太阳模拟器AM0滤光片的研制.docx

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太阳模拟器AM0滤光片的研制

题目：

太阳模拟器AM0滤光片的研制

系别：

专业：

班级：

学生：

学号：

指导教师：

2013年04月16日

毕业设计（论文）任务书

1.毕业设计（论文）题目：

太阳模拟器AM0滤光片的研制

2.题目背景和意义：

太阳模拟技术的应用领域非常广泛。

应用太阳模拟技术研制的大型太阳模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分。

中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。

在太阳光伏科学与工程中,太阳模拟器主要用于太阳能电池的检测与标定。

本课题就是设计并制备太阳能模拟器的核心部件—太阳能模拟器AM0滤光片。

在太阳能模拟器中，滤光片的性能往往决定了太阳模拟器的好坏，而且AirMassFilter在成本中占比较大的比例，但是国外的滤光片成本太高，性价比不高。

因此，本课题的题目为“太阳模拟器AM0滤光片的研制”。

3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：

该题目主要内容的要求：

本课题要求在熟悉光学薄膜设计软件和镀膜机的操作以及相关薄膜测试设备的基础上，完成太阳模拟器AM0滤光片的设计、镀制和测试，使最终制备的AM0滤光片满足以下具体参数要求：

（1）在玻璃基底上，设计出该滤光片的膜系，使其满足以下要求：

在300～650nm波段内，平均透过率Ta≥90%，在650～1200nm波段范围内是一个带阻滤光片，在930nm处的透过率约为15%，半宽度为350nm。

（2）采用南光光学镀膜机（膜厚控制方式为光电法），镀制出满足以上要求的滤光片；

（3）对该滤光片的光谱特性和机械特性进行测试，使光谱特性满足以上要求，机械特性满足国标要求；

（4）翻译相关外文文献资料一篇。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

起始时间：

2012年11月—2013年4月20日，设计地点：

实验室

1）、2012.11.26-2012.12.7：

根据任务书了解课题所研究的内容；

2）、2012.12.17-2012.12.28：

查阅文献资料，完成开题报告，并确定出所要翻译的外文文献；

3）、2013.01.01-2013.3.15：

熟悉镀膜机的基本操作以及膜系设计软件的应用并完成膜系设计；

4）、2013.03.15-2013.4.05：

完成膜系的镀制与测试；

5）、2013.04.05-2013.4.15：

撰写毕业论文准备答辩；

5.毕业设计（论文）的工作量要求

①实验（时数）或实习（天数）：

30天

②图纸（幅面和张数）*：

③其他要求：

论文字数不少于15000，翻译不少于3000字，参考文献不少于30篇

指导教师签名：

年月日

学生签名：

年月日系（教研室）主任审批：

年月日

说明：

1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。

2带*项可根据学科特点选填。

太阳模拟器AM0滤光片的研制

摘要

太阳能模拟器是模拟太阳辐照度的一种工具，可以模拟不同大气质量条件下的太阳光谱特性，如太阳光谱总辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度等。

太阳能模拟器的应用非常广泛，如在航天技术中用来模拟卫星空间环境的大型太阳能模拟器，在卫星姿态控制、太阳敏感地面模拟试验与标定中用到的小型太阳能模拟器。

在光伏产业中，太阳能模拟器主要用于太阳能电池的检测与标定。

太阳能模拟器中，滤光片的性能好坏决定了太阳能模拟器的优劣，而且它在模拟器的成本中占有较大的比例。

本课题的主要研究内容是设计并制备出用于太阳能电池测试的太阳能模拟器滤光片，其中包括AirMass1.5G（AMl.5G）、AM0和AMl三种型号的滤光片。

本文依据标准大气光谱和标准氙灯的光谱曲线，得到了AM0型太阳能模拟器滤光片的透射率光谱曲线。

在此基础上用TFC膜系软件对该滤光片的膜系进行了设计、优化，并对该膜系进行了镀制工艺研究。

光谱测试结果表明，所研制的滤光片的中心波长930nm处的透过率T≈15%，半宽度350nm；在300~650nm波段内，平均透过率Ta≥90%，在650~1200nm波段范围内是一个带阻滤光片。

光谱辐照度测试结果明，其辐照匹配度在0.89~1.09之间，达到A类滤光片要求。

关键词：

太阳能模拟器；AM0滤光片；光谱辐照；度辐照匹配度

DesignandFabricationofAirMassFilterforAM0SolarSimulator

Abstract

Thesolarsimulatorisanimplementforsimulatingthesunlightirradiationcharacteristics,suchassolarspectralirradiance,irradiationnonuniformityandirradiationinstability.Theapplicationofsolarsimulationisextremelyextensive,thelarge-scalesolarsimulationisusedinrsedinsatelliteattitudecontrolling,solarsensorsexperimentanddemarcationontheground.Inthesolarphotovoltaicengineering,thesolarsimulatorismainlyusedintestingandstandardizingforsolarcells.

