太阳模拟器AM0滤光片的研制.pdf

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1、 题目：太阳模拟器 AM0 滤光片的研制 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 Air Mass Filter 在成本中占比较大

2、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 300650nm 波段内，平均透过率 Ta90%，在 6501200nm 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

3、(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

4、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 实验（时数）或实习（天数）：30 天 图纸（幅面和张数）*：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 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

5、、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 Air Mass 1.5G(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

6、 930nm 处的透过率 T15%，半宽度 350nm；在 300650nm波段内，平均透过率 Ta90%，在 6501200nm 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 0.891.09 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 III Design and Fabrication of Air Mass Filter for AM0 Solar Simulator Abstract The solar simulator is an implement for simulating the sunlight irr

7、adiation characteristics,such as solar spectral irradiance,irradiation nonuniformity and irradiation instability.The application of solar simulation is extremely extensive,the large-scale solar simulation is used in rsed in satellite attitude controlling,solar sensors experiment and demarcation on t

8、he ground.Inthe solar photovoltaic engineering,the solar simulator is mainly used in testing and standardizing for solar cells.The properties of Air Mass filter are important to the solar simulator.The Air Mass filter,Air Mass 1.5G(AMl.5G),AM0 and AM1,used in solar simulator for solar cells test are

9、designed and fabricated in this paper.First,the transmittance spectrum of the AM0 filter was evaluated by means of the standard atmospheric spectrum and the xenon lamp spectrum.Next,the film system of the AM0 filter was designed and optimized with thin film composite(TFC)software packageFinally,the

10、film system was deposited.The spectroscopic results of the prototyped filter show that the transmittance at the central wavelength of 930 nm is about 15(T15),and that the hag width at half-maximum(HWHM)is 350 nm.The average transmittance of the filter was found to be higher than 95in the wavelength

11、ranging from 300 nm to 650 nm,but in the rall,ge of 650 nm to 1200 nm,it is the stopband filters,The spectral irradiation results show that the radiation lies between 0.89 to 1.09,good enough to be classified as Class A filter.Key words:solar simulator;air mass 0 filter;spectral irradiance;radiation

12、 match IV 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(Air Mass)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 2.3.3 AM0 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.

13、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 V 4.3.2 AM(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 5.1.1 AMO(81090)滤光片测试.1

14、5 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 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

15、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

16、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 NASDA19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、

17、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西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）2 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

18、并没有大量相应的开发实验。国外主要有Seiencetech,ABET Technologies,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.5 Global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

19、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

20、、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 太阳能模拟器滤光片曲线的获取和指标的确定 3 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(Air Mass)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

21、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/cm22.1mw/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。Air Mass 滤波器：Air Mass 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

22、Air Mass 滤波器：图2.1 氙灯光谱分布和太阳光谱分布曲线 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）4 图 2.2 太阳入射角对应的大气质量 AM 0：校正光谱使之接近大气层外的太阳光谱分布。AM 1 Direct：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。AM 1.5 Direct：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。AM 2 Direct：校正光谱使之接近于太阳光直接60.1度照射。AM 1.5 Global：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1

23、5(GBT 6495.9-2006)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）0.751.25 0.61.4 0.42.0 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

24、度介0.751.25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西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）5 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 0.40.5 18.5 0.50.6 20.1 0.60.7 18.3 0.70.8 14.8 0.80.9 12.2 0.91.1 16.1 2.3

25、 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Avantes B.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。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）6 表 2.3 实测

26、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 0.40.5 10.7 0.50.6 12.3 0.60.7 12.4 0.70.8 11.7 0.80.9 275 0.91.1 25.4 从图 2.3 和表 2.3 可以看出，氙灯在 0.80.9um 和 0.91.1um 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。2.3.3 AM0 标准辐照度曲线 滤光片应用效果要

27、达到A类模拟器的要求，必需使得光谱匹配度介于0.751.25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2.4 81090型滤光片光谱透过率曲线 从图中可以看出，优化后的膜系

28、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 020406080100120020040060080010001200系列1西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）7 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所表征。其基本光学特性要求如下：在3006

29、50nm波段内，平均透过率Ta90%，在6501200nm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(Air Mass)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Air Mass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 8 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

30、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

31、光片的要求，透明波段要在3001700nm，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=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

32、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，薄膜要西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）9 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

