銅銦鎵硒薄膜紅外熱像測溫研究.pdf

1、近年來，銅銦鎵硒(CIGS)太陽能薄膜電池因制備過程能耗低、污染少，弱光發(fā)電性能好以及壽命長等優(yōu)勢在光伏領(lǐng)域中脫穎而出。在CIGS電池的制備過程中，準(zhǔn)確控制膜層溫度可改善薄膜成形質(zhì)量，進(jìn)而提高成品電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，CIGS電池制備過程中的溫度監(jiān)控極為重要。為在不干擾制備工藝的前提下監(jiān)控薄膜表面溫度，發(fā)展準(zhǔn)確的非接觸式測溫方法是可行途徑。本論文的研究目的即是發(fā)展準(zhǔn)確的紅外熱像測溫方法，并將其應(yīng)用于CIGS薄膜在加熱狀態(tài)下的溫度監(jiān)控

2、中，為CIGS薄膜在生長狀態(tài)下溫度的在線監(jiān)控提供基礎(chǔ)。為此，主要開展了以下工作。
　　首先開展了薄膜樣品的熱物性研究，即測量和分析樣品的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和發(fā)射率。CIGS薄膜樣品結(jié)構(gòu)為“CIGS薄膜+Mo層+鈉鈣玻璃襯底”。CIGS薄膜和Mo層的總厚度遠(yuǎn)小于鈉鈣玻璃的厚度，可忽略CIGS薄膜和Mo層對薄膜樣品比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，即可分別用鈉鈣玻璃的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)替代薄膜樣品的對應(yīng)參數(shù)。薄膜在加熱過程中組分會發(fā)生變化，而發(fā)射率

3、與薄膜組分相關(guān)。因此，在測量發(fā)射率前后，還使用了掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)表征了薄膜樣品，并結(jié)合傳輸矩陣法和有效介質(zhì)理論分析了樣品發(fā)射率變化的原因。結(jié)果表明隨著溫度升高，樣品發(fā)射率增大，并且約在400℃后隨著溫度驟升，這是高溫下薄膜被破壞后Mo層被氧化所致。
　　因熱像儀廠家未公開其裝置的光譜響應(yīng)度，不能直接將測得的薄膜樣品發(fā)射率應(yīng)用到紅外熱像測溫的研究中。為此，基于紅外熱像測溫理論，定義并

4、標(biāo)定了待測樣品在熱像儀響應(yīng)波段內(nèi)的表觀發(fā)射率，進(jìn)而提出了基于標(biāo)定的表觀發(fā)射率以迭代求解方式獲取樣品表面溫度的方法。為驗證其可靠性，分別進(jìn)行了在常溫條件下以鋁板和黑漆試樣為實驗對象的測溫實驗，以及在中高溫(200～600℃)條件下對黑體爐、鋁箔和碳化硅的測溫實驗。常溫實驗結(jié)果表明，黑漆試樣的紅外熱像測溫結(jié)果與熱電偶測試值吻合，但鋁板的測溫結(jié)果存在較大偏差，可能因鋁板的反射輻射受環(huán)境波動影響大導(dǎo)致。中高溫的測溫實驗中三種實驗對象的紅外熱像測

5、溫結(jié)果與熱電偶實測值基本一致。黑體爐的測溫偏差可保持在3.7℃以內(nèi);碳化硅和鋁箔屬于非黑體，測溫精度會受到表觀發(fā)射率和背景溫度的影響，兩種實驗對象分別在563.0和265.0℃時出現(xiàn)最大絕對測溫偏差，分別約為9.3℃和5.7℃。不確定度分析結(jié)果表明表觀發(fā)射率和紅外熱像儀的探測精度是影響測溫精度的主導(dǎo)因素。
　　最后將紅外熱像測溫方法應(yīng)用于加熱狀態(tài)CIGS薄膜測溫中。為模擬CIGS薄膜的生長環(huán)境，研制了配備紅外窗口且壁面溫度可控的真