ThepropertiesofAirMassfilterareimportanttothesolarsimulator.TheAirMassfilter,AirMass1.5G（AMl.5G）,AM0andAM1,usedinsolarsimulatorforsolarcellstestaredesignedandfabricatedinthispaper.

First,thetransmittancespectrumoftheAM0filterwasevaluatedbymeansofthestandardatmosphericspectrumandthexenonlampspectrum.Next,thefilmsystemoftheAM0filterwasdesignedandoptimizedwiththinfilmcomposite（TFC）softwarepackage．Finally,thefilmsystemwasdeposited.Thespectroscopicresultsoftheprototypedfiltershowthatthetransmittanceatthecentralwavelengthof930nmisabout15％（T≈15％）,andthatthehagwidthathalf-maximum（HWHM）is350nm.Theaveragetransmittanceofthefilterwasfoundtobehigherthan95％inthewavelengthrangingfrom300nmto650nm,butintherall,geof650nmto1200nm,itisthestopbandfilters,Thespectralirradiationresultsshowthattheradiationliesbetween0.89to1.09,goodenoughtobeclassifiedasClassAfilter.

Keywords:

solarsimulator;airmass0filter;spectralirradiance;radiationmatch

目录

1绪论1

1.1课题提出及其意义1

1.2太阳能模拟器的发展1

1.3太阳能模拟器滤光片的研究现状1

1.4本文研究内容及章节安排2

2太阳模拟器滤光片曲线的获取和指标的确定3

2.1大气质量（AirMass）简介3

2.2太阳能模拟器滤光片国家规范4

2.3太阳能模拟器滤光片曲线的获取5

2.3.1曲线获取相关仪器5

2.3.2氙灯光谱5

2.3.3AM0标准辐照度曲线6

2.4太阳能模拟器滤光片的指标要求6

2.5本章小结7

3膜料选择和膜系设计8

3.1膜料选择8

3.1.1透明度8

3.1.2折射率和消光系数8

3.1.3机械性质8

3.2膜系设计9

3.2.1设计及其优化9

3.3膜料选择和膜系设计9

3.4设计结果分析10

3.4.1敏感层分析10

3.4.2允差分析10

3.5本章小结12

4太阳能模拟器滤光片的镀制13

4.1膜厚监控方法概述13

4.2变波长法和定值法13

4.3膜系镀制13

4.3.1膜系镀制工艺参数的确定13

4.3.2AM（81090）滤光片的镀制14

4.4本章小结14

5太阳能模拟器滤光片的测试15

5.1光谱测试15

5.1.1AMO（81090）滤光片测试15

5.2滤光片机械性能的测试15

5.2.1附着性试验15

5.2.2水溶性试验15

5.2.3温热性试验15

5.2.4中度摩擦15

5.3本章小结16

6结论17

参考文献18

致谢20

毕业设计（论文）知识产权声明21

毕业设计（论文）独创性声明22

1绪论

1.1课题提出及其意义

环境模拟主要有几种：

地面环境模拟、空中环境模拟和空间环境模拟。

太阳辐照度模拟是地面环境模拟中的一种，本课题题目是“太阳能模拟器滤光片的研制”其主要内容是研制一种滤光片用来模拟太阳光的辐照度特性。

太阳模拟技术是研究模拟太阳光辐照特性的一门技术。

其中包括不同大气质量条件下的太阳光谱特性,太阳光总辐照度,太阳光准直角,辐照不均匀度,辐照不稳定度等[1]太阳模拟器是模拟空间太阳辐照环境的设备，能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性。

其中大型太阳模拟器特别适用于外形复杂、伸展在外空间的大型天线和月球探测器以及新型号初样阶段的热平衡试验，能够较真实地验证航天器的热模型，为热模型的优化设计提供了依据[2]；而中小型太阳能模拟器在工程中特别是在光伏工程中对于太阳能电池板的检测中起到了十分重要的作用，是整个光电池测试系统中不可或缺的一环，是对太阳能电池检测与标定的关键。

