WO2020157062A1 - Vorrichtung zum messen einer strahlungsintensität insbesondere in einem durchlaufofen - Google Patents

Vorrichtung zum messen einer strahlungsintensität insbesondere in einem durchlaufofen Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a device by means of which a
  • Radiation intensity as occurs, for example, in a continuous furnace typically used in the manufacture of solar cells, can be measured.
  • Radiation in the form of electromagnetic waves can be used, for example, as optically visible light or as infrared radiation to target materials or objects by at least partially absorbing them
  • strong lamps can be used in furnaces to generate a strong radiation field inside a furnace and thereby heat the substrates therein to a desired temperature.
  • Such ovens can be used for various purposes.
  • One possible application which is explained in more detail below, can be to heat silicon wafers used in the manufacture of solar cells to desired temperatures during certain process steps.
  • Continuous furnaces are used in which substrates to be heated are continuously moved, for example by means of a circumferential belt, through a radiation field generated by several strong light sources and are specifically heated in the process.
  • An intensity and a spatial distribution of radiation generated in an oven can have a considerable influence on the temperature that arises in a substrate received in the oven, in particular on a temporal temperature behavior and / or on a spatial temperature distribution, and thereby results of temperature-driven
  • Radiation intensity is described in particular in a continuous furnace, the device comprising at least one radiation sensor, one measuring device and one
  • the radiation sensor has a radiation-sensitive detection surface and is configured to generate a radiation sensor signal depending on the radiation intensity when radiation strikes the detection surface.
  • the measuring device has measuring electronics in order to control a function of the radiation sensor and / or to evaluate the radiation sensor signal.
  • the measuring device furthermore has a housing which surrounds the measuring electronics in such a temperature-controlled manner and is designed with physical properties including a thermally inert mass, its thermal insulating effect and its reflectivity caused on its outer surface, in order to
  • the holding device holds the radiation sensor.
  • a spatial temperature distribution and / or a temporal temperature behavior such as that which occurs in a component accommodated in a furnace, in particular a continuous furnace, can have a considerable influence on which chemical and / or physical reactions occur in the component. Therefore, this temperature Knowing parameters as precisely as possible so that they can then be influenced in the desired manner.
  • the radiation sensor can detect the radiation used in the furnace for heating on its detection surface and then generate a radiation sensor signal which is uniquely dependent on the radiation intensity detected.
  • the radiation sensor signal preferably changes linearly with the detected radiation intensity.
  • the radiation sensor signal generated by the radiation sensor In order to evaluate the radiation sensor signal generated by the radiation sensor and / or to control functions of the radiation sensor, the
  • the measuring device has measuring electronics, i.e. an electronic circuit, in particular microelectronics.
  • the measuring device also has a housing.
  • the housing surrounds the
  • Measuring electronics and is so tempering i.e. thermally insulating and / or provided with a thermally inert mass, configured such that it is at the temperatures typically occurring in an oven to be identified
  • the measuring electronics can prevent from damagingly high levels during a measuring process
  • the housing should be designed and tempered in such a way that also due to incident radiation in the Furnaces typically have radiation intensities of up to 1 kW / m 2 , or preferably up to 5 kW / m 2 , up to 10 kW / m 2 , up to 20 kW / m 2 , up to
  • the housing is intended to protect the measuring electronics contained therein from thermal damage.
  • the housing can be designed in such a way that the measurement electronics, in the conditions mentioned, during a measurement process lasting, for example, 10 s, 20 s, 30 s, 40 s, 60 s or longer, no more than one that is regarded as uncritical for the function of the measurement electronics Temperature of, for example 80 ° C, 100 ° C, 120 ° C or 150 ° C heated.
  • the measuring device With its housing, the measuring device can represent an independent assembly.
  • the radiation sensor In comparison to the measuring device, the radiation sensor can represent an independent assembly.
  • the radiation sensor can be a semiconductor component, in particular a solar cell.
  • Radiation sensors in the form of semiconductor components can be provided simply, inexpensively and / or robustly.
  • the radiation sensor can be a photodiode in which electric charge carriers are generated by incident radiation and thus one with the
  • Radiation intensity correlating electrical radiation sensor signal can be generated.
  • a solar cell can be used as the radiation sensor.
  • Solar cells are a type of flat photodiode in which the detection area is relatively large and essentially corresponds to the entire surface of the solar cell directed towards a radiation source. In particular for measuring radiation intensities in ovens, even when manufacturing
  • solar cells are to be used, it may be advantageous to use a solar cell as a radiation sensor, since these generally differ in particular with regard to their optical properties, but also with regard to other physical properties
  • the detection area of the radiation sensor can be smaller than 50 cm 2 , preferably smaller than 25 cm 2 , smaller than 10 cm 2 , smaller than 5 cm 2 , smaller than 2 cm 2 or even smaller than 1 cm 2 .
  • a radiation sensor with a smaller surface area, the higher the expected radiation intensities to be measured. It can be advantageous to dimension the size of the detection area in such a way that, given the maximum radiation intensities to be measured, a signal current strength generated by the radiation sensor remains as low as 2 A, preferably less than 1 A or less than 0.5 A.
  • the proposed device can furthermore have a temperature sensor which is arranged at or near the radiation sensor and which is dependent on a locally prevailing temperature
  • the measuring electronics of the measuring device can take the function of the radiation sensor into account
  • a radiation sensor signal can be the same as the actual one Radiation intensity can be larger or smaller.
  • a temperature sensor in the vicinity of the radiation sensor.
  • the temperature sensor can be technically based on
  • the temperature sensor can be configured to be able to measure temperatures of up to 200 ° C, up to 300 ° C, up to 400 ° C, up to 600 ° C, up to 1000 ° C or even more.
  • the temperature sensor can measure temperatures using the thermoelectric effect as a thermocouple.
  • the temperature sensor can be designed as a jacket thermocouple.
  • the temperature sensor can preferably be arranged on a surface of the radiation sensor facing away from the holding device.
  • Radiation intensity generating radiation sources is directed.
  • the temperature sensor can easily be attached to the radiation sensor, since the surface facing away from the holding device is easily accessible.
  • the temperature sensor can be applied to a metal contact, in particular a busbar, i.e. for example, to be soldered.
  • the temperature sensor on a surface of the radiation sensor facing the holding device.
  • the temperature sensor When positioned, the temperature sensor would not be exposed to direct lighting, which would enable the actual temperature of the radiation sensor to be determined more precisely. However, due to the
  • Holding device be more difficult to access.
  • a thermal contact between the Radiation sensor and the holding device are adversely affected.
  • the holding device has a heat sink which, compared to the radiation sensor, has a significantly larger volume, a significantly higher thermal capacity and / or a significantly higher thermal conductivity.
  • a component can be provided on the holding device which, compared to the radiation sensor, has a larger thermally inert mass and preferably also has a high thermal conductivity, and which thus changes its own temperature less quickly when introduced into an oven than the radiation sensor would do alone and dissipates heat generated in the radiation sensor.
  • a component then acts as a passive heat sink for the radiation sensor.
  • the radiation sensor can be arranged directly on the heat sink or at least be in good heat-conducting contact with the heat sink. Accordingly, heat which arises in the radiation sensor by absorption of the radiation to be detected can be dissipated quickly and efficiently and overheating of the radiation sensor can thus be avoided.
  • the heat capacity and / or the thermal conductivity of the heat sink or of the material forming it can be, for example, at least 20%, preferably at least 50%, at least 100% or at least 200% greater than that
  • the heat sink can have a tapered geometry, in particular in the form of a truncated pyramid or a truncated cone, with a larger base area and a smaller cover area compared to the base area.
  • the radiation sensor can be arranged on the top surface of the truncated pyramid.
  • a tapered, in particular truncated pyramid-shaped heat sink can on the one hand provide a relatively large cooling volume.
  • the side surfaces of such a truncated pyramid-shaped heat sink can be oriented inclined in such a way that radiation reflected thereon from that on the top surface
  • the top surface of the heat sink can be approximately the same size as the surface of the radiation sensor.
  • the base area of the heat sink can be, for example, more than twice as large, preferably more than five times as large or more than ten times as large as the top surface of the heat sink.
  • Radiation sensors has, they can be arranged on several frustum-shaped heat sinks. Both the radiation sensors and the heat sink can be oriented in different orientations. In this way, for example, inhomogeneous radiation fields can advantageously be measured and the heat sinks are each aligned so that radiation impinging on their surfaces is reflected in such a way that it does not interfere with the entire measurement process as far as possible.
  • a surface of the heat sink can be designed to largely reflect incident radiation.
  • the heat sink can be designed to be light-colored, white or even metallic reflective, in particular on the side surfaces adjacent to the cover surface, so that at least more than 50%, preferably more than 80%, more than 90% or even more than 98% of the incident radiation intensity is reflected become. This can prevent significant proportions of that in the furnace
  • the holding device can extend over a base area which is at least five times larger, preferably at least ten times larger or even at least a hundred times larger than the detection area of the radiation sensor.
  • the radiation sensor which is preferably small in area, can be held on a holding device which is significantly larger in comparison to this.
  • the holding device can have a base area that is of a similar order of magnitude as the base area of solar cells that are typically to be tempered in the furnace. Such solar cells nowadays mostly have base areas of between 100x100mm 2 and 200x200mm 2 .
  • the mentioned base area does not necessarily have to be covered over the entire area by the holding device.
  • the holding device can have struts, for example, which extend over this base area in order to be able to be supported over the entire base area, for example on a belt of a continuous furnace.
  • Composite belt is used to move solar cells through a radiation field inside the furnace, so the small area
  • Radiation sensor with its large holding device can be placed on the belt without any problems, whereas the small radiation sensor alone could run the risk of slipping between the individual parts of this belt.
