura, quindi potrebbero portare a complicazioni operative, motivo per cui questa alternativa deve essere effettuata con maggiore attenzione.
5. Correggere l'immagine termografia non corretta rispetto alle temperature misurate termocoppia con i dati generati dai punti 2.3 o 2.4.
   1. Tracciare le temperature misurate tramite termocoppie rispetto alle temperature determinate tramite termografia a IR non corretta. Condurre un raccordo a curva.
   2. Applicare l'adattamento della curva ottenuta come formula di correzione globale uniforme generale per l'immagine termografia non corretta.
6. Ripetere la correzione della temperatura per ogni nuovo tipo di oggetto o configurazione, soprattutto quando i parametri ottici differiscono.

3. Valutazione della distribuzione della temperatura superficiale spaziale tramite termografia iR

NOTA: si presuppone che le condizioni di cottura siano identiche per questa sezione.

1. Creazione di una mappa di distribuzione della temperatura di picco bidimensionale (vedere la Figura 4A)
   1. Scrivere uno script con un linguaggio di programmazione appropriato per monitorare la temperatura dell'oggetto di superficie per ogni punto della superficie dell'oggetto lungo l'intera fotocamera FOV, cioè agendo come un "termocoppia virtuale" posizionato in tutti gli spot dell'oggetto contemporaneamente.
      NOTA: Qui, lo script è scritto in MATLAB.
   2. Estrarre il valore massimo, cioè la temperatura di picco, per ogni punto oggetto e tracciare queste temperature in una mappa di distribuzione 2D corrispondente.
2. Distribuzione della temperatura media in e perpendicolare alla direzione della velocità effettiva dell'oggetto (vedere la figura 4B)
   1. In direzione velocità effettiva: media la distribuzione della temperatura 2D nella dimensione che è opposta alla direzione della velocità effettiva. Ciò che rimane, è la distribuzione media della temperatura 1D in direzione della produttività.
   2. Perpendicolare alla direzione della velocità effettiva: media la distribuzione della temperatura 2D nella dimensione che è in direzione della velocità effettiva. Ciò che rimane, è la distribuzione media della temperatura 1D perpendicolare alla direzione della velocità effettiva.
      NOTA: Si consiglia di tralasciare l'ultimo centimetro (almeno) del bordo per la media poiché gli artefatti ottici sul bordo dell'oggetto potrebbero falsificare la media di temperatura risultante.

Come illustrato nella Figura 3B-D, l'oggetto di esempio (qui, una cella solare in silicio; in senso stretto, un emettitore passivato e una cella posteriore [PERC]¹²; Figura 2A,B) può essere chiaramente rilevata dalla fotocamera a infrarossi in diverse configurazioni⁴. Le diverse configurazioni sono monofacially metallized (Figura 3B), bifacially metallized¹³ (Figura 3C) e campioni PERC nonmetalizzati (Figura 3D). La differenza tra la configurazione monofacciale e bifacciale è che il primo ha uno strato di alluminio a tutta area, mentre il secondo ha una griglia H-pattern (simile al lato anteriore argento) sul lato posteriore. Qui, la fotocamera a infrarossi è stata posizionata in modo che la fotocamera FOV cattura la temperatura di picco del processo di cottura. La fase di picco è la fase più cruciale durante il processo di cottura, poiché i contatti si formano effettivamente durante questa fase¹⁴. In questo caso, l'intervallo di temperatura di interesse assomigliava alla tipica gamma di temperatura di picco del processo di cottura (cioè, ca. 700-900 gradi^centigradi).

Per quest'ultima fascia di temperatura, l'emissività spettrale è piuttosto alta e omogenea negli spettri a infrarossi a lunghezza corta, media e lunga^{lunghezza d'onda 3}. Un doppio strato di zaffiro è stato utilizzato come finestra trasmissiva, consentendo una buona trasmissione negli spettri di lunghezza d'onda a infrarossi corti e medi. Al fine di ridurre al minimo il rilevamento della luce dalle lampade a infrarossi del forno (lunghezza d'onda di picco in breve intervallo di lunghezza d'onda infrarosso), è stato scelto un tipo di telecamera A infrarossi con InSb come materiale rivelatore, con un intervallo di rilevamento di 3,7-4,1 m (compresi i filtri). Solo un terzo del wafer nella direzione della velocità effettiva può essere rilevato contemporaneamente. Tuttavia, è stato sufficiente per questo lavoro, dal momento che il wafer passa completamente il campo di vista esistente. Naturalmente, le immagini termografiche corrette per la temperatura sono mostrate qui. In senso stretto, l'immagine viene corretta rispetto alle celle solari.

