铜铟镓硒薄膜红外热像测温研究
发布时间：2020-09-27 14:39
近年来,铜铟镓硒(CIGS)太阳能薄膜电池因制备过程能耗低、污染少,弱光发电性能好以及寿命长等优势在光伏领域中脱颖而出。在CIGS电池的制备过程中,准确控制膜层温度可改善薄膜成形质量,进而提高成品电池的光电转换效率。因此,CIGS电池制备过程中的温度监控极为重要。为在不干扰制备工艺的前提下监控薄膜表面温度,发展准确的非接触式测温方法是可行途径。本论文的研究目的即是发展准确的红外热像测温方法,并将其应用于CIGS薄膜在加热状态下的温度监控中,为CIGS薄膜在生长状态下温度的在线监控提供基础。为此,主要开展了以下工作。首先开展了薄膜样品的热物性研究,即测量和分析样品的比热容、导热系数和发射率。CIGS薄膜样品结构为“CIGS薄膜+Mo层+钠钙玻璃衬底”。CIGS薄膜和Mo层的总厚度远小于钠钙玻璃的厚度,可忽略CIGS薄膜和Mo层对薄膜样品比热容和导热系数的影响,即可分别用钠钙玻璃的比热容和导热系数替代薄膜样品的对应参数。薄膜在加热过程中组分会发生变化,而发射率与薄膜组分相关。因此,在测量发射率前后,我们还使用了扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)表征了薄膜样品,并结合传输矩阵法和有效介质理论分析了样品发射率变化的原因。结果表明随着温度升高,样品发射率增大,并且约在400℃后随着温度骤升,这是高温下薄膜被破坏后Mo层被氧化所致。因热像仪厂家未公开其装置的光谱响应度,不能直接将测得的薄膜样品发射率应用到红外热像测温的研究中。为此,基于红外热像测温理论,定义并标定了待测样品在热像仪响应波段内的表观发射率,进而提出了基于标定的表观发射率以迭代求解方式获取样品表面温度的方法。为验证其可靠性,分别进行了在常温条件下以铝板和黑漆试样为实验对象的测温实验,以及在中高温(200～600 ℃)条件下对黑体炉、铝箔和碳化硅的测温实验。常温实验结果表明,黑漆试样的红外热像测温结果与热电偶测试值吻合,但铝板的测温结果存在较大偏差,可能因铝板的反射辐射受环境波动影响大导致。中高温的测温实验中三种实验对象的红外热像测温结果与热电偶实测值基本一致。黑体炉的测温偏差可保持在3.7℃以内;碳化硅和铝箔属于非黑体,测温精度会受到表观发射率和背景温度的影响,两种实验对象分别在563.0和265.0℃时出现最大绝对测温偏差,分别约为9.3℃和5.7 ℃。不确定度分析结果表明表观发射率和红外热像仪的探测精度是影响测温精度的主导因素。最后将红外热像测温方法应用于加热状态CIGS薄膜测温中。为模拟CIGS薄膜的生长环境,我们研制了配备红外窗口且壁面温度可控的真空腔体,并分别在非真空水浴控温条件和真空液氮控温条件下进行了红外热像测温实验。结果表明两种实验条件下均能获得可靠的测温结果。非真空水浴控温条件下薄膜样品在高温下与空气发生氧化会引起表观发射率骤升;真空液氮控温条件下因样品不发生反应且能有效降低背景辐射的干扰,可提高测温精度。两种实验条件下的测温结果证实了应用红外热像测温技术准确探测CIGS薄膜样品温度的可行性,可为CIGS薄膜制造过程中温度的在线监控提供基础。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.42;TN219
【部分图文】：