  • the holding device can subsequently be used as
  • the holding device can be constructed in several parts and, for example, have the large-area surface element in addition to the heat sink.
  • the heat sink can usually be solid, for example made of metal, in order to be able to offer a high thermal conductivity and heat capacity
  • the surface element is only intended to enlarge the supporting surface of the holding device, ie the surface with which the holding device is supported during a measurement in an oven , but does not need to have a high thermal conductivity or heat capacity.
  • An area of the surface element can be significantly larger, ie at least twice, five times or ten times as large as the base area of the heat sink.
  • the surface element can be designed to largely absorb incident radiation.
  • the surface element can be dark-colored or even black, at least on its surface facing the heat sink. Accordingly, radiation incident during a measurement process is at most only partially reflected on the surface element, whereas significantly more than 50%, preferably significantly more than 80%, 90% or even 98% of the radiation occurring is absorbed by the surface element. This can prevent radiation reflected on the surface element from falsifying a measurement result generated by the radiation sensor.
  • the measuring device and the holding device are separate components.
  • the radiation sensor is connected to the measuring device via flexible connecting lines for signal transmission.
  • the device described here may also have a plurality of radiation sensors, each of which can be provided separately from the measuring device and optionally also separately from one another.
  • the measuring device on the one hand and the holding device with the radiation sensor held thereon can be physically configured as separate units.
  • Holding devices can each be designed to be self-supporting and / or relatively rigid.
  • electrically conductive connecting lines are provided between the two units.
  • the connecting lines can be sufficiently flexible so that the two units can be moved relative to one another despite the existing signal transmission option.
  • Such a device consisting of at least two subunits, in which each subunit can have approximately the size of a typical solar cell, can advantageously be handled and / or accommodated in a furnace or moved through a continuous furnace.
  • the measuring electronics can be configured to operate the radiation sensor by applying an electrical counter voltage.
  • the counter voltage can act as reverse voltage.
  • the measuring electronics can have an electrical voltage source, for example in the form of a battery.
  • the counter voltage should be significantly lower than a breakdown voltage of the photodiode or the solar cell, i.e. for example less than 10 V, preferably less than 3 V or even less than 1.5 V.
  • a non-linear response of the radiation sensor can be avoided or reduced by applying the counter voltage. This can increase sensitivity or simplify the evaluation of measurement results.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a device for measuring a radiation intensity according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an enlarged perspective view of a radiation sensor on a holding device of a device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a graph to illustrate a dependency of a radiation sensor signal current on a detected light intensity.
  • Wafer-based silicon solar cells currently dominate the market for
  • Solar cells can suffer from so-called light-induced degradation (LID), ie the performance of the solar cells can gradually decrease under lighting.
  • LID light-induced degradation
  • US 2010/0243036 A1 describes methods and devices for producing a photovoltaic element with stabilized efficiency.
  • various companies have put lighting systems on the market that serve to regenerate solar cells.
  • a continuous system is also suitable for such regeneration systems, with solar cells on a transport medium such as one circulating belt can be transported through one or more illuminated and, if necessary, heated zones.
  • a transport medium such as one circulating belt can be transported through one or more illuminated and, if necessary, heated zones.
  • an intensive radiation field is generated, for example, in a wavelength range of optically visible light or infrared light.
  • Thermal light sources such as halogen lamps or alternatively light emitting diodes (LEDs) or lasers can be used.
  • Temperatures of up to 400 ° C and / or lighting intensities of up to 100 suns (current equivalent) can be achieved in a continuous furnace, as is typically used to regenerate solar cells.
  • temperatures in the range of 200-300 ° C for up to 1 minute with lighting intensities of around 10 suns (around 10 kW / m 2 ) are used.
  • the right combination of temperature, illuminance or injection and duration may be required to successfully carry out a regeneration process. Even relatively minor deviations, for example in the radiation intensity prevailing in a continuous furnace, can have a considerable influence on the regeneration process.
  • the continuous furnace is opened so that an illuminated zone is at least partially open and the lighting intensity can be measured manually.
  • an LED-based continuous furnace, but at the latest a laser-based one Continuous furnace must be operated in accordance with certain protection classes, for example a laser protection class. Opening such a system is generally not permitted without suitably protecting the environment.
  • Such an approach does not seem to make sense in industrial mass production.
  • Radiation source its optical yield can change.
  • a typically encapsulated LED may lose part of its optical performance over time because, for example, the encapsulation material becomes cloudy due to long thermal stress.
  • the electrical power consumed does not necessarily indicate where, that is, in which areas of the continuous furnace, the optical power emitted has its effect.
  • an arrangement of parallel halogen lamps at certain spatial intervals produces comparatively high lighting intensities directly below the halogen lamps, but comparatively low lighting intensities between neighboring halogen lamps.
  • optical sensors are placed in a continuous system, which are used to measure radiation intensities. It is either possible to install the sensors directly in the illuminated zone. In this case, make sure that the sensors are exposed to elevated temperatures. There can be a risk that materials used in the sensors, for example for encapsulation or for soldered connections, will not withstand such temperatures. Therefore, at least passive, but better, active cooling is often necessary in order to enable permanent operation of the sensors.
  • a sensor can be placed outside the hot area in the furnace and an optical power can be transported to the sensor, for example by means of a glass fiber.
  • a disadvantage of this approach is that the intensity monitoring is spatially inflexible and in particular requires structural changes, which can impair functionality, among other things.
  • a lighting sensor is attached to a long lance, which can be introduced along a flow channel into a continuous furnace from its input or output side.
  • a lance can be designed, for example, in the form of a tube, so that gas or a liquid can be used to temper the lighting sensor.
  • gas or a liquid can be used to temper the lighting sensor.
  • a length of typical continuous furnaces of a few meters this also results in a corresponding lance length of a few meters.
  • Such a long lance is difficult to handle in a narrow environment and can hardly be used in industrial mass production, especially if an upstream or a downstream production plant is close to the continuous furnace used for regeneration, as is common in industrial mass production. A larger distance between plants would be equivalent to a larger footprint and would make the use of such a system more expensive.
  • Embodiments of the approach described herein can make it possible to combine the advantages of safe handling under labor law, flexible use and relatively low retrofitting costs.
  • the device 1 shows a device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the device 1 can be used in particular to measure a radiation intensity in a continuous furnace.
  • the device 1 comprises a radiation sensor 3, a measuring device 5 and a holding device 7.
  • the radiation sensor 3 has one
  • the measuring device 5 has measuring electronics 11
  • Measuring electronics 11 can evaluate the radiation sensor signal. Alternatively or in addition, the measuring electronics 11 can control a function of the radiation sensor 3.
  • the measuring electronics 11 can consist of a miniature computer (Raspberry Pi or Pi Zero) for controlling data acquisition, internal calculations, data storage and external communication.
  • the measuring electronics 11 can have a current-voltage converter, which
  • Radiation sensor signal of the radiation sensor 3 prepared for an analog-to-digital converter.
  • the measuring electronics 11 is connected to the radiation sensor 3 via connecting lines 25 in the form of flexible wires or cables, so that both the radiation sensor 3 held by the holding device 7 and the measuring device 5 can be moved individually and inserted into the continuous furnace, for example, at least as long as the connecting lines 25 are neither rigid nor tense.
  • the housing 27 has a thermal
  • Insulation and / or a thermally inert mass which ensures that during the measurement process despite high ambient temperatures and / or stronger
  • the housing 27 can be mirrored on its outside or at least be highly reflective, so that radiation is hardly absorbed.
  • the device 1 In order to be able to measure radiation intensities, for example in a continuous furnace, the device 1 with its measuring device 5 and its separately provided radiation sensor 3, which is held by the holding device 7, can thus be placed on the belt of the continuous furnace. The entire device 1 is then moved through the interior of the continuous furnace and can measure the radiation field prevailing there and optionally also the temperatures prevailing there or caused on the radiation sensor.
  • An optical sensor such as a photodiode can be used as the spatially separate radiation sensor 3.
  • a solar cell 13 as
  • Radiation sensor 3 can be used, which can have the advantage that it can have comparable optical properties to the solar cells actually to be produced, so that, for example, when evaluating radiation sensor signals, no corrections to optical influences may be necessary.
  • a very small solar cell is preferably used as the radiation sensor 3, the detection area of which is smaller than 50 cm 2 , ie, for example, only 1 cm 2 in size.
  • the radiation sensor 3 or its size can be adapted depending on the expected radiation intensity to be measured.
  • the radiation sensor 3 If the radiation sensor 3 is seated on a heat sink 17 with a large surface area, heat can be removed by gas convection or thermal radiation. This applies in particular when the heat sink 17 has a highly reflective surface and thus hardly absorbs incident radiation.
  • a thermally highly conductive material of the heat sink 17 also offers the possibility of effectively dissipating heat that arises in the radiation sensor 3 for absorption during the intensity measurement and distributing it evenly over the heat sink 17.
  • a correspondingly thermally highly conductive connection of the radiation sensor 3 to the heat sink 17 is thus advantageous.
  • Heat sink 17 for thermal radiation is not enlarged.
  • the heat sink 17 can thus also be solid. This can offer the advantage that the heat sink 17 has a large, thermally inert mass, which heats the heat sink 17 and that attached to it
  • Radiation sensor 3 counteracts or delays this.
  • there is the possibility of cooling the heat sink 17 through a suitable choice of materials To design geometries and / or dimensions such that a temperature rise in the radiation sensor 3 attached to it is limited during a measurement process in such a way that damage to the radiation sensor 3 is avoided.
  • the melting temperature should not be reached with soldered connections.
  • the radiation sensor 3 can then be attached to the top surface 21.
  • the radiation sensor 3 is preferably surface-mounted and in good thermal contact with the cover surface 21.
  • the radiation sensor 3 and the top surface 21 can be approximately the same size.