Come si può vedere nella Figura 3A, il termocoppia a contatto sul lato opposto del percorso ottico ha causato un calo della temperatura intorno a se stesso (con un calo di temperatura di 10 K), molto probabilmente a causa di dissipazione di calore e ombreggiatura. Quest'ultimo calo è importante per stimare la temperatura cellulare durante la cottura senza termocoppie, rispetto alla temperatura misurata dal termocoppia. In questo caso, la cella è stata posizionata su un fotogramma quando è stata contattata da un termocoppia (Figura 3E). La dissipazione di calore da parte del telaio ha causato un calo di temperatura di circa 10 K. Insieme al calo di calore aggiuntivo da parte del termocoppia, quest'ultimo ha misurato una temperatura inferiore di 20 K rispetto a quella visualizzata dalle celle durante la lavorazione standard (senza l'apparecchiatura termocoppia). È importante stimare quest'ultimo offset per il sistema termocoppia usato, che viene eseguito con l'aiuto della termografia, come mostrato. La telecamera a infrarossi consente di osservare la dissipazione di calore locale delle cellule da parte del nastro trasportatore se posizionata direttamente sullacinghia ( Figura 3F). Questo è il motivo per cui le cellule sono di solito posizionate sulle quote altimetriche della cinghia per ridurre al minimo il contatto tra loro e la cintura.

La figura 4 mostra la distribuzione della temperatura superficiale. Poiché le celle solari in silicio sono in genere spesse circa 160 m ed elaborate nel forno per 30 s, è probabile che la distribuzione della temperatura lungo la profondità della cella sia omogenea. Pertanto, i risultati molto probabilmente suggeriscono una distribuzione della temperatura piuttosto che solo una distribuzione della temperatura superficiale. Di fronte alla direzione della velocità effettiva, è stato ottenuto un gradiente di temperatura medio di 1 K/cm. Nella direzione della produttività, il trimestre del wafer in entrata era sostanzialmente più freddo del resto del wafer finale. La porzione in entrata più fredda ha sperimentato un gradiente di 7 K/cm, mentre la parte finale più calda ha sperimentato un gradiente di 0,5 K/cm.

In entrambe le direzioni, i bordi delle celle (i restanti 2 cm) sono stati ignorati per la determinazione dei gradienti, poiché la temperatura rilevata ai bordi mescolata con il confine esterno più freddo delle celle, con conseguente false temperature. La figura 4C mostra una distribuzione rappresentativa della temperatura 2D di una cella solare monofacciale, che non è stata metallizzata sul lato anteriore. Anche qui sono state osservate le tendenze di cui sopra nelle stesse e opposte direzioni di trasporto. Tutto in tutto, questi risultati rivelano che le celle solari in questo lavoro hanno sperimentato un certo grado di inomogeneità della temperatura spaziale.

