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)勢在光伏領域中脫穎而出。在CIGS電池的制備過程中,準確控制膜層溫度可改善薄膜成形質量,進而提高成品電池的光電轉換效率。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)展準確的紅外熱像測溫方法,并將其應用于CIGS薄膜在加熱狀態(tài)下的溫度監(jiān)控中,為CIGS薄膜在生長狀態(tài)下溫度的在線監(jiān)控提供基礎。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、導熱系數(shù)和發(fā)射率。CIGS薄膜樣品結構為“CIGS薄膜+Mo層+鈉鈣玻璃襯底”。CIGS薄膜和Mo層的總厚度遠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熱系數(shù)的影響,即可分別用鈉鈣玻璃的比熱容和導熱系數(shù)替代薄膜樣品的對應參數(shù)。薄膜在加熱過程中組分會發(fā)生變化,而發(fā)射率與薄膜組分相關。因此,在測量發(fā)射率前后,我們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,并結合傳輸矩陣法和有效介質理論分析了樣品發(fā)射率變化的原因。結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度,不能直接將測得的薄膜樣品發(fā)射率應用到紅外熱像測溫的研究中。為此,基于紅外熱像測溫理論,定義并標定了待測樣品在熱像儀響應波段內的表觀發(fā)射率,進而提出了基于標定的表觀發(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。常溫實驗結果表明,黑漆試樣的紅外熱像測溫結果與熱電偶測試值吻合,但鋁板的測溫結果存在較大偏差,可能因鋁板的反射輻射受環(huán)境波動影響大導致。中高溫的測溫實驗中三種實驗對象的紅外熱像測溫結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;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因素。最后將紅外熱像測溫方法應用于加熱狀態(tài)CIGS薄膜測溫中。為模擬CIGS薄膜的生長環(huán)境,我們研制了配備紅外窗口且壁面溫度可控的真空腔體,并分別在非真空水浴控溫條件和真空液氮控溫條件下進行了紅外熱像測溫實驗。結果表明兩種實驗條件下均能獲得可靠的測溫結果。非真空水浴控溫條件下薄膜樣品在高溫下與空氣發(fā)生氧化會引起表觀發(fā)射率驟升;真空液氮控溫條件下因樣品不發(fā)生反應且能有效降低背景輻射的干擾,可提高測溫精度。兩種實驗條件下的測溫結果證實了應用紅外熱像測溫技術準確探測CIGS薄膜樣品溫度的可行性,可為CIGS薄膜制造過程中溫度的在線監(jiān)控提供基礎。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.42;TN219
【部分圖文】：

膜的共蒸發(fā)制備技術路線也保持著高的電池轉換效率。全球著名的研宄機構如德逡逑國太陽能和氫能研究機構（ＺＳＷ）和瑞士聯(lián)邦材料科技實驗室（ＥＭＰＡ）等均采逡逑用該技術路線。圖１．２給出了共蒸發(fā)系統(tǒng)的裝置示意圖［１７］。共蒸發(fā)法制備ＣＩＧＳ逡逑薄膜的基本原理是將Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ四源單質分別置于真空的沉積室中，各單逡逑質源的蒸發(fā)溫度獨立控制，四種單質蒸發(fā)出來后在熱的襯底（玻璃＋Ｍｏ）上反應，逡逑生成ＣＩＧＳ薄膜。共蒸發(fā)工藝有三步法和兩步法兩種方式。在三步法中，第一步逡逑是在相對較低的襯底溫度下（約３５０。０沉積Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ，第二步將襯底溫度逡逑提高到５００°Ｃ左右，再蒸發(fā)Ｃｕ和Ｓｅ，第三步在保持襯底溫度的條件下，？再次蒸逡逑發(fā)Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ［１７］。而在二步法中，首先在襯底上形成富銅材料（［Ｃｕ］／［Ｉｎ＋Ｇａ］＞ｌ邋），逡逑一段時間后，關閉Ｃｕ蒸發(fā)源，在Ｓｅ蒸氣氛圍下保持Ｉｎ和Ｇａ蒸發(fā)源打開［１６］。逡逑在兩步法和三步法中