  • the cross section of the heat sink 17 increases toward a base surface 19 opposite the cover surface 21, so that the heat sink 17 receives a large volume.
  • side surfaces 20 between the base surface 19 and the cover surface 21 parallel to this are preferably oriented obliquely such that they are arranged, for example, at an angle of preferably more than 45 ° to the cover surface 21. In this way it can be achieved that radiation impinging on the side surfaces 20 is reflected away from the radiation sensor 3 mounted on the top surface 21 and thus does not falsify its measurement result.
  • the shape of a four-sided pyramid or a truncated pyramid with preferably mirrored side surfaces 20 can be a good compromise for the heat sink 17 from advantageous reflection properties, less
  • the heat sink 17 can serve both as an electrical back contact and act as a thermally inert mass. However, other forms of heat sinks 17 are also conceivable.
  • the holding device 7 or the heat sink 17 provided thereon should therefore be designed with regard to its shape and dimensions such that it can be transported through such a system.
  • a surface element 23 can, for example, be attached to the base surface 19 of the heat sink 17 and have a significantly larger surface area than this base surface 19.
  • the surface of the surface element can correspond to that of a solar cell to be regenerated in the continuous furnace.
  • the surface element 23 does not need to be continuous.
  • the surface element 23, as shown in the figures have a frame 29 with which the surface element 23 can be supported on the belt of the continuous furnace.
  • Struts 31 can extend from the frame 29 to the center of the surface element 23.
  • the struts 31 can, for example, support the heat sink 17 at a central crossing point. Alternatively, the heat sink 17 can also be held off-center.
  • a plurality of radiation sensors 3 can also be provided for the device.
  • Each of these radiation sensors 3 can then be arranged, for example, on one of several separate heat sinks 17.
  • the heat sinks 17 can in turn be arranged at different positions on a common surface element 23 or alternatively also on separate surface elements 23.
  • a surface of the surface element 23 can be made dark or black in order to largely absorb incident radiation.
  • a measurement signal of the radiation sensor 3 also depends on the
  • a temperature sensor 15 can additionally be provided for the device 1.
  • the temperature sensor 15 can be on or near the
  • Radiation sensor 3 can be arranged around the locally prevailing there
  • the temperature sensor 15 can be a jacket thermocouple.
  • the temperature sensor 15 can, for example, be attached, in particular soldered, to a busbar 33 of the solar cell 13 forming the radiation sensor 3.
  • a temperature sensor signal output by the temperature sensor 15 can be output by the measuring device 5 or its
  • Measuring electronics 11 are used to control the function of the radiation sensor 3 in accordance with the temperature and / or the radiation sensor signal generated by the radiation sensor 3 taking into account the currently measured
  • FIG. 3 shows the measured current Isc of a solar cell 13 when illuminated with a laser as a function of the power of the laser (specified in percent of the possible maximum power).
  • a current Isc of approx. 450 mA corresponds to this a radiation intensity of approx. ten suns (approx. 10 kW / m 2 ).
  • the clearly recognizable kinking of the measurement curves or the deviation from the straight line at low intensities characterizes the onset of non-linearities (see lower two curves at room temperature or at 80 ° C), which can be delayed by applying the counter voltage (see upper two

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zum Messen einer Strahlungsintensität vorgestellt, insbesondere zur Strahlungsmessung in einem Durchlaufofen, wie er bei der Regeneration von Solarzellen im Rahmen von deren Herstellung eingesetzt wird. Die Vorrichtung (1) weist einen Strahlungssensor (3), eine Messeinrichtung (5) und eine Halteeinrichtung (7) auf. Der Strahlungssensor (3) weist eine strahlungsempfindliche Detektionsfläche (9) auf und erzeugt bei Auftreffen von Strahlung auf die Detektionsfläche (9) abhängig von der Strahlungsintensität ein Strahlungssensorsignal. Die Messeinrichtung (5) weist eine Messelektronik (11) auf, um eine Funktion des Strahlungssensors (3) zu steuern und/oder um das Strahlungssensorsignal auszuwerten. Die Messeinrichtung (5) weist ferner ein Gehäuse (27) auf, welches die Messelektronik (11) thermisch isolierend umgibt, um sie vor temperaturbedingten Beschädigungen in Umgebungen mit Temperaturen von zumindest bis zu 100°C und Strahlungsintensitäten von zumindest bis zu 1 kW/m2 zu schützen. Die Halteeinrichtung (7) hält den Strahlungssensor (3).

Description

VORRICHTUNG ZUM MESSEN EINER STRAHLUNGSINTENSITÄT INSBESONDERE IN EINEM DURCHLAUFOFEN
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mithilfe derer eine
Strahlungsintensität, wie sie beispielsweise in einem typischerweise bei einer Herstellung von Solarzellen verwendeten Durchlaufofen auftritt, gemessen werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Strahlung in Form von elektromagnetischen Wellen kann beispielsweise als optisch sichtbares Licht oder als Infrarotstrahlung dazu eingesetzt werden, um auf Materialien bzw. Gegenstände durch zumindest teilweise Absorption der
Strahlung Energie zu übertragen und diese somit zum Beispiel auf erhöhte Temperaturen zu heizen. Beispielsweise können in Öfen starke Lampen dazu eingesetzt werden, um im Innern eines Ofens ein starkes Strahlungsfeld zu erzeugen und dadurch darin befindliche Substrate auf eine gewünschte Temperatur zu temperieren.
Derartige Öfen können für verschiedene Einsatzzwecke genutzt werden. Ein möglicher und weiter unten detaillierter erläuterter Einsatzzweck kann darin liegen, bei einer Herstellung von Solarzellen hierbei eingesetzte Silicium -Wafer während bestimmter Verfahrensschritte auf gewünschte Temperaturen zu heizen.
Bei industriell einsetzbaren Herstellungsverfahren werden hierbei meist
Durchlauföfen verwendet, bei denen zu heizende Substrate beispielsweise mittels eines umlaufenden Gürtels kontinuierlich durch ein von mehreren starken Lichtquellen erzeugtes Strahlungsfeld bewegt und dabei gezielt erhitzt werden.
Eine Intensität und eine räumliche Verteilung von in einem Ofen erzeugter Strahlung kann einen erheblichen Einfluss auf die Temperatur, die sich in einem in dem Ofen aufgenommenen Substrat einstellt, haben, insbesondere auf ein zeitliches Temperaturverhalten und/oder auf eine räumliche Temperatur verteilung, und dadurch Ergebnisse von temperaturgetriebenen
Verfahrensschritten erheblich beeinflussen. Ferner kann die Intensität und räumliche Verteilung von beispielsweise auf ein Halbleiter Substrat einwirkender Strahlung eine in dem Halbleitersubstrat strahlungsbedingt bewirkte Generation von Ladungsträgerpaaren beeinflussen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es kann somit ein Bedarf daran bestehen, eine lokal auftretende
Strahlungsintensität zuverlässig und mit ausreichender Genauigkeit messen zu können, insbesondere in einem Durchlaufofen. Vorzugsweise sollte hierfür eine einfach handzuhabende, robuste und/oder kostengünstig bereitzustellende Vorrichtung eingesetzt werden können. Einem solchen Bedarf kann mit dem Gegenstand gemäß dem Hauptanspruch entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen
Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen einer
Strahlungsintensität insbesondere in einem Durchlaufofen beschrieben, wobei die Vorrichtung zumindest einen Strahlungssensor, eine Messeinrichtung und eine
Halteeinrichtung aufweist. Der Strahlungssensor weist eine strahlungsempfindliche Detektionsfläche auf und ist dazu konfiguriert, bei Auftreffen von Strahlung auf die Detektionsfläche abhängig von der Strahlungsintensität ein Strahlungssensorsignal zu erzeugen. Die Messeinrichtung weist eine Messelektronik auf, um eine Funktion des Strahlungssensors zu steuern und/oder um das Strahlungssensorsignal auszuwerten. Die Messeinrichtung weist ferner ein Gehäuse auf, welches die Messelektronik derart temperierend umgibt und mit physikalischen Eigenschaften einschließlich einer thermisch trägen Masse, seiner thermischen Isolierwirkung und seines an seiner Außenoberfläche bewirkten Reflektionsvermögens ausgestaltet ist, um die
Messelektronik während eines wenigstens 10 s dauernden Messvorgangs in
Umgebungen mit Temperaturen von zumindest bis zu 100°C und Strahlungsintensitäten von zumindest bis zu 1 kW/m2 vor temperaturbedingten Beschädigungen durch eine Erwärmung der Messelektronik auf über 150°C zu schützen. Die Halteeinrichtung hält den Strahlungssensor.
Ohne den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken, können Ideen und mögliche Merkmale zu Ausführungsformen der Erfindung unter
anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Wie einleitend bereits angedeutet, kann eine räumliche Temperaturverteilung und/oder ein zeitliches Temperaturverhalten, wie sie sich in einem in einem Ofen, insbesondere einem Durchlaufofen, aufgenommenen Bauelement einstellen, erheblichen Einfluss darauf haben, welche chemischen und/oder physikalischen Reaktionen in dem Bauelement auftreten. Daher sollten diese Temperatur- Parameter möglichst genau bekannt sein, um sie dann in gewünschter Weise beeinflussen zu können.
In Öfen, in denen ein Heizen überwiegend strahlungsbasiert erfolgt, kann es daher nötig sein, lokal und/oder zeitlich variierende Strahlungsintensitäten genau messen zu können.
Es wird vorgeschlagen, eine zu diesem Zweck einsetzbare Vorrichtung mit wenigstens einem Strahlungssensor, möglicherweise auch mehreren
Strahlungssensoren, auszustatten. Der Strahlungssensor kann die in dem Ofen zum Heizen eingesetzte Strahlung an seiner Detektionsfläche detektieren und daraufhin ein Strahlungssensorsignal erzeugen, welches in eindeutiger Weise von der detektierten Strahlungsintensität abhängt. Vorzugsweise verändert sich das Strahlungssensorsignal linear mit der detektierten Strahlungsintensität.