膜的共蒸发制备技术路线也保持着高的电池转换效率。全球著名的研宄机构如德逡逑国太阳能和氢能研究机构（ＺＳＷ）和瑞士联邦材料科技实验室（ＥＭＰＡ）等均采逡逑用该技术路线。图１．２给出了共蒸发系统的装置示意图［１７］。共蒸发法制备ＣＩＧＳ逡逑薄膜的基本原理是将Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ四源单质分别置于真空的沉积室中，各单逡逑质源的蒸发温度独立控制，四种单质蒸发出来后在热的衬底（玻璃＋Ｍｏ）上反应，逡逑生成ＣＩＧＳ薄膜。共蒸发工艺有三步法和两步法两种方式。在三步法中，第一步逡逑是在相对较低的衬底温度下（约３５０。０沉积Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ，第二步将衬底温度逡逑提高到５００°Ｃ左右，再蒸发Ｃｕ和Ｓｅ，第三步在保持衬底温度的条件下，？再次蒸逡逑发Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ［１７］。而在二步法中，首先在衬底上形成富铜材料（［Ｃｕ］／［Ｉｎ＋Ｇａ］＞ｌ邋），逡逑一段时间后，关闭Ｃｕ蒸发源，在Ｓｅ蒸气氛围下保持Ｉｎ和Ｇａ蒸发源打开［１６］。逡逑在两步法和三步法中
邋ｐ型ＣＩＧＳ吸收层ｌ＊３／ｍｉ逡逑妈玻璃■亚胺衬底逡逑图１．１ＣＩＧＳ电池的构造示意｜１Ｓ｜逡逑需要指出的是，ＣＩＧＳ吸收层主导电池的性能。在ＣＩＧＳ薄膜电池制造过程逡逑中，当ＣＩＧＳ吸收层达到富铜状态时，可形成大的粗壮晶粒，从而获得高质量的逡逑吸收层［１６］。然而，为确保ＣＩＧＳ太阳能电池具有高的光电转换效率，在制备结束逡逑后又须让ＣＩＧＳ吸收层达到贫铜状态。因此，在ＣＩＧＳ薄膜电池的制备过程中，逡逑需要实现ＣＩＧＳ吸收层由富铜状态向贫铜状态的转变。该制备过程可由共蒸发技逡逑术实现。ＣＩＧＳ薄膜电池共蒸发法制备工艺是一种高效制备工艺，近年来ＣＩＧＳ薄逡逑膜的共蒸发制备技术路线也保持着高的电池转换效率。全球著名的研宄机构如德逡逑国太阳能和氢能研究机构（ＺＳＷ）和瑞士联邦材料科技实验室（ＥＭＰＡ）等均采逡逑用该技术路线。图１．２给出了共蒸发系统的装置示意图［１７］。共蒸发法制备ＣＩＧＳ逡逑薄膜的基本原理是将Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ四源单质分别置于真空的沉积室中，各单逡逑质源的蒸发温度独立控制，四种单质蒸发出来后在热的衬底（玻璃＋Ｍｏ）上反应，逡逑生成ＣＩＧＳ薄膜。共蒸发工艺有三步法和两步法两种方式。在三步法中
的热斑效应［６５］。此外，监控每个组件的伏安特性曲线不仅使得系统复杂且代价昂逡逑贵。因此，上述两种检测方法不能用于系统运行过程中及时探测失效电池。值得逡逑注意的是，热斑效应的表观现象是温度显著升高，如图１．３所示。因此即时监控逡逑电池阵列表面温度是探测失效电池的可能途径。红外热像仪作为一种非接触式测逡逑温手段，无须干涉电池组件，比监控伏安特性曲线易于实现。因此，可基于红外逡逑热像仪航拍测温技术即时监控光伏电池阵列温度，并准确判断失效电池位置。逡逑ｍ邋＾邋N邋ｊ邋Ｊｌ；逡逑图１．３光伏电池产生热斑效应时的红外图像逡逑前人采用红外热像仪针对热斑效应开展了研究工作。Ｍｕｎｏｚ等对硅电池组件逡逑的潜在隐患进行了研究，指出可借助红外热像仪获取电池表面温度分布，从而轻逡逑易探测到一些无法用视觉观察到的电池主体上的气泡位置［６６］。Ｂｕｅｒｈｏｐ等证实了逡逑基于红外热像仪研[側劝咝вΦ目尚行裕⑼ü笛楣鄄饬伺月匪鹗А⒌绯仄屏选㈠义洗砦蠛附右约胺至鞯绯氐炔煌Щ贫怨璧绯匚露鹊挠跋欤⑾值绲仄屏训挠板义舷熳畲螅鸬牡绯匚律纱铮玻担浚矗靛
本文编号：2828003
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.42;TN219
【部分图文】：