33、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TiO2和SiO2作为高低折射率膜料，K9光学玻璃为基底。3.2 膜系设计 3.2.1 设计及其优化 根据设计要求，选择周期膜系(HL)n为基本膜系，材料为Si02 和Ti02。因为Si02薄膜和其块状材料的折射率相差不大并可以认为是相等的。Ti02膜的实际光学参数和其块状材料有着显著的差异，其实际用到的光学常数由正交实验获得。a.负滤光片设计 根据式：SBAogAnnnn

34、nT22m in4 (3.1)nA:低折射率材料折射率 nB:高折射率材料折射率 no:入射介质折射率 ng:基底折射率 Tmin:反射带最小透射率 S:周期数 81090型AirMass滤光片由Tmin=0.36，nA=1.45，nB=2.1，ng=1.52。得S=3，所以有G|HL HL HL|A。其中G表示基底K9玻璃，H表示高折射率TiO2，L表示低折射率的SiO2，A代表空气。按照等效折射率的理论，改变薄膜的厚度，使其通带内的薄膜幅度减小。3.3 膜料选择和膜系设计 根据上面的基本膜系利用TFC膜系设计优化软件(该软件采用薄膜矩阵为膜系设计基本理论。优化方法包括单纯形法、Needle

35、法、遗传算法等。)进行优化。81090优化后的膜系为：G|H1.4L 0.3H1.3L Hl.8L|A。效果如图3.1。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）10 图3.1 AM0原始曲线与优化后曲线 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。3.4 设计结果分析 3.4.1 敏感层分析 由图 3.2AM0 滤光片膜层敏感度分析图可知，其第三层、第五层、第七层和第九层的敏感度相对较高。图 3.2 AM0 滤光片敏感层 3.4.

36、2 允差分析 00.0020.0040.0060.0080.010.01212345678910系列1西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）11 a.第三层允差分析 表 3.1 膜系第三层相对光谱匹配允差表 从上表 3.1 可知，第三层上下层分别变动+10、-5nm 后，其光谱辐照度分布已经降为 B 级，为最敏感层。b.第五层允差分析 表 3.2 膜系第三层相对光谱匹配允差表 从上表3.2可知，第二层增加或者减小10nm厚度则光谱匹配度明显降到B级。c.第七层允差分析 表 3.3 膜系第七层相对光谱匹配允差表 从表3.3中可知，其第三层增加或减小15、16nm后，光谱匹配度降为B级。1.

37、2631 1.0744 1.2345 1.247 0.9695 0.7517 0.8250-10%0.9525 1.1233 1.1539 1.037 0.9779 0.9559 0.853-5%度 1.2577 1.2251 1.1669 1.0558 0.9556 0.9031 0.7405+10%配 0.9314 1.131 1.127 1.0316 0.9944 0.9166 0.7567+5%匹 0.9-1.1um 0.8-0.9um 0.7-0.8um 0.6-0.7um 0.5-0.6um 0.4-0.5um 0.3-0.4um 允差 1.2651 1.0774 1.2055 1

38、.007 0.9695 0.9307 0.735-20%0.9055 1.1033 1.1559 1.035 0.9779 0.9339 0.8013-10%度 1.2007 1.1011 1.1599 1.0358 0.9776 0.9191 0.555+20%配 0.7644 1.1551 1.1337 1.0436 0.9954 0.9386 0.8867+10%匹 0.9-1.1um 0.8-0.9um 0.7-0.8um 0.6-0.7um 0.5-0.6um 0.4-0.5um 0.3-0.4um 允差 1.2651 1.0774 1.2055 1.007 0.9695 0.930

39、7 0.735-20%0.9055 1.1033 1.1559 1.035 0.9779 0.9339 0.8013-10%度 1.2007 1.1011 1.1599 1.0358 0.9776 0.9191 0.555+20%配 0.7644 1.1551 1.1337 1.0436 0.9954 0.9386 0.8867+10%匹 0.9-1.1um 0.8-0.9um 0.7-0.8um 0.6-0.7um 0.5-0.6um 0.4-0.5um 0.3-0.4um 允差 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）12 但是与第三层和第五层相比，敏感度又有降低，反过来证明了其敏感层

40、的分析是可靠的。d.第九层允差分析 表 3.4 膜系第九层相对光谱匹配允差表 从表3.4中可以看出，其敏感度比第三层和第五层低，比第七层高，光学匹配度降为B级。3.5 本章小结 经过对在可见光区和红外光区透明的薄膜材料进行分析，结合工艺实验的研究，最终确定了高折射率膜料为Ti02，低折射率膜料Si02。对Ti02膜料进行了进一步的正交实验研究，获得了其在可见光区和近红外光区的光学特性参数。利用已经获得的两种膜料的光学特性进行膜系设计，最终设计了滤光片(81090)并对其进行了优化了，优化结果完全符合设计参数要求。进一步利用TFC软件对滤光片进行了敏感层分析，分析结果对下一章的膜系镀制有很大的指