Um das von dem Strahlungssensor erzeugte Strahlungssensorsignal auszuwerten und/oder Funktionen des Strahlungssensors zu steuern, verfügt die
vorgeschlagene Vorrichtung ferner über eine ergänzende Einrichtung, welche hierin als Messeinrichtung bezeichnet wird. Die Messeinrichtung verfügt hierzu über eine Messelektronik, d.h. eine elektronische Schaltung, insbesondere eine Mikroelektronik.
Da eine solche Messelektronik im Allgemeinen temperaturempfindlich ist, verfügt die Messeinrichtung ferner über ein Gehäuse. Das Gehäuse umgibt die
Messelektronik und ist derart temperierend, d.h. thermisch isolierend und/oder mit einer thermisch trägen Masse versehen, ausgestaltet, dass es bei den in einem auszuweisenden Ofen typischerweise auftretenden Temperaturen von
beispielsweise bis zu 100 °C, vorzugsweise auch bei höheren Temperaturen von bis zu 200 °C, bis zu 250 °C, bis zu 300 °C, bis zu 350 °C, bis zu 400 °C, bis zu 600 °C, bis zu 800 °C, bis zu 1000 °C, oder sogar mehr, die Messelektronik davor bewahren kann, während eines Messvorgangs schädigend hohe
Temperaturen anzunehmen. Ferner soll das Gehäuse derart ausgestaltet und temperierend sein, dass auch aufgrund von auftreffender Strahlung bei den in Öfen typischerweise herrschenden Strahlungsintensitäten von bis zu 1 kW/m2, oder vorzugsweise bis zu 5 kW/m2, bis zu 10 kW/m2, bis zu 20 kW/m2, bis zu
30 kW/m2 oder sogar bis zu 100 kW/m2, keine schädigend hohen Temperaturen im Innern des Gehäuses auftreten. Anders ausgedrückt soll das Gehäuse aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften wie seiner thermisch trägen Masse, seiner thermischen Isolierwirkung und/oder seines an seiner Außenoberfläche bewirkten Reflektionsvermögens die darin aufgenommene Messelektronik vor thermischer Schädigung schützen. Beispielsweise kann das Gehäuse derart ausgestaltet sein, dass die Messelektronik sich bei den genannten Bedingungen während eines beispielsweise 10 s, 20 s, 30 s, 40 s, 60 s oder länger dauernden Messvorgangs auf nicht mehr als eine für die Funktion der Messelektronik als unkritisch angesehene Temperatur von beispielsweise 80 °C, 100 °C, 120 °C oder 150 °C erhitzt.
Die Messeinrichtung kann mit ihrem Gehäuse eine eigenständige Baugruppe darstellen. Im Vergleich zu der Messeinrichtung kann der Strahlungssensor
verhältnismäßig klein sein und wird daher von einer speziellen Halteeinrichtung mechanisch gehalten.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Strahlungssensor ein Halbleiterbauelement sein, insbesondere eine Solarzelle.
Strahlungssensoren in Form von Halbleiterbauelementen können einfach, kostengünstig und/oder robust bereitgestellt werden.
Beispielsweise kann der Strahlungssensor eine Fotodiode sein, in der durch auftreffende Strahlung elektrische Ladungsträger erzeugt werden und somit ein mit der
Strahlungsintensität korrelierendes elektrisches Strahlungssensorsignal erzeugt werden kann.
Als spezielle Ausgestaltung eines Halbleiterbauelements kann als Strahlungssensor eine Solarzelle eingesetzt werden. Solarzellen sind eine Art flächige Fotodiode, bei der die Detektionsfläche verhältnismäßig groß ist und im Wesentlichen der gesamten hin zu einer Strahlungsquelle gerichteten Oberfläche der Solarzelle entspricht. Insbesondere zum Messen von Strahlungsintensitäten in Öfen, die selbst beim Fertigen von
Solarzellen eingesetzt werden sollen, kann es vorteilhaft sein, eine Solarzelle als Strahlungssensor einzusetzen, da diese sich im Allgemeinen insbesondere hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften, aber auch hinsichtlich anderer physikalischer
Eigenschaften, ähnlich verhalten kann, wie die zu fertigenden Solarzellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Detektionsfläche des Strahlungssensors kleiner als 50 cm2, vorzugsweise kleiner als 25 cm2, kleiner als 10 cm2, kleiner als 5 cm2, kleiner als 2 cm2 oder sogar kleiner als 1 cm2 sein.
In einem Strahlungssensor mit einer solchen verhältnismäßig kleinen Detektionsfläche wird nur wenig Strahlung absorbiert und somit ein Strahlungssensorsignal mit einem verhältnismäßig geringen elektrischen Strom generiert. Solche Strahlungssensorsignale sind einfacher zu übermitteln und auszuwerten als Strahlungssensorsignale mit hohen Stromstärken, welche von großflächigen Strahlungssensoren erzeugt würden.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, einen umso kleinflächigeren Strahlungssensor zu verwenden, je höher die erwarteten zu messenden Strahlungsintensitäten sind. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Größe der Detektionsfläche derart zu bemessen, dass bei den angenommenen maximal zu messenden Strahlungsintensitäten eine von dem Strahlungssensor generierte Signalstromstärke möglichst kleiner als 2 A, vorzugsweise kleiner als 1 A oder kleiner als 0,5 A, bleibt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die vorgeschlagene Vorrichtung ferner einen Temperatursensor aufweisen, welcher an oder nahe dem Strahlungssensor angeordnet ist und welcher abhängig von einer lokal vorherrschenden Temperatur ein
Temperatursensorsignal erzeugt. Dabei kann die Messelektronik der Messeinrichtung die Funktion des Strahlungssensors unter Berücksichtigung des
Temperatursensorsignals steuern und/oder das Strahlungssensorsignal unter
Berücksichtigung des Temperatursensorsignals auswerten.
Es wurde erkannt, dass die Funktionsweise des Strahlungssensors von der aktuell bei ihm vorherrschenden Temperatur beeinflusst sein kann. Je nach vorherrschender Temperatur kann ein Strahlungssensorsignal bei gleicher tatsächlicher Strahlungsintensität größer oder kleiner sein. Um diesen bei der Strahlungsmessung wirkenden Einfluss bei der Steuerung des Strahlungssensors und/oder der Auswertung der von dem Strahlungssensor gelieferten Strahlungssensorsignale berücksichtigen zu können, wird daher vorgeschlagen, in der Nähe des Strahlungssensors ergänzend einen Temperatursensor vorzusehen. Der Temperatursensor kann technisch auf
unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Insbesondere kann der Temperatursensor dazu ausgestaltet sein, Temperaturen von bis zu 200°C, bis zu 300°C, bis zu 400°C, bis zu 600°C, bis zu 1000 °C oder sogar mehr messen zu können. Beispielsweise kann der Temperatursensor als Thermoelement Temperaturen mithilfe des thermoelektrischen Effekts messen. Insbesondere kann der Temperatursensor als Mantelthermoelement ausgestaltet sein.
Dabei kann gemäß einer konkreten Ausgestaltung der Temperatursensor vorzugsweise an einer von der Halteeinrichtung abgewandten Oberfläche des Strahlungssensors angeordnet sein.
Anders ausgedrückt kann der Temperatursensor an einer Oberfläche des
Strahlungssensors angebracht sein, welche im Einsatz hin zu den die
Strahlungsintensität erzeugenden Strahlungsquellen gerichtet ist. In einer solchen räumlichen Anordnung kann der Temperatursensor einfach an dem Strahlungssensor angebracht werden, da die von der Halteeinrichtung abgewandte Oberfläche leicht zugänglich ist. Beispielsweise kann der Temperatursensor bei einem als Solarzelle ausgebildeten Strahlungssensor auf einen Metallkontakt, insbesondere einen Busbar, aufgebracht, d.h. beispielsweise an gelötet, werden.
Alternativ wäre vorstellbar, den Temperatursensor an einer der Halteeinrichtung zugewandten Oberfläche des Strahlungssensors anzuordnen. Bei einer solchen
Positionierung wäre der Temperatursensor im Einsatz nicht direkter Beleuchtung ausgesetzt, wodurch die tatsächliche Temperatur des Strahlungssensors genauer ermittelt werden könnte. Allerdings kann diese Oberfläche aufgrund der
Halteeinrichtung schwieriger zugänglich sein. Außerdem kann in dieser Konstellation durch den Temperatursensor beispielsweise ein Wärmekontakt zwischen dem Strahlungssensor und der Halteeinrichtung negativ beeinflusst werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Halteeinrichtung einen Kühlkörper auf, der verglichen mit dem Strahlungssensor ein deutlich größeres Volumen, eine deutlich höhere Wärmekapazität und/oder eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Anders ausgedrückt kann an der Halteeinrichtung ein Bauelement vorgesehen sein, welches verglichen mit dem Strahlungssensor eine größere thermisch träge Masse aufweist und vorzugsweise auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und welches somit beim Einbringen in einen Ofen seine eigene Temperatur weniger schnell ändert als der Strahlungssensor dies alleine tun würde und dabei in dem Strahlungssensor generierte Wärme ableitet. Ein solches Bauelement wirkt für den Strahlungssensor dann als passiver Kühlkörper. Der Strahlungssensor kann dabei direkt an dem Kühlkörper angeordnet sein oder zumindest in gut wärmeleitendem Kontakt zu dem Kühlkörper stehen. Dementsprechend kann Wärme, die in dem Strahlungssensor durch Absorption der zu detekti er enden Strahlung entsteht, schnell und effizient abgeleitet werden und so eine Überhitzung des Strahlungssensors vermieden werden. Das Volumen, die
Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers bzw. des diesen bildenden Materials können beispielsweise wenigstens 20 %, vorzugsweise wenigstens 50 %, wenigstens 100 % oder wenigstens 200 % größer sein als bei dem
Strahlungssensor.