而太阳模拟器中的核心部件—太阳模拟器滤光片的性能往往决定了太阳模拟器的好坏[3]。

1.2太阳能模拟器的发展

我国从1965年开始设计研制太阳模拟器,先后研制了KM2太阳模拟器,KFT高精度小型太阳模拟器和KM4太阳模拟器等太阳模拟设备,并成功地应用于整星和部件的热真空试验，目前拥有KM6太阳模拟器。

日本的NASDA[19]太阳能模拟器采用水平点燃氙灯方式，光轴系统为离轴系统。

美国从1959年开始研制大型太阳模拟器。

德国1983年建成大型太阳模拟器。

欧空局1983年在荷兰建成的大型太阳模拟器。

该太阳模拟器代表了当今大型太阳模拟器的先进水平。

此外,俄罗斯、印度等国也建成了大型的太阳模拟器用于航天器试验[4-7]。

国内研究太阳能模拟器的单位主要有上海光机所、长春光机所、北京卫星环境工程研究所（主要研究大型太阳模拟器）和西安交通大学等。

1.3太阳能模拟器滤光片的研究现状

太阳能模拟器滤光片主要应用于小型太阳能模拟器。

滤光片的性能好坏往往决定了太阳模拟器的等级。

国内的模拟器生产处于起步阶段，西安交通大学太阳能研究所和陕西众森电能科技有限公司、西安长信科技有限责任公司都在研制A

类太阳能模拟器。

随着我国对航天技术和太阳能产业的长期规划与投资，太阳能模拟器将有广阔的发展。

作为太阳能模拟器核心部件的滤光片也将得到迅猛发展，市场前景广阔。

在AM0滤光片方面，国内目前有西安工业大学，长春理工学院和西安交通等进行过一些研究，还并没有大量相应的开发实验。

国外主要有Seiencetech,ABETTechnologies,Newports等公司生产AM0的太阳模拟器滤光片，在国内也活跃着一些诸如深圳市宇航数码科技有限公司，上海尔元试验设备有限公司等生产太阳模拟器AM0滤光片的厂商[8-12]。

大气质量AM其照太阳入射角度的不同分为AM0、AMlD、AMl.5D、AM2D、AMl.5G等型号。

滤光片的种类分别有81090、81091、81092、81903、81094。

81090滤光片可应用于除了AMl.5Global滤光片以的所有大气质量的模拟。

本次研制重点针对于研究AM0，即81090滤光片。

1.4本文研究内容及章节安排

本课题主要研究内容：

首先通过获取的标准大气质量光谱（AM0）和氙灯辐照度光谱，得到滤光片（81090）的透射率曲线；根据获得曲线的具体参数设计膜系并选取膜料，通过基础实验确定镀制膜系的工艺参数；镀制膜系并测试其光谱透射率曲线，将滤光片应用于太阳能模拟器对其辐照匹配度进行分析并确定滤光片等级。

本文第一章为绪论，主要介绍了太阳能模拟器和太阳能模拟器滤光片发展过程和现状；第二章介绍了大气质量、太阳能模拟器滤光片所涉及的国家规范、相关大气质量光谱的获取和实际氙灯辐照度曲线的测量，进一步获得了所镀滤光片的透射率曲线，为滤光片下一步的镀制确定了指导标准；第三章主要介绍了膜料的选择和膜系的设计、优化、敏感层及其允差分析；第四章介绍了滤光片的镀制情况，简要介绍了膜厚监控所采取的方法；第五章介绍了太阳能模拟器滤光片的测试工作，81090滤光片的辐照匹配度测试分析；第六章对本文的工作进行了总结。