邋ｐ型ＣＩＧＳ吸收層ｌ＊３／ｍｉ逡逑媽玻璃■亞胺襯底逡逑圖１．１ＣＩＧＳ電池的構造示意｜１Ｓ｜逡逑需要指出的是，ＣＩＧＳ吸收層主導電池的性能。在ＣＩＧＳ薄膜電池制造過程逡逑中，當ＣＩＧＳ吸收層達到富銅狀態(tài)時，可形成大的粗壯晶粒，從而獲得高質量的逡逑吸收層［１６］。然而，為確保ＣＩＧＳ太陽能電池具有高的光電轉換效率，在制備結束逡逑后又須讓ＣＩＧＳ吸收層達到貧銅狀態(tài)。因此，在ＣＩＧＳ薄膜電池的制備過程中，逡逑需要實現(xiàn)ＣＩＧＳ吸收層由富銅狀態(tài)向貧銅狀態(tài)的轉變。該制備過程可由共蒸發(fā)技逡逑術實現(xiàn)。ＣＩＧＳ薄膜電池共蒸發(fā)法制備工藝是一種高效制備工藝，近年來ＣＩＧＳ薄逡逑膜的共蒸發(fā)制備技術路線也保持著高的電池轉換效率。全球著名的研宄機構如德逡逑國太陽能和氫能研究機構（ＺＳＷ）和瑞士聯(lián)邦材料科技實驗室（ＥＭＰＡ）等均采逡逑用該技術路線。圖１．２給出了共蒸發(fā)系統(tǒng)的裝置示意圖［１７］。共蒸發(fā)法制備ＣＩＧＳ逡逑薄膜的基本原理是將Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ和Ｓｅ四源單質分別置于真空的沉積室中，各單逡逑質源的蒸發(fā)溫度獨立控制，四種單質蒸發(fā)出來后在熱的襯底（玻璃＋Ｍｏ）上反應，逡逑生成ＣＩＧＳ薄膜。共蒸發(fā)工藝有三步法和兩步法兩種方式。在三步法中

的熱斑效應［６５］。此外，監(jiān)控每個組件的伏安特性曲線不僅使得系統(tǒng)復雜且代價昂逡逑貴。因此，上述兩種檢測方法不能用于系統(tǒng)運行過程中及時探測失效電池。值得逡逑注意的是，熱斑效應的表觀現(xiàn)象是溫度顯著升高，如圖１．３所示。因此即時監(jiān)控逡逑電池陣列表面溫度是探測失效電池的可能途徑。紅外熱像儀作為一種非接觸式測逡逑溫手段，無須干涉電池組件，比監(jiān)控伏安特性曲線易于實現(xiàn)。因此，可基于紅外逡逑熱像儀航拍測溫技術即時監(jiān)控光伏電池陣列溫度，并準確判斷失效電池位置。逡逑ｍ邋＾邋N邋ｊ邋Ｊｌ；逡逑圖１．３光伏電池產生熱斑效應時的紅外圖像逡逑前人采用紅外熱像儀針對熱斑效應開展了研究工作。Ｍｕｎｏｚ等對硅電池組件逡逑的潛在隱患進行了研究，指出可借助紅外熱像儀獲取電池表面溫度分布，從而輕逡逑易探測到一些無法用視覺觀察到的電池主體上的氣泡位置［６６］。Ｂｕｅｒｈｏｐ等證實了逡逑基于紅外熱像儀研[側勸咝вΦ目尚行裕⑼ü笛楣鄄飭伺月匪鶚�、稻p仄屏選㈠義洗砦蠛附右約胺至韉緋氐炔煌Щ貧怨璧緋匚露鵲撓跋歟⑾值緄仄屏訓撓板義舷熳畬�，引汽R牡緋匚律紗錚玻擔浚矗靛

本文編號：2828003