Gemäß einer konkreten Ausgestaltung kann der Kühlkörper eine sich verjüngende Geometrie, insbesondere in Form eines Pyramidenstumpfes oder eines Kegel stumpfes, mit einer größeren Grundfläche und einer im Vergleich zu der Grundfläche kleineren Deckfläche aufweisen. Dabei kann der Strahlungssensor an der Deckfläche des Pyramidenstumpfes angeordnet sein.
Ein sich verjüngender, insbesondere Pyramidenstumpf-förmiger Kühlkörper kann einerseits ein verhältnismäßig großes Kühlvolumen bereitstellen. Andererseits können die Seitenflächen eines solchen Pyramidenstumpf-förmigen Kühlkörpers derart geneigt orientiert sein, dass daran reflektierte Strahlung von dem an der Deckfläche
angeordneten Strahlungssensor weg gerichtet wird. Hierdurch kann vermieden werden, dass an dem Kühlkörper reflektierte Anteile der in dem Ofen vorherrschenden Strahlung bei der Strahlungsintensitätsmessung zu Verfälschungen des Messergebnisses führen. Die Deckfläche des Kühlkörpers kann in etwa gleich groß sein wie die Fläche des Strahlungssensors. Dabei kann die Grundfläche des Kühlkörpers beispielsweise mehr als doppelt so groß, vorzugweise mehr als fünfmal so groß oder mehr als zehnmal so groß wie die Deckfläche des Kühlkörpers sein.
Für den Fall, dass die hier vorgeschlagene Vorrichtung über mehrere
Strahlungssensoren verfügt, können diese auf mehreren Pyramidenstumpf-förmigen Kühlkörpern angeordnet sein. Dabei können sowohl die Strahlungssensoren als auch die Kühlkörper in unterschiedlichen Orientierungen ausgerichtet sein. Hierdurch können beispielsweise inhomogene Strahlungsfelder vorteilhaft ausgemessen werden und dabei die Kühlkörper jeweils so ausgerichtet werden, dass an ihren Oberflächen auftreffende Strahlung derart reflektiert wird, dass sie den gesamten Messvorgang möglichst nicht stört.
Gemäß einer weiteren konkreten Ausgestaltung kann eine Oberfläche des Kühlkörpers dazu ausgebildet sein, auftreffende Strahlung weit überwiegend zu reflektieren.
Anders ausgedrückt kann der Kühlkörper insbesondere an den an die Deckfläche angrenzenden Seitenflächen hellfarben, weiß oder sogar metallisch reflektierend ausgebildet sein, sodass zumindest mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 80%, mehr als 90% oder sogar mehr als 98% der auftreffenden Strahlungsintensität reflektiert werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass erhebliche Anteile der in dem Ofen
vorherrschenden und auf den Kühlkörper auftreffenden Strahlung in dem Kühlkörper absorbiert werden und diesen übermäßig erwärmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Halteeinrichtung sich über eine Grundfläche erstrecken, welche wenigstens fünffach größer, vorzugsweise wenigstens zehnfach größer oder sogar wenigstens hundertfach größer, ist als die Detektionsfläche des Strahlungssensors. Mit anderen Worten kann der vorzugweise kleinflächige Strahlungssensor auf einer im Vergleich hierzu deutlich großflächigeren Halteeinrichtung gehalten sein. Die
Halteeinrichtung kann hierbei eine Grundfläche aufweisen, welche in einer ähnlichen Größenordnung liegt, wie die Grundfläche von typischerweise in dem Ofen zu temperierenden Solarzellen. Solche Solarzellen weisen heutzutage meist Grundflächen von zwischen 100x100mm2 und 200x200mm2 auf. Die genannte Grundfläche braucht hierbei von der Halteeinrichtung nicht notwendigerweise vollflächig abgedeckt werden. Stattdessen kann die Halteeinrichtung beispielsweise Streben aufweisen, welche sich über diese Grundfläche erstrecken, um sich über die gesamte Grundfläche hinweg beispielsweise an einem Gürtel eines Durchlaufofens abstützen zu können.
Im Falle eines Durchlauf ofens, in dem beispielsweise ein aus Metallgliedem
zusammengesetzter Gürtel dazu eingesetzt wird, Solarzellen durch ein Strahlungsfeld im Innern des Ofens hindurch zu bewegen, kann somit der kleinflächige
Strahlungssensor mit seiner großflächigen Halteeinrichtung problemlos auf den Gürtel platziert werden, wohingegen der kleine Strahlungssensor alleine Gefahr laufen könnte, zwischen einzelne Glieder dieses Gürtels zu rutschen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Halteeinrichtung ein nachfolgend als
Flächenelement bezeichnetes flächiges Bauelement aufweisen, welches eine
Ab Stützfläche der Halteeinrichtung bildet.
Anders ausgedrückt kann die Halteeinrichtung mehrteilig aufgebaut sein und dabei beispielsweise zusätzlich zu dem Kühlkörper das großflächige Flächenelement aufweisen. Während der Kühlkörper meist massiv und beispielsweise aus Metall ausgebildet sein kann, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität bieten zu können, soll das Flächenelement lediglich die Abstützfläche der Halteeinrichtung, d.h. diejenige Fläche, mit der die Halteeinrichtung bei einer Messung in einem Ofen abgestützt wird, vergrößern, braucht aber selbst keine hohe Wärmeleitfähigkeit oder Wärmekapazität aufweisen. Eine Fläche des Flächenelements kann dabei deutlich größer, d.h. wenigstens doppelt, fünffach oder zehnmal so groß wie die Grundfläche des Kühlkörpers sein. Gemäß einer konkreten Ausgestaltung kann das Flächenelement dazu ausgebildet sein, auftreffende Strahlung weit überwiegend zu absorbieren.
Beispielsweise kann das Flächenelement zumindest an seiner zu dem Kühlkörper gerichteten Oberfläche dunkelfarbig oder sogar schwarz sein. Dementsprechend wird während eines Messvorgangs auftreffende Strahlung allenfalls zu einem geringen Teil an dem Flächenelement reflektiert, wohingegen deutlich mehr als 50 %, vorzugsweise deutlich mehr als 80 %, 90 % oder sogar 98 % der auftretenden Strahlung von dem Flächenelement absorbiert werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass an dem Flächenelement reflektierte Strahlung ein von dem Strahlungssensor generiertes Messergebnis verfälschen kann.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Messeinrichtung und die Halteeinrichtung separate Bauteile. Der Strahlungssensor ist hierbei mit der Messeinrichtung über flexible Verbindungsleitungen zur Signalübertragung verbunden. Eventuell kann die hierin beschriebene Vorrichtung auch über mehrere Strahlungssensoren verfügen, welche jeweils separat von der Messeinrichtung und gegebenenfalls auch separat voneinander vorgesehen sein können.
Mit anderen Worten können die Messeinrichtung einerseits und die Halteeinrichtung mit dem daran gehaltenen Strahlungssensor andererseits physikalisch als getrennte Einheiten ausgebildet sein. Die Messeinrichtung mit ihrem Gehäuse sowie die
Halteeinrichtung können dabei jeweils für sich selbsttragend und/oder verhältnismäßig starr ausgebildet sein.
Elm unter anderem Strahlungssensorsignale von dem Strahlungssensor an die
Messeinrichtung übertragen zu können, sind zwischen beiden Einheiten elektrisch leitfähige Verbindungsleitungen vorgesehen. Die Verbindungsleitungen können dabei ausreichend flexibel sein, sodass die beiden Einheiten trotz bestehender Signal übertragungsmöglichkeit relativ zueinander bewegt werden können. Eine solche aus zumindest zwei Teileinheiten bestehende Vorrichtung, bei der jede Teileinheit in etwa die Größe einer typischen Solarzelle aufweisen kann, kann vorteilhaft gehandhabt und/oder in einem Ofen aufgenommen bzw. durch einen Durchlaufofen bewegt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messelektronik dazu konfiguriert sein, den Strahlungssensor unter Anlegen einer elektrischen Gegenspannung zu betreiben.
Anders ausgedrückt wurde es als vorteilhaft erkannt, insbesondere einen als Fotodiode oder Solarzelle ausgebildeten Strahlungssensor nicht spannungsfrei, sondern mit einer geringfügigen elektrischen Gegenspannung zu betreiben. Die Gegenspannung kann als Sperrspannung wirken. Zu diesem Zweck kann die Messelektronik über eine elektrische Spannungsquelle, beispielsweise in Form einer Batterie, verfügen. Die Gegenspannung sollte deutlich geringer als eine Durchbruchspannung der Fotodiode bzw. der Solarzelle sein, d.h. beispielsweise geringer als 10 V, vorzugsweise geringer als 3 V oder sogar geringer als 1,5 V, sein.
Wie weiter unten detaillierter dargestellt, kann durch das Anlegen der Gegenspannung ein nichtlineares Ansprechen des Strahlungssensors vermieden bzw. verringert werden. Hierdurch kann eine Sensitivität erhöht bzw. eine Auswertung von Messergebnissen vereinfacht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von
Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf strukturelle
Eigenschaften einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung und teilweise mit Bezug auf deren funktionale Eigenschaften beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die für einzelne Ausführungsformen beschriebenen
Merkmale in analoger Weise geeignet auf andere Ausführungsformen übertragen werden können, angepasst werden können und/oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung und möglicherweise
Synergieeffekten zu gelangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, wobei weder die Zeichnungen noch die Erläuterungen als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen einer Strahlungsintensität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Strahlungssensors auf einer Halteeinrichtung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen Graphen zum Veranschaulichen einer Abhängigkeit eines Strahlungssensorsignalstroms von einer detektierten Lichtintensität.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche bzw.
gleichwirkende Merkmale.