Figura 1: Attrezzature più importanti utilizzate nel protocollo. (A) Schema laterale del forno del nastro trasportatore. Questo pannello figura è stato modificato da Ourinson et al.⁴. (B) Ingrandita l'ultima zona di cottura, visualizzando l'impostazione del sistema termografia. 1) Parete e isolamento del forno, 2) telecamera a infrarossi, 3) lampade a infrarossi, 4) finestra isolante, 5) direzione di trasporto oggetto, 6) telecamera FOV, 7) cintura di trasporto, 8) oggetto e 9) software termografia.  Questo pannello figura è stato modificato da Ourinson et al.⁴. (C) Il forno di cottura utilizzato durante questo protocollo. (D) Immagine che illustra la fotocamera a infrarossi utilizzata e la finestra IR trasmissiva posizionata nel forno di cottura. I numeri corrispondono ai numeri dei pannelli A e B. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Oggetti misurati e relative temperature. (A) Sezione trasversale schematica di una cella solare PERC monofacciale. (B) Vista laterale anteriore (sinistra) e posteriore (destra) di una cella PERC industriale. (C) Profilo di temperatura del tempo industriale misurato termocopo di una cella solare PERC durante il processo di cottura, compresa la segmentazione in fasi e sezione, che è coperto dal campo di vista della telecamera. Questa cifra è stata modificata da Ourinson et al.⁵. (D) Dimostrazione di perturbazione intorno alla temperatura eutetica (T_EUT) di alluminio e silicio in un profilo di cottura misurato da un termocopo, quando il termocopo è posto sul lato posteriore dell'alluminio della cella solare. Questa cifra è stata modificata da Ourinson et al.⁵. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Immagini termografiche corrette a temperatura rappresentativa delle celle solari PERC per condizioni di cottura identiche. (A) Visible calo di temperatura locale causato dal contatto di un termocoppia dal lato posteriore. (B) Immagine termografia del terzo superiore di una cella PERC monofacially metallizzata, comprese (1) le barre dei bus visibili (2) posizionate sul nastro trasportatore visibile. T_AV mostra la temperatura media sul wafer. (C) Immagine termografia di una cella PERC bifacially metallizzata. (D) Immagine termografia di un wafer PERC nonmetallizzato. (E) Immagine termografia di un wafer posto su un telaio termocoppia e contattato da un termocoppia. T_TC mostra la temperatura del wafer misurata dal termocoppia. (F) Immagine termografia di un wafer posizionato direttamente sul nastro trasportatore. (G) Mappa dei colori dell'intervallo di temperatura misurato dalla fotocamera a infrarossi. Questa cifra è stata modificata da Ourinson et al.⁵. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Distribuzione della temperatura di una cella solare PERC per condizioni di cottura identiche. (A) Distribuzione della temperatura di picco 2D di una cella solare MONOfacciale PERC dal lato anteriore. (B) Distribuzione media della temperatura di picco (immagine a destra) e perpendicolare (immagine a sinistra) alla direzione di trasporto delle celle." Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Comunemente, la temperatura termografia viene corretta misurando e adattando i parametri ottici dell'oggetto, la finestra e il percorso trasmissivi e la temperatura ambientale dell'oggetto e della finestra trasmissiva². Come metodo alternativo, una tecnica di correzione della temperatura basata sulle misurazioni termocoppia è descritta in questo protocollo. Per quest'ultimo metodo, non è necessaria la conoscenza dei parametri di cui sopra. Per l'applicazione illustrata di seguito, questo metodo è sufficiente. Tuttavia, non è possibile garantire che il metodo termocoppia sia sufficiente per tutte le applicazioni termografiche in un forno a nastro trasportatore.

Nel protocollo, viene proposta una correzione uniforme della temperatura globale dell'immagine termografia; anche se, è più preciso correggere la temperatura risolta spazialmente. Tuttavia, si è consa come si è scoperto che la correzione uniforme della temperatura è più appropriata nei casi di oggetti in movimento. Inoltre, è destinato a correggere la temperatura dell'oggetto piuttosto che gli oggetti circostanti (ad esempio, la cintura e le pareti).

Come indicato al punto 2.3.2.2, si presuppone che l'esempio qui fornito abbia una distribuzione omogenea della temperatura lungo la profondità dell'oggetto. Nei casi di oggetti con distribuzione della temperatura inomogenea lungo le loro profondità, la temperatura su una superficie non assomiglia alla temperatura sulla superficie opposta. Pertanto, i passaggi descritti nella sezione 2.3.2.2 non si applicano a questi casi. È necessario studiare ulteriormente una soluzione per la distribuzione della temperatura inomogenea lungo la profondità dell'oggetto.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Questo lavoro è sostenuto dal Ministero federale tedesco per gli affari economici nell'ambito del progetto "Feuerdrache" (0324205B). Gli autori ringraziano i collaboratori che hanno contribuito a questo lavoro e i partner del progetto (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) per il cofinanziamento e il supporto eccezionale.