1 渤海大学物理科学与技术学院, 辽宁 锦州 121013
2 渤海大学化学与材料工程学院, 辽宁 锦州 121013
3 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
随着红外测温技术的快速发展, 红外测温仪在**及民用领域得到广泛应用, 对测量准确度的要求提升到了新的高度。 面源黑体辐射源作为非接触测温设备校准的核心装置, 近年来受到广泛的关注。 发射率是描述辐射源性能的重要指标, 目前缺少黑体表面形貌对发射率影响的研究。 面源黑体发射率主要由表面凸锥结构和涂覆涂层决定。 为设计出高发射率面源黑体, 以具有凸锥结构的面源黑体为基础模型, 引入间距及涂层结构, 建立具有不同表面结构参数、 单元间距及涂层厚度的面源黑体模型, 设置基底材料为石墨, 涂层材料为氮化硅, 通过有限元软件得到仿真模型的反射率, 利用反射率反演得到其发射率, 绘制3~14 μm范围内的光谱发射率曲线; 研究面源黑体表面的电场分布情况。 分析结构单元的宽高比、 涂层厚度和结构单元间距等参数对发射率的影响。 结构单元高度与发射率成正比、 较窄的宽度对发射率有优化作用, 发射率随宽高比的减小而增大。 涂层结构改变了光谱发射率的下降趋势, 在11 μm后发射率上升, 发射率随厚度增加而增大; 单元间距变化与发射率成正比。 设置初始面源黑体单元结构高度为10 μm、 宽度为1 μm, 在该模型上依次添加2 μm涂层及2 μm间距结构, 进行仿真计算。 优化后黑体辐射源在长波段具有优势, 在3~14 μm波段内光谱发射率稳定, 最低值为0.966; 电场分布图表明了三种结构因素对面源黑体表面能量的影响, 优化得到的模型参数可用于面源黑体的实际制造。 仿真结果表明较小宽高比、 较厚涂层、 较大间距具有提高发射率的能力, 为制造高辐射性能面源黑体辐射源提供了理论参考。
发射率 面源黑体 表面结构 仿真计算 Emissivity Extended area blackbody Surface structure Simulation calculation
1 哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150001
2 联合微电子中心有限责任公司, 重庆 401332
为了提高光伏电池的收集效率和环境适应性,提出了一种带有MPPT功能的高效率光伏电池升压转换器芯片。该电路系统包括新型四相高效电荷泵模块、扰动观察法MPPT控制电路模块、反馈控制模块、纳安级电流基准、检测电路模块等。该芯片采用0.35 μm BCD工艺设计、仿真并流片。芯片尺寸为3.15 mm×2.43 mm。测试结果表明,当光伏电池输出电压大于0.5 V时,升压转换器芯片输出电压提升到3Vin,电压转换效率可达99.4%。MPPT算法使输出功率提升8.53%。当输出负载电流为297 μA时,最宽输出PCE达到85.1%。该芯片实现了高效升压光伏电池输出电压的目标。
升压转换器 电荷泵 最大功率点追踪 光伏能量收集 boost converter charge pump MPPT PV energy harvesting
1 清华大学航天航空学院, 北京 100084
2 北京振兴计量测试研究所, 北京 100074
3 渤海大学, 辽宁 锦州 121013
光谱发射率是表征材料热物理性能的重要参数。 对于非导电材料的高温光谱发射率测试, 一般采用高温加热炉加热或辐射加热的方式来进行发射率测试, 存在的问题是采用高温石墨炉加热时, 样品可能会与高温石墨发生化学反应, 从而破坏材料原有物性; 采用辐射加热, 一般是单向静止加热, 会存在样品温场梯度非均匀分布的问题。 基于激光旋转加热和样品/黑体整体一体化设计, 提出了一种“样品动中测”的非导电材料高温光谱发射率测试新方法, 建立了相应的测量模型, 突破了传统的 “样品静中测”的局限, 样品与参考黑体共形一体化设计, 采用微区域光谱辐射成像方法, 同时测量参考黑体和样品的光谱辐射能量与温度。 建立了激光旋转加热状态下的热传导方程, 对典型样品材料的温度分布进行了仿真计算, 结果表明旋转样品温场分布较为均匀, 分析了温场分布与红外光谱发射率测量误差间的关系, 给出了适用于本测试方法的材料的热导率下限值。 基于该方法, 搭建了相应的测量装置, 对典型材料碳化硅在1 000 K时的光谱发射率进行了测试, 在4 μm处对各个典型高温温度点的光谱发射率进行了测试, 得到了碳化硅材料在红外波段的光谱发射率波长变化和温度变化规律特性。 与国外的测量结果进行了比对, 结果较为一致, 验证了激光旋转加热光谱发射率测试方法的可行性。 采用此方法, 不破坏样品本身的理化特性, 样品加热升温速度快, 测量温度范围上限高, 有效减小了激光静止单向加热带来的温度不均匀性, 可同时测量出样品和参考黑体的光谱辐射亮度及温度, 无需另外再设计标准高温黑体, 解决了现有非导电材料高温光谱发射率测试中非均匀加热和辐射能量同步比对测量的问题, 可应用于多种非导电材料高温光谱发射率的测试。