2太阳模拟器滤光片曲线的获取和指标的确定

2.1大气质量（AirMass）简介

大气质量（AM）指实际观察者与太阳之间路径中的空气质量与假设该观察者位于海平面上（在标准大气压下），太阳正位于头顶时可能存在的空气质量之比。

太阳光谱总辐射分为AM0标准太阳光谱总辐射和AM1.5标准太阳光谱总辐射。

AM0是日地平均距离处地球大气层外的太阳光谱总辐射量。

此时的太阳总辐射量称之为一个太阳常数，其定义为在此处垂直于太阳辐射光的单位面积上，单位时间内接收的太阳辐射量，其值135.3mw/cm2±2.1mw/cm2。

AM0滤光片的太阳模拟器多为大型太阳模拟器。

AM1.5表示为太阳处于天顶角约为48.2°时在地面上的太阳光谱总辐射量。

AM1.5地面不同接收条件下太阳辐照度分为法向直接日射辐照度视场角为5.8°的直接日射表测得的数值相同[13,14]。

图2.1是氙灯与太阳光谱辐照度（每单位面积每单位波长的功率）的曲线。

AirMass滤波器：

AirMass的作用是修改光谱，从而模拟在不同环境下的光谱近似分布。

如图2.2，主要有以下几种AirMass滤波器：

图2.2太阳入射角对应的大气质量

AM0：

校正光谱使之接近大气层外的太阳光谱分布。

AM1Direct：

校正光谱使之接近于太阳光直接垂直射向地面时的光谱分布。

AM1.5Direct：

校正光谱使之接近于太阳光直接48.2度照射地面时的光谱分布。

AM2Direct：

校正光谱使之接近于太阳光直接60.1度照射。

AM1.5Global：

校正光谱使之接近于太阳光直接60.1度照射地面并加上其他漫反射时的光谱分布。

2.2太阳能模拟器滤光片国家规范

太阳能模拟器通用规范[15]（GBT6495.9-2006）本标准规定了AM0和AMl.5太阳光谱辐照度分布的太阳模拟器的通用技术要求及其级别和类型的划分。

此标准适用于太阳光伏能源用太阳能模拟器。

太阳能模拟器的级别由它的各个单项技术指标的最低级别确定，划分为A、B、C三个级别，见表2.1。

表2.1太阳能模拟器等级分类（％）

特性

A

B

C

光谱匹配（每个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与标准光谱辐照度腹部的百分比的比率）

0.75~1.25

0.6~1.4

0.4~2.0

辐照不均匀度

-2~+2

-5~+5

-10~+10

辐照不稳定度

-2~+2

-5~+5

-10~+10

从上表可知，滤光片应用效果要达到A类模拟器的要求，必需使得光谱匹配度介0.75~1.25之间。

而辐照不稳定度由模拟器灯源等系统决定。

辐照不均匀性主要决定于拟器的光学系统。

光谱匹配度指每个波长范围内实际测出总辐照度的

百分比与下表列的标准辐照度分布的百分比相比较得出。

因此，只要滤光片修正

氙灯光谱使之达到辐照分布表（表2.2）中的百分比，则该滤光片达到A类滤光片的要求。

表2.2标准光谱辐照度分布

波长范围/um

波长0.4/um到1.1um之间总辐照度的百分比

0.4~0.5

18.5

0.5~0.6

20.1

0.6~0.7

18.3

0.7~0.8

14.8

0.8~0.9

12.2

0.9~1.1

16.1

2.3太阳能模拟器滤光片曲线的获取

2.3.1曲线获取相关仪器

采用荷兰AvantesB.V.公司AvaSpec系列光谱仪。

入射光由一个标准的SMA905接口进入光学平台，经一个球面镜准直，然后由一平面光栅分光，经由第二块球面镜聚焦到一维线性探测器阵列上。

光纤光谱仪的应用非常广泛。

2.3.2氙灯光谱

太阳辐照度光谱的测试是在西安众森电能科技有限公司XJCM系列测试仪上测试的。

辐照度曲线由Avantes微型光纤光谱仪测试。

图2.3是处理后的氙灯光谱辐照度曲线。

图2.3氙灯光谱幅度分布图

表2.3是分析得到氙灯光谱辐照度分布。

表2.3实测氙灯光谱辐照度分布表

光谱范围/um

波长0.4um到1.1um之间总辐照度的百分比

0.4~0.5

10.7

0.5~0.6

12.3

0.6~0.7

12.4

0.7~0.8

11.7

0.8~0.9

275

0.9~1.1

25.4

从图2.3和表2.3可以看出，氙灯在0.8~0.9um和0.9~1.1um波段范围内其光谱辐照度分布占的百分比非常非常大，超过总体辐照度分布的一半多。

这即是氙灯的特点，相对于标准光谱辐照度之间的匹配度来讲，氙灯光谱匹配度最大达到2.254，超过已经超过C标准。