BESCHREIBUNG VON VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um ein Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung und ihren
Einsatzmöglichkeiten und Vorteilen zu verbessern, wird nachfolgend zunächst eine mögliche Anwendung beschrieben, für die die hierin beschriebene
Vorrichtung entwickelt wurde und eingesetzt werden kann. Ferner werden alternative Lösungsansätze beschrieben, welche analysiert wurden, um den bei der beschriebenen Anwendung auftretenden Anforderungen gerecht zu werden. Erst anschließend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. a ) Hintergrund
Wafer-basierte Silicium-Solarzellen dominieren derzeit den Markt für
photovoltaische Energieerzeugung. Es ist bekannt, dass Silicium-basierte
Solarzellen unter sogenannter Licht-induzierte Degradation (LID) leiden können, d.h. die Leistungsfähigkeit der Solarzellen kann sich unter Beleuchtung sukzessive verringern. Es sind verschiedene Formen von lichtinduzierter
Degradation bekannt. Untersuchungen haben ergeben, dass beispielsweise durch Licht bzw. damit erzeugte Überschussladungsträger eine Bildung von Defekten in einem Silicium -Wafer oder an dessen Oberfläche induziert werden kann.
Einigen Arten von lichtinduzierter Degradation ist gemein, dass sie nicht nur durch Beleuchtung bzw. Injektion von Überschussladungsträgern ausgelöst werden bzw. deren Kinetik beschleunigt wird, sondern dass es, unter gewissen Bedingungen, auch bei fortgesetzter Beleuchtung bei erhöhter Temperatur zu einer dauerhaften Neutralisation der Defekte und damit zu einer dauerhaften sogenannten Regeneration der Leistungsfähigkeit von Solarzellen kommen kann. Daher bietet sich die Möglichkeit, zumindest bestimmte LID-Arten zu
neutralisieren, indem Solarzellen nach ihrer Fertigstellung für eine bestimmte Zeit bei erhöhter Temperatur beleuchtet und somit ein Degradation-Regeneration- Zyklus möglichst beschleunigt durchlaufen wird, bevor die Solarzellen beim Endanwender zum Einsatz kommen.
In US 2016/0141445 Al, US 2011/0162716 Al, US 8,263,176 B2 und
US 2010/0243036 Al sind Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen eines Photovoltaikelements mit stabilisiertem Wirkungsgrad beschrieben. In den vergangenen Jahren wurden hierzu von verschiedenen Firmen Beleuchtungs anlagen, die der Regeneration von Solarzellen dienen, auf den Markt gebracht.
Da bei der Massenproduktion von Solarzellen in der Regel eine Inline-Produktion bevorzugt wird, bei der Solarzellen nicht in größeren Gruppen (Batches), sondern sequenziell prozessiert werden, bietet sich auch für solche Regenerationsanlagen eine Durchlaufanlage an, bei der Solarzellen auf einem Transportmedium wie einem umlaufenden Gürtel durch eine oder mehrere beleuchtete und gegebenen falls erwärmte Zonen transportiert werden. In einer solchen Zone wird ein intensives Strahlungsfeld beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von optisch sichtbarem Licht oder Infrarotlicht generiert. Zur Beleuchtung können thermische Lichtquellen wie beispielsweise Halogenlampen oder alternativ auch Leuchtdioden (LEDs) oder Laser eingesetzt werden.
Dabei können in einem Durchlaufofen, wie er typischerweise zum Regenerieren von Solarzellen eingesetzt wird, Temperaturen von bis zu 400 °C und/oder Beleuchtungsintensitäten von bis zu 100 Sonnen (stromäquivalent) erreicht werden. Erfahrungen zeigen, dass zum Beispiel bei der Regeneration von sogenannter Bor-Sauerstoff-korrelierter LID Temperaturen im Bereich von 200- 300 °C während bis zu 1 Minute bei Beleuchtungsintensitäten von etwa 10 Sonnen (ca. 10 kW/m2) eingesetzt werden.
Für eine erfolgreiche Durchführung eines Regenerationsprozesses kann dabei die richtige Kombination aus Temperatur, Beleuchtungsstärke bzw. Injektion und Dauer erforderlich sein. Bereits verhältnismäßig geringfügige Abweichungen beispielsweise bei der in einem Durchlaufofen herrschenden Strahlungsintensität können einen erheblichen Einfluss auf den Regenerationsprozess haben.
Es kann daher ein Bedarf an einer Vorrichtung bestehen, mit der
Strahlungsintensitäten und vorzugsweise auch Temperaturen in einem Ofen, insbesondere einem Durchlaufofen, quantitativ überwacht werden können. b ) Alternative Lösungsansätze
Es wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Ansätze getestet bzw. analysiert, mit denen dem oben genannten Bedarf entsprochen werden sollte und mit denen insbesondere die Strahlungsintensität in einem Durchlaufofen gemessen werden sollte. Einige dieser Ansätze werden nachfolgend kurz erörtert.
In einem ersten Ansatz wird der Durchlaufofen geöffnet, sodass eine beleuchtete Zone zumindest teilweise offen liegt und händisch die Beleuchtungsintensität gemessen werden kann. Allerdings stellt sich bei hohen Beleuchtungsintensitäten die Frage nach einer arbeitsschutzrechtlichen Zulässigkeit eines solchen Ansatzes. Bereits ein LED-basierter Durchlaufofen, spätestens j edoch ein Laser-basierter Durchlaufofen, muss entsprechend bestimmter Schutzklassen, d.h. beispielsweise einer Laser-Schutzklasse, betrieben werden. Ein Öffnen eines solchen Systems ist in der Regel nicht zulässig, ohne die Umgebung geeignet zu schützen. In einer industriellen Massenproduktion erscheint ein solcher Ansatz daher nicht sinnvoll.
In einem zweiten Ansatz wird eine aufgenommene elektrische Leistung der in einem Durchlaufofen eingesetzten Strahlungsquellen überwacht. Dies kann allerdings den Nachteil haben, dass damit einerseits nicht gewährleistet ist, dass einer gleichen aufgenommenen elektrischen Leistung auch eine vergleichbare optische abgegebene Leistung gegenübersteht. Altert beispielsweise die
Strahlungsquelle, kann sich deren optische Ausbeute verändern. Beispielsweise kann eine typischerweise verkapselte LED mit der Zeit einen Teil ihrer optischen Leistung einbüßen, weil sich beispielsweise das Verkapselungsmaterial durch lange thermische Belastung eintrübt. Zum anderen gibt die aufgenommene elektrische Leistung nicht zwangsläufig an, wo, das heißt in welchen Bereichen des Durchlaufofens, die abgegebene optische Leistung ihre Wirkung entfaltet. Zum Beispiel erzeugt eine Anordnung paralleler Halogenstrahler in gewissen räumlichen Abständen vergleichsweise hohe Beleuchtungsintensitäten direkt unterhalb der Halogenstrahler, aber vergleichsweise geringe Beleuchtungs intensitäten zwischen benachbarten Halogenstrahlem.
Bei einem dritten Ansatz werden in einer Durchlaufanlage optische Sensoren platziert, welche einer Messung von Strahlungsintensitäten dienen. Es bietet sich hierbei entweder die Möglichkeit an, die Sensoren direkt in der beleuchteten Zone zu installieren. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass die Sensoren erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Es kann ein Risiko bestehen, dass Materialien, die in den Sensoren beispielsweise zur Verkapselung oder für Lötverbindungen eingesetzt werden, solchen Temperaturen nicht standhalten. Daher ist oftmals zumindest eine passive, besser jedoch eine aktive Kühlung nötig, um einen dauerhaften Betrieb der Sensoren ermöglichen zu können. Alternativ kann ein Sensor außerhalb des heißen Bereichs im Ofen platziert werden und eine optische Leistung beispielsweise mittels einer Glasfaser zum Sensor transportiert werden. Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes ist, dass die Intensitätsüberwachung räumlich unflexibel ist und insbesondere bauliche Veränderungen erfordert, welche unter anderem eine Funktionalität beeinträchtigen können.
Bei einem vierten Ansatz wird ein Beleuchtungssensor an einer langen Lanze befestigt, die entlang eines Durchlaufkanals in einen Durchlaufofen von dessen Eingangs- oder Ausgangsseite her eingeführt werden kann. Eine solche Lanze kann beispielsweise in Form eines Rohres ausgeführt sein, sodass Gas oder eine Flüssigkeit zur Temperierung des Beleuchtungssensors eingesetzt werden kann. Bei einer Länge typischer Durchlauföfen von einigen Metern ergibt sich dabei eine entsprechende Lanzenlänge von ebenfalls einigen Metern. Eine derart lange Lanze ist in einem engen Umfeld schwer zu handhaben und in einer industriellen Massenproduktion kaum einsetzbar, insbesondere wenn eine vorgelagerte bzw. eine nachgelagerte Produktionsanlage eng an dem für die Regeneration eingesetzten Durchlaufofen steht, wie es in der industriellen Massenfertigung üblich ist. Ein größerer Abstand zwischen Anlagen wäre hier gleichbedeutend mit einem größeren Footprint und würde den Einsatz eines solchen Systems verteuern.