膜的共蒸发制备技术路线也保持着高的电池转换效率。全球著名的研宄机构如德逡逑国太阳能和氢能研究机构（ＺＳＷ）和瑞士联邦材料科技实验室（ＥＭＰＡ）等均采逡逑用该技术路线。图１．２给出了共蒸发系统的装置示意图［１７］。共蒸发法制备ＣＩＧＳ逡逑薄膜的基本原理是将Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ四源单质分别置于真空的沉积室中，各单逡逑质源的蒸发温度独立控制，四种单质蒸发出来后在热的衬底（玻璃＋Ｍｏ）上反应，逡逑生成ＣＩＧＳ薄膜。共蒸发工艺有三步法和两步法两种方式。在三步法中，第一步逡逑是在相对较低的衬底温度下（约３５０。０沉积Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ，第二步将衬底温度逡逑提高到５００°Ｃ左右，再蒸发Ｃｕ和Ｓｅ，第三步在保持衬底温度的条件下，？再次蒸逡逑发Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ［１７］。而在二步法中，首先在衬底上形成富铜材料（［Ｃｕ］／［Ｉｎ＋Ｇａ］＞ｌ邋），逡逑一段时间后，关闭Ｃｕ蒸发源，在Ｓｅ蒸气氛围下保持Ｉｎ和Ｇａ蒸发源打开［１６］。逡逑在两步法和三步法中
邋ｐ型ＣＩＧＳ吸收层ｌ＊３／ｍｉ逡逑妈玻璃■亚胺衬底逡逑图１．１ＣＩＧＳ电池的构造示意｜１Ｓ｜逡逑需要指出的是，ＣＩＧＳ吸收层主导电池的性能。在ＣＩＧＳ薄膜电池制造过程逡逑中，当ＣＩＧＳ吸收层达到富铜状态时，可形成大的粗壮晶粒，从而获得高质量的逡逑吸收层［１６］。然而，为确保ＣＩＧＳ太阳能电池具有高的光电转换效率，在制备结束逡逑后又须让ＣＩＧＳ吸收层达到贫铜状态。因此，在ＣＩＧＳ薄膜电池的制备过程中，逡逑需要实现ＣＩＧＳ吸收层由富铜状态向贫铜状态的转变。该制备过程可由共蒸发技逡逑术实现。ＣＩＧＳ薄膜电池共蒸发法制备工艺是一种高效制备工艺，近年来ＣＩＧＳ薄逡逑膜的共蒸发制备技术路线也保持着高的电池转换效率。全球著名的研宄机构如德逡逑国太阳能和氢能研究机构（ＺＳＷ）和瑞士联邦材料科技实验室（ＥＭＰＡ）等均采逡逑用该技术路线。图１．２给出了共蒸发系统的装置示意图［１７］。共蒸发法制备ＣＩＧＳ逡逑薄膜的基本原理是将Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ四源单质分别置于真空的沉积室中，各单逡逑质源的蒸发温度独立控制，四种单质蒸发出来后在热的衬底（玻璃＋Ｍｏ）上反应，逡逑生成ＣＩＧＳ薄膜。共蒸发工艺有三步法和两步法两种方式。在三步法中
的热斑效应［６５］。此外，监控每个组件的伏安特性曲线不仅使得系统复杂且代价昂逡逑贵。因此，上述两种检测方法不能用于系统运行过程中及时探测失效电池。值得逡逑注意的是，热斑效应的表观现象是温度显著升高，如图１．３所示。因此即时监控逡逑电池阵列表面温度是探测失效电池的可能途径。红外热像仪作为一种非接触式测逡逑温手段，无须干涉电池组件，比监控伏安特性曲线易于实现。因此，可基于红外逡逑热像仪航拍测温技术即时监控光伏电池阵列温度，并准确判断失效电池位置。逡逑ｍ邋＾邋N邋ｊ邋Ｊｌ；逡逑图１．３光伏电池产生热斑效应时的红外图像逡逑前人采用红外热像仪针对热斑效应开展了研究工作。Ｍｕｎｏｚ等对硅电池组件逡逑的潜在隐患进行了研究，指出可借助红外热像仪获取电池表面温度分布，从而轻逡逑易探测到一些无法用视觉观察到的电池主体上的气泡位置［６６］。Ｂｕｅｒｈｏｐ等证实了逡逑基于红外热像仪研[側劝咝вΦ目尚行裕⑼ü笛楣鄄饬伺月匪鹗А⒌绯仄屏选㈠义洗砦蠛附右约胺至鞯绯氐炔煌Щ贫怨璧绯匚露鹊挠跋欤⑾值绲仄屏训挠板义舷熳畲螅鸬牡绯匚律纱铮玻担浚矗靛
本文编号：2828003
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