非导电 高温 光谱发射率 测试 激光旋转 整体黑体法 Non-conductive High temperature Spectral emissivity Measurement Laser rotation Entirety black body method
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率, 设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构, 研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。 以金作为光栅材料, 利用等离激元的谐振结构, 克服金属材料的高反射特性, 增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。 通过改变光栅的结构参数, 对等离子共振波长进行调节, 提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。 利用有限差分法, 分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理, 研究金属光栅的周期、 占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。 随着光栅周期由2 μm逐渐增加到5 μm, 吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象, 吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。 随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5, 红外吸收峰的峰值波长向短波长移动, 吸收峰高度也逐渐增高, 但吸收峰宽度逐渐变窄。 光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大, 当厚度达到一定程度后, 峰值基本保持不变。 峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小, 当厚度不足100 nm时, 峰值波长减小的程度较大, 随着厚度的继续增加, 下降趋势逐渐变缓, 基本维持在10.6 μm附近。 通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理, 对光栅结构参数的进一步优化, 大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14 μm的平均吸收率达61.6%, 峰值吸收率在99%以上。 金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究, 对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。
光谱吸收率 光栅 红外微测辐射热计 等离激元 Spectral absorptivity Grating Infrared Microbolometer SPP 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2647
1 渤海大学新能源学院，锦州 121013
2 辽宁省光电功能材料与检测重点实验室，锦州 121013
相比用于制备晶体材料的化学气相输运(Chemical Vapor Transport, CVT)方法，近空间气相输运沉积(Close-spaced Vapor Transport Deposition, CSVT)及气相输运沉积(Vapor Transport Deposition, VTD)方法不为人们所熟知。近几年来，气相输运沉积逐渐应用于锑基薄膜(Sb2Se3、Sb2S3及Sb2(Se,S) 3)、锡基薄膜(SnS、SnS2)及铋基薄膜(Bi2Se3、Bi2Te3)等材料的制备，有可能成为一种重要的材料制备方法。本文综述了气相输运沉积用于化合物薄膜制备 的研究进展，对其特点进行分析，并对其发展趋势进行了展望。
气相输运沉积 近空间气相输运沉积 化合物薄膜 VTD(vapor transport deposition) CSVT(close-spaced vapor transport deposition) compound thin film
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