Die genannten Ansätze zur Messung von Strahlungsintensitäten in einem
Durchlaufofen können zwar prinzipiell funktionieren, erscheinen jedoch vergleichsweise wenig praktikabel oder aufwendig. c ) Ausführungsformen der Erfindung
Ausführungsformen des hierin beschriebenen Ansatzes können ermöglichen, Vorteile einer arbeitsrechtlich sicheren Handhabung, eines flexiblen Einsatzes sowie verhältnismäßig geringer Nachrüstkosten zu vereinen.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere zum Messen einer Strahlungsintensität in einem Durchlaufofen eingesetzt werden. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Strahlungssensor 3, eine Messeinrichtung 5 sowie eine Halteeinrichtung 7. Der Strahlungssensor 3 weist eine
strahlungsempfindliche Detektionsfläche 9 auf. Wenn Strahlung auf diese Detektionsfläche 9 trifft, erzeugt der Strahlungssensor 3 abhängig von der Strahlungsintensität ein Strahlungssensorsignal. Dieses Strahlungssensorsignal kann über flexible Verbindungsleitungen 25 an die Messeinrichtung 5 übermittelt werden. Die Messeinrichtung 5 verfügt über eine Messelektronik 11. Die
Messelektronik 11 kann das Strahlungssensorsignal auswerten. Alternativ oder ergänzend kann die Messelektronik 11 eine Funktion des Strahlungssensors 3 steuern.
Beispielsweise kann die Messelektronik 11 aus einem Miniaturrechner (Raspberry Pi oder Pi Zero) zur Steuerung einer Datenerfassung, interner Berechnungen, Datenspeicherung und Kommunikation nach außen hin bestehen. Hierbei kann die Messelektronik 11 einen Strom-Spannung-Wandler aufweisen, der das
Strahlungssensorsignal des Strahlungssensors 3 für einen Analog-Digital -Wandler aufbereitet.
Die Messelektronik 11 ist mit dem Strahlungssensor 3 über Verbindungsleitungen 25 in Form flexibler Drähte oder Kabel verbunden, sodass sowohl der von der Halteeinrichtung 7 gehaltene Strahlungssensor 3 als auch die Messeinrichtung 5 einzeln bewegt und beispielsweise in den Durchlaufofen eingeführt werden können, zumindest solange die Verbindungsleitungen 25 weder starr noch gespannt sind.
Um die Messelektronik 11 vor den in einem Durchlaufofen herrschenden hohen Temperaturen und Strahlungsintensitäten schützen zu können, ist sie in einem Gehäuse 27 untergebracht. Das Gehäuse 27 verfügt über eine thermische
Isolierung und/oder eine thermisch träge Masse, welche dafür sorgt, dass während des Messvorgangs trotz hoher Umgebungstemperaturen und/oder starker
Beleuchtungsintensitäten, wie sie im Inneren des Durchlaufofens vorherrschen, innerhalb des Gehäuses 27 keine Temperaturen entstehen und auf die
Messelektronik 11 einwirken, welche die Messelektronik 11 stören oder sogar schädigen würden. Ferner kann das Gehäuse 27 an seiner Außenseite verspiegelt sein oder zumindest stark reflektierend sein, sodass Strahlung kaum absorbiert wird.
Um Strahlungsintensitäten beispielsweise in einem Durchlaufofen messen zu können, kann somit die Vorrichtung 1 mit ihrer Messeinrichtung 5 sowie ihrem separat vorgesehenen und von der Halteeinrichtung 7 gehaltenen Strahlungssensor 3 auf den Gürtel des Durchlaufofens gesetzt werden. Die gesamte Vorrichtung 1 wird dann durch das Innere des Durchlaufofens bewegt und kann dabei das dort herrschende Strahlungsfeld und gegebenenfalls auch die dort herrschenden bzw. an dem Strahlungssensor bewirkten Temperaturen vermessen.
Aus den dabei erhaltenen präzisen Daten können Rückschlüsse darauf gezogen werden, welche Strahlungsintensitäten beispielsweise auf Solarzellensubstrate wirken, die unter den selben Bedingungen durch den Durchlaufofen bewegt werden.
Als räumlich separater Strahlungssensor 3 kann hierbei ein optischer Sensor wie eine Fotodiode eingesetzt werden. Alternativ kann eine Solarzelle 13 als
Strahlungssensor 3 eingesetzt werden, was den Vorteil mit sich bringen kann, dass diese vergleichbare optische Eigenschaften wie die eigentlich zu produzierenden Solarzellen aufweisen kann, sodass bei einer Auswertung von Strahlungssensor signalen beispielsweise keine Korrekturen von optischen Einflüssen nötig sein können.
Dabei ist es jedoch im Allgemeinen nicht sinnvoll, als Strahlungssensor 3 eine typische industriell hergestellte Solarzelle einzusetzen, welche eine große Fläche von beispielsweise 15,6 x 15,6 cm2 aufweist. Eine solche großflächige Solarzelle würde bereits bei einer Beleuchtung von lediglich einer Sonne (ca. 1 kW/m2) Ströme von etwa 10 A generieren. Bei den zur Regeneration eingesetzten
Durchlauföfen werden Strahlungsintensitäten von typischerweise 10 Sonnen und mehr eingesetzt, sodass die von einer großen Solarzelle generierten Stromstärken für präzise Messungen kaum mehr zu handhaben wären. Daher wird als Strahlungssensor 3 vorzugsweise eine sehr kleine Solarzelle eingesetzt, deren Detektionsfläche kleiner als 50 cm2, d.h. beispielsweise lediglich 1 cm2 groß, ist. Der Strahlungssensor 3 bzw. dessen Größe kann je nach erwarteter zu messender Strahlungsintensität angepasst werden.
Aufgrund der hohen Strahlungsintensität und der erhöhten Umgebungstemperatur in einem Durchlauf ofen muss nicht nur die Messelektronik 11, sondern auch der Strahlungssensor 3 vor Beschädigungen durch übermäßige Erhitzung geschützt werden. Eine aktive Kühlung beispielsweise mithilfe von Flüssigkeiten oder Gasen erscheint kaum umsetzbar. Daher wird bei der Vorrichtung 1 auf eine passive Kühlung zurückgegriffen.
Sitzt der Strahlungssensor 3 auf einem Kühlkörper 17 mit großer Oberfläche, so kann Wärme über Gaskonvektion oder thermische Abstrahlung abgetragen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kühlkörper 17 eine stark reflektierende Oberfläche aufweist und somit auftreffende Strahlung kaum absorbiert. Ein thermisch gut leitfähiges Material des Kühlkörpers 17 bietet zudem die Möglichkeit, Wärme, die im Strahlungssensor 3 zur Absorption während der Intensitätsmessung anfällt, effektiv abzuleiten und gleichmäßig auf den Kühlkörper 17 zu verteilen. Eine entsprechend thermisch gut leitfähige Anbindung des Strahlungssensors 3 an den Kühlkörper 17 ist somit vorteilhaft. Aufgrund typischerweise eingeschränkter Möglichkeiten von Gaskonvektion in einem Durchlaufofen, welcher die Temperatur einer Solarzelle im Bereich von über 200 °C halten soll, wird angenommen, dass eine Faltung der Oberfläche des Kühlkörpers 17 wenig Effekt bringt, solange sie die effektive Fläche des
Kühlkörpers 17 zur thermischen Abstrahlung nicht vergrößert.
Der Kühlkörper 17 kann somit auch massiv ausgeführt sein. Dies kann den Vorteil bieten, dass der Kühlkörper 17 eine große thermisch träge Masse aufweist, die einer Erwärmung des Kühlkörpers 17 sowie des daran angebrachten
Strahlungssensors 3 entgegenwirkt bzw. diese verzögert. Insbesondere bietet sich die Möglichkeit, den Kühlkörper 17 durch eine geeignete Wahl von Materialien, Geometrien und/oder Abmessungen so zu gestalten, dass ein Temperaturanstieg in dem daran angebrachten Strahlungssensor 3 während eines Messvorgangs derart begrenzt ist, dass eine Beschädigung des Strahlungssensors 3 vermieden wird. Beispielsweise sollte bei Lötverbindungen nicht die Schmelztemperatur erreicht werden.
Eine sich hin zu einer Deckfläche 21 verjüngende Geometrie beispielsweise in Form eines Pyramidenstumpfes, wie beispielhaft in Fig. 2 veranschaulicht, erscheint für den Kühlkörper 17 vorteilhaft. Der Strahlungssensor 3 kann dann an der Deckfläche 21 angebracht sein. Vorzugsweise ist der Strahlungssensor 3 flächig und in gutem thermischen Kontakt an die Deckfläche 21 angelagert. Der Strahlungssensor 3 und die Deckfläche 21 können hierbei etwa gleich groß sein. Hin zu einer der Deckfläche 21 entgegengesetzten Grundfläche 19 vergrößert sich der Querschnitt des Kühlkörpers 17, sodass der Kühlkörper 17 ein großes Volumen erhält. Außerdem sind Seitenflächen 20 zwischen der Grundfläche 19 und der zu dieser parallelen Deckfläche 21 vorzugsweise derart schräg orientiert, dass sie beispielsweise in einem Winkel von vorzugsweise mehr als 45° zu der Deckfläche 21 angeordnet sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass auf die Seitenflächen 20 auftreffende Strahlung weg von dem auf der Deckfläche 21 angebrachten Strahlungssensor 3 reflektiert wird und somit dessen Messergebnis nicht verfälscht.
Die Form einer vierseitigen Pyramide bzw. eines Pyramidenstumpfes mit vorzugsweise verspiegelten Seitenflächen 20 kann für den Kühlkörper 17 einen guten Kompromiss aus vorteilhaften Reflexionseigenschaften, geringer
Absorption und großem Volumen bzw. großer Masse bei geringer Höhe darstellen. Der Kühlkörper 17 kann dabei sowohl als elektrischer Rückkontakt dienen als auch als thermisch träge Masse fungieren. Es sind jedoch auch andere Formen von Kühlkörpern 17 denkbar.