所以对氙灯光谱的修正是非常重要的。

2.3.3AM0标准辐照度曲线

滤光片应用效果要达到A类模拟器的要求，必需使得光谱匹配度介于0.75～1.25之间。

因为辐照不稳定度由模拟器灯源等系统决定。

辐照不均匀性主要决定于模拟器的光学系统，其次是光片的不均匀性。

光谱匹配度及每个波长范围内实际测出的总辐照度的百分比与表2.2列出的标准辐照度分布的百分比相比较得出。

因此，只要滤光片修正氙灯光谱使之达到辐照度分布表中的百分比，则该滤光片达到A类滤光片的要求。

81090滤光片透过率曲线也可以由已知氙灯去曲线和标准大气质量AM0、AMl辐照度曲线来求得。

这里不做进一步计算，仅给出由上述方法算得的滤光片透射率曲线，如图2.4。

图2.481090型滤光片光谱透过率曲线

从图中可以看出，优化后的膜系在通带内有很平滑的透过率，透射率均值大于95％，符合设计要求。

在截止带内，首先其最低透射小于10％，而且由于滤光片和玻璃基底的共同作用，保留了极小部分的紫外光的作用，达到指定的要求。

2.4太阳能模拟器滤光片的指标要求

本次研制的滤光片是AM0型滤光片是负滤光片。

负滤光片又叫带阻滤光片，它从一光谱范围内除去某一波段，而在反射带的两侧连接两个高透射带。

负滤光片的特性由极小透射率T曲线、对应于透射率极小值的波长h、以及反射带区域的半宽度ω所表征。

其基本光学特性要求如下：

在300～650nm波段内，平均透过率Ta≥90%，在650～1200nm波段范围内是一个带阻滤光片，在930nm处的透过率约为15%，半宽度为350nm。

2.5本章小结

首先介绍了大气质量（AirMass）的背景理论和相关太阳能模拟器滤光片国家规范。

利用光纤光谱仪测得了实验用氙灯光谱辐照度曲线。

根据标准大气质量辐照度光谱标准曲线和实测氙灯辐照度光谱曲线，获得AirMass滤光片（AM0）透过率曲线。

最后给出了这种滤光片的指标参数要求。

为下一章的膜系设计打下了基础。

3膜料选择和膜系设计

3.1膜料选择

一般来说不同的膜系由于作用的波长和其自身特点不同，选取的膜层材料也不尽相同，如有的膜系需要三四种膜料，有的只需要一种。

太阳模拟器滤光片的薄膜材料低折射率材料有SiO2和MgF2等，高折率材料有TiO2、H4和H5O2等。

膜料在选择时，不仅要考虑其膜系的特征（中心波长，截止宽度等）还要考虑以下几种方面的特性：

透明性、折射率和消光系数、机械牢固性等[16-22]。

3.1.1透明度

在各种膜料中介质化合物的禁带宽度较大，价带中的电子被束缚从而不能随意地通过禁带到达导带，所以它们几乎都在可见光区和近红外光区是透明的。

半导体材料由于禁带宽度很窄，光激发材料后，价带中的电子易进入导带，所以它们的短波吸收限移向长波，这种半导体材料一般在透明区和近红外波段透明。

根据太阳能模拟器滤光片的要求，透明波段要在300～1700nm，材料要有尽可能高的透明度。

3.1.2折射率和消光系数

材料的价电子在电场作用下的性质决定了材料的折射率，价电子的极化性质决定了材料的介电常数ξ=n2。

所以，当某种材料的外层价电子很容易被极化，那么这种材料的折射率就较高。

由于电子键化合物比离子键材料最外层容易极化，所以电子键化合物的折射率较高。

同时折射率还随构成这些化合物元素的原子量的增大而提高。

基于上述理论，材料的折射率大致按下列顺序递增：

卤化物，氧化物，硫化物，半导体材料。

此外折射率还和成膜的晶体结构、密度、膜层的成分有关。

材料的消光系数就高折射率材料和低折射率材料而言，由于高折射率材料的短波吸收限更靠向长波，并且高折射率膜层中的柱体和空隙之间的折射率差增大，所以，在可见区高折射率材料的消光系数常常比地折射率材料高1.2个数量级。

另一方面就膜层结构来说，由于晶粒粗则散射大，所以多晶薄膜的损耗最大，单晶最小。

3.1.3机械性质

光学薄膜无论其光学性质多么的理想，若经不起潮气、高温、光照和擦拭，那么它就不能再实际应用中发挥其应有的作用。

比如对于激光薄膜来说，薄膜要

经受住高能激光的作用，因此薄膜必须具备良好的机械性能。

由于薄膜本身的结合力决定了薄膜的牢固性，而薄膜材料分子结合力键的性质、强弱及薄膜的结构决定了薄膜本身的结合力。

所以想要得到机械强度高的薄膜应选择具有这种结合力特性强的的薄膜材料。

Si02膜具有较好的结构和牢固性。

此外薄膜的应力、结合力、硬度都要适宜[23-28]。

经过上述条件的分析和筛选，TiO2和SiO2相匹配作为高低折射率材料的效果比较好，最终选择Ti