太阳能热发电是高效利用太阳能资源的有效途径之一, 对缓解能源危机和环境污染具有重要的推动作用和深远的社会意义。 选择性吸收涂层是太阳能真空集热管的重要组成部分, 是决定太阳能与热能转换效率的关键因素。 针对高温状态下太阳能选择性吸收涂层光学性能的表征问题, 提出一种适用于高温金属-陶瓷选择性吸收涂层太阳光谱吸收率的测量方法。 基于双探测器的傅里叶光谱仪和具有涂层加热功能的积分球, 研制了能够防止高温氧化并模拟涂层工作温度的高真空测量装置, 实现0.3～2.5 μm、 室温-700 ℃太阳光谱吸收率的测量。 选取磁控溅射制备的Mo-SiO2选择性吸收涂层作为测量样品, 该样品具有双吸收层的多层膜结构。 对涂层样品不同温度下的太阳光谱吸收率进行了测量实验, 室温测量值与理论计算值进行了对比分析, 结果表明具有较好的一致性, 最大偏差仅为2.9%, 验证了涂层太阳光谱吸收率测量方法的可行性。 高温光谱吸收率测量对涂层参数设计的优化及吸收性能的提高具有重要的指导意义及推动作用。
太阳能选择性吸收涂层 高温光谱吸收率 积分球 测量装置 Solar energy selective absorption coating High temperature and spectral absorptivity Integrating sphere Measurement device 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1814
采用磁控溅射方法, 在多晶硅薄膜太阳电池表面沉积了不同粒径大小的Au纳米粒子, 利用粒径大小可调控的Au纳米粒子的局域表面等离激元共振增强效应(LSPR), 对入射光中的可见光区域实现“光俘获”; 采用UVvis吸收光谱对LSPR进行了研究, 结果表明, LSPR能够有效拓展Au纳米粒子的光谱响应范围(400~800nm), 并且, 随着Au纳米粒子粒径的增大, LSPR共振吸收峰呈现出明显“红移”; 同时, 通过SERS表征, 证实LSPR能够有效增强Au纳米粒子周围的局域电磁场强度; 最后, 多晶硅太阳电池的JV特性曲线表明, 当Au纳米粒子溅射时间为50s时, 多晶硅太阳电池光电转换效率(η)最高为14.8%, 比未修饰Au纳米粒子的电池η提高了42.3%。
多晶硅薄膜太阳电池 Au纳米粒子 光俘获 局域表面等离激元共振 polycrystalline silicon thin film solar cells (PS noble metal nanoparticles lighttrapping localized surface plasmons resonance (LSPR)
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响, 分析探测器温度与输出电压之间的变化规律, 提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。 研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系, 对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合, 得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程, 计算光谱响应度的温漂修正系数, 修正探测器的输出电压, 消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。 研制光谱响应度温漂修正装置, 测得探测器光谱响度的温漂曲线, 对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度, 结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好, 提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。
光谱响应度 温漂修正 多项式拟合 发射率测量系统 Spectral responsivity Temperature drift correction Polynomial fitting Emissivity measurement system 光谱学与光谱分析
2016, 36(9): 3003
利用频域有限差分法，分析了两种典型晶硅电池结构的Ag背反镜的吸收损耗。研究表明：平板型晶硅电池Ag背反镜的损耗主要是由本征吸收和导模共振吸收引起，而表面等离子体共振吸收使TM模的吸收峰峰值大于TE模的吸收峰峰值；织构型的晶硅电池内部光场分布复杂，可在光垂直入射情况下，使TE模和TM模均在有源层中出现较强的导模共振效应，且TM模还可在Ag背反镜中激励起等离子体共振效应，从而使织构型晶硅电池Ag背反镜的吸收谱表现为多峰值特性，且其吸收峰峰值大于平板型晶硅电池的吸收峰峰值。
光学器件 晶硅电池 背反镜 光吸收 频域有限差分法 激光与光电子学进展
2016, 53(6): 060402
基于有限差分法，推导了决定太阳能电池光生载流子产生、输运和收集过程的基本方程的差分形式，并编制了二维太阳能电池的计算程序。通过计算程序与商用计算软件计算的光生载流子产生速率、总光电流密度和晶格温度分布等结果的对比，证明了有限差分法是计算太阳能电池光生载流子产生、输运和收集过程的十分有效的方法。
光学设计 太阳能电池 仿真 数值计算 有限差分 激光与光电子学进展
2016, 53(3): 030401