Des Weiteren sollte berücksichtigt werden, dass Durchlauföfen, die im
industriellen Einsatz zur Regeneration von Solarzellen eingesetzt werden, auf große Substratabmessungen von beispielsweise 15,6 x 15,6 cm2 ausgelegt sind. Kleinere Gegenstände wie beispielsweise ein kleinflächiger Strahlungssensor 3 können unter Umständen solche Anlagen nicht oder nur mit technischer
Unterstützung durchlaufen. Die Halteeinrichtung 7 bzw. der daran vorgesehene Kühlkörper 17 sollten daher hinsichtlich ihrer Form und Abmessungen so ausgelegt sein, dass sie durch eine solche Anlage hindurch transportiert werden können.
Dabei kann es vorteilhaft sein, die von einem Gürtel des Durchlaufofens abzustützende Fläche der Halteeinrichtung 7 zu vergrößern, indem ergänzend ein Flächenelement 23 vorgesehen wird. Dieses Flächenelement 23 kann beispiels weise an der Grundfläche 19 des Kühlkörpers 17 angebracht sein und eine deutlich größere Fläche als diese Grundfläche 19 aufweisen. Insbesondere kann die Fläche des Flächenelements derjenigen einer in dem Durchlauf ofen zu regenerierenden Solarzelle entsprechen. Das Flächenelement 23 braucht dabei nicht durchgängig sein. Stattdessen kann das Flächenelement 23, wie in den Figuren dargestellt, einen Rahmen 29 aufweisen, mit dem sich das Flächen element 23 an dem Gürtel des Durchlaufofens abstützen kann. Von dem Rahmen 29 aus können sich Streben 31 zum Zentrum des Flächenelements 23 erstrecken. Die Streben 31 können beispielsweise an einem zentralen Kreuzungspunkt den Kühlkörper 17 abstützen. Alternativ kann der Kühlkörper 17 auch außermittig gehalten sein.
Ferner können für die Vorrichtung auch mehrere Strahlungssensoren 3 vorgesehen sein. Jeder dieser Strahlungssensoren 3 kann dann beispielsweise auf einem von mehreren separaten Kühlkörpern 17 angeordnet sein. Die Kühlkörper 17 wiederum können an verschiedenen Positionen auf einem gemeinsamen Flächenelement 23 oder alternativ auch auf separaten Flächenelementen 23 angeordnet sein.
Um Reflexionen auftreffender Strahlung und damit einhergehende Störungen von Messergebnissen des Strahlungssensors 3 zu minimieren, kann eine Oberfläche des Flächenelements 23 dunkel bzw. schwarz ausgebildet sein, um auftreffende Strahlung weit überwiegend zu absorbieren. In der Regel hängt ein Messsignal des Strahlungssensors 3 auch von der
Eigentemperatur des Strahlungssensors 3 ab. Um diese Temperatur messen zu können, kann für die Vorrichtung 1 ergänzend ein Temperatursensor 15 vorgesehen sein. Der Temperatursensor 15 kann an oder in der Nähe des
Strahlungssensors 3 angeordnet sein, um die dort lokal vorherrschende
Temperatur messen zu können. Beispielsweise kann der Temperatursensor 15 ein Mantelthermoelement sein. Der Temperatursensor 15 kann beispielsweise an einem Busbar 33 der den Strahlungssensor 3 bildenden Solarzelle 13 angebracht, insbesondere angelötet, sein. Ein von dem Temperatursensor 15 ausgegebenes Temperatursensorsignal kann von der Messeinrichtung 5 bzw. deren
Messelektronik 11 dazu verwendet werden, die Funktion des Strahlungssensors 3 temperaturgerecht zu steuern und/oder das von dem Strahlungssensor 3 generierte Strahlungssensorsignal unter Berücksichtigung der aktuell gemessenen
Temperatur geeignet auszuwerten.
Im Falle eines Strahlungssensors 3, der wie eine Solarzelle 13 ein Stromsignal generiert, besteht prinzipiell die Möglichkeit, den Strahlungssensor 3 mithilfe der Messelektronik 11 in einem photovoltai sehen Modus (d.h. Spannung V > 0 und Stromstärke I < 0), d.h. ohne Anlegen einer Vorspannung, zu betreiben. Dabei kann es jedoch aufgrund von Widerständen zwischen dem Strahlungssensor 3 und der Messelektronik 11 oder auch in dem Strahlungssensor 3 selbst zu
Nichtlinearitäten bei dem Strahlungssensorsignal in Abhängigkeit von
Strahlungsintensitäten kommen. Dies ist in dem Graphen in Fig. 3
veranschaulicht. Um diesen Effekt zu minimieren, kann es vorteilhaft sein, den Strahlungssensor 3 nicht im photovoltai sehen Modus, sondern durch Anlegen einer Gegenspannung in einem photoleitenden Modus (V < 0 und I < 0), d.h. in Sperrrichtung zu betreiben. Hierdurch kann ein Einsetzen von Nichtlinearitäten vermieden oder zumindest verzögert werden.
Fig. 3 zeigt den gemessenen Strom Isc einer Solarzelle 13 bei Beleuchtung mit einem Laser in Abhängigkeit von der Leistung des Lasers (angegeben in Prozent der möglichen Maximalleistung). Ein Strom Isc von ca. 450 mA entspricht dabei einer Strahlungsintensität von ca. zehn Sonnen (ca. 10 kW/m2). Das deutlich zu erkennende Abknicken der Messkurven bzw. die Abweichung von der Gerade bereits bei kleinen Intensitäten kennzeichnet das Einsetzen von Nichtlinearitäten (siehe untere beiden Kurven bei Raumtemperatur bzw. bei 80°C), welches durch Anlegen der Gegenspannung hinausgezögert werden kann (siehe obere beiden
Kurven bei Raumtemperatur bzw. bei 80°C).
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen
Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zum Messen einer Strahlungsintensität
3 Strahlungssensor
5 Messeinrichtung
7 Halteeinrichtung
9 Detektionsfläche
11 Messelektronik
13 Solarzelle
15 T emperatursensor
17 Kühlkörper
19 Grundfläche
20 Seitenflächen
21 Deckfläche
23 Flächenelement
25 Verbindungsleitungen
27 Gehäuse
29 Rahmen
31 Streben
33 Busbar

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Messen einer Strahlungsintensität, insbesondere in einem Durchlaufofen, wobei die Vorrichtung (1) aufweist:
einen Strahlungssensor (3),
eine Messeinrichtung (5), und
eine Halteeinrichtung (7),
wobei der Strahlungssensor (3) eine strahlungsempfindliche Detektionsfläche (9) aufweist und bei Auftreffen von Strahlung auf die Detektionsfläche (9) abhängig von der Strahlungsintensität ein Strahlungssensorsignal erzeugt,
wobei die Messeinrichtung (5) eine Messelektronik (11) aufweist, um eine Funktion des Strahlungssensors (3) zu steuern und/oder um das Strahlungssensorsignal auszuwerten, wobei die Messeinrichtung (5) ferner ein Gehäuse (27) aufweist, welches die
Messelektronik (11) derart temperierend umgibt und mit physikalischen Eigenschaften einschließlich einer thermisch trägen Masse, seiner thermischen Isolierwirkung und seines an seiner Außenoberfläche bewirkten Reflektionsvermögens ausgestaltet ist, um die Messelektronik (11) während eines wenigstens 10 s dauernden Messvorgangs in Umgebungen mit Temperaturen von zumindest bis zu 100°C und Strahlungsintensitäten von zumindest bis zu 1 kW/m2 vor temperaturbedingten Beschädigungen durch eine Erwärmung der Messelektronik (11) auf über 150°C zu schützen,
wobei die Halteeinrichtung (7) den Strahlungssensor (3) hält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlungssensor (3) ein
Halbleiterbauelement, insbesondere eine Solarzelle (13), ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Detektionsfläche (9) kleiner als 50cm2 ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend einen Temperatursensor (15), welcher an oder nahe dem Strahlungssensor (3) angeordnet ist und welcher abhängig von einer lokal vorherrschenden Temperatur ein
Temperatursensorsignal erzeugt, wobei die Messelektronik (11) der Messeinrichtung (5) die Funktion des Strahlungssensors (3) unter Berücksichtigung des
Temperatursensorsignals steuert und/oder das Strahlungssensorsignal unter
Berücksichtigung des Temperatursensorsignals auswertet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Temperatursensor (15) an einer von der Halteeinrichtung (7) abgewandten Oberfläche des Strahlungssensors (3) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Halteeinrichtung (7) einen Kühlkörper (17) aufweist, der verglichen mit dem
Strahlungssensor (3) ein deutlich größeres Volumen, eine deutlich höhere
Wärmekapazität und/oder eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Kühlkörper (17) eine sich
verjüngende Geometrie, insbesondere in Form eines Pyramidenstumpfes, mit einer größeren Grundfläche (19) und einer kleineren Deckfläche (21) aufweist und wobei der Strahlungssensor (3) an der Deckfläche (21) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei eine Oberfläche des Kühlkörpers (17) dazu ausgebildet ist, auftreffende Strahlung überwiegend zu reflektieren.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Halteeinrichtung (7) sich über eine Grundfläche (19) erstreckt, welche wenigstens fünffach größer ist als die Detektionsfläche (9) des Strahlungssensors (3).
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Halteeinrichtung (7) ein Flächenelement (23) aufweist, welches eine Abstützfläche der Halteeinrichtung (7) bildet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Flächenelement (23) dazu ausgebildet ist, auftreffende Strahlung überwiegend zu absorbieren.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Messeinrichtung (5) und die Halteeinrichtung (7) separate Bauteile sind und wobei der
Strahlungssensor (3) mit der Messeinrichtung (5) über flexible Verbindungsleitungen (25) zur Signalübertragung verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Messelektronik (11) dazu konfiguriert ist, den Strahlungssensor (3) unter Anlegen einer elektrischen Gegenspannung zu betreiben.
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