41、导意义。1.0651 1.0554 1.2036 1.307 0.9535 0.9537 0.6995-20%0.9355 1.1055 1.0559 1.0535 0.9766 0.8539 0.9013-10%度 1.0307 1.1331 1.1239 1.3358 0.9753 0.8191 0.635+20%配 0.7754 1.0551 1.2037 1.0336 0.9664 0.8586 0.7667+10%匹 0.9-1.1um 0.8-0.9um 0.7-0.8um 0.6-0.7um 0.5-0.6um 0.4-0.5um 0.3-0.4um 允差 4 太阳能模拟器滤光片

42、的镀制 13 4 太阳能模拟器滤光片的镀制 4.1 膜厚监控方法概述 膜层厚度作为表征膜层物质质量的重要参数，通常有三种表述方法：几何厚度、光学厚度和质量厚度。光学薄膜厚度监控方法根据检测原理可以分为质量监控法、光学监控法、电学监控法和其他监控法等几大类。光学监控法是直接对薄膜光学厚度监控并可能以此给出膜层沉积时的折射率、吸收等光学特征的方法，这个方法优点是可以对某些膜系的膜层厚度进行自动补偿，光学监控法是薄膜厚度监控法中使用最广泛最简捷的方法。但是随着薄膜特征的要求更加严密，膜系更加复杂化，光学监控法由于其自身特点，不能满足对非规整膜系的监控。4.2 变波长法和定值法 极值法对于控制规整膜系

43、非常适合，但是随着膜系越来越复杂化，非规整膜系越来越多，常采用变波长法和定值法相结合的方法来控制薄膜厚度。变波长法顾名思义是改变监控设备的监控波长，使得所需厚度在选定的波长下其光学厚度是14波长的整数倍。其优点非常简便，可将非规整膜系转化为规整膜系来控制。缺点是容易产生积累误差，而且选择的波长会受到设备限制，通常波长的选择会有一定的局限性，因为它受到监控仪器的工作敏感区和膜料色散区域的限定。定值监控法是先通过光学极值法找到两个极值点的数据比如时间、透射率走值等，然后根据理论计算出相应厚度的比例，算出此膜层厚度所需要走的的参数值，并以此作为厚度依据对膜厚进行顶点监控。这种方法容易实现，但缺点是是

44、镀制非规整膜层时得提前镀制以利用现有的两个极值计算其对应走值点，误差较大。4.3 膜系镀制 4.3.1 膜系镀制工艺参数的确定 由Ti02正交试验可知，最佳的工艺参数是沉积速率0.4nm/s；沉积温度240；真空度1.4103Pa；离子辅助能量1000eV时，所得到的Ti02薄膜光学特性最为稳定并且最优。在设计膜系时，也选取该工艺参数下所得到的Ti02薄膜光学特性进行设计。在镀制Si02薄膜时，由于其膜料对工艺参数的敏感性较低，所以该材料光学特性非常稳定。但是其熔点较低，所以电子枪束流应较低，保持稳定的沉积速率，西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）14 使之所得到的薄膜尽量与设计时使用

45、膜料的光学特性相近。4.3.2 AM(81090)滤光片的镀制 最终膜系为G|H1.4L 0.3H1.3L Hl.8L|A。按照薄膜镀制流程进行操作。实验所用基底为厚度3mm，直径37mm的K9光学玻璃，平均透过率大于等于90。为了保证实验数据的准确性，所镀薄膜样本均保证2个以上的成品，对其进行测试并取平均值。所有测试与镀膜前的基片均按照如下步骤进行认真清洗，具体步骤：(1)去污 将基片放入洗洁液中浸泡10min，以去除基片在抛光和传递过程中带来的表面油脂的污染。(2)清洗 取出基片，用大量去离子水漂洗，以去除表面残留的洗洁液。(3)厚度监控 用酒精和乙醚(1:1)的混合液进行擦拭。实验基底温

46、度240，本底真空度5103Pa，工作真空度1.2102Pa，离子源能量1000eV。厚度采用光学监控，由于是非规整膜系，所以监控采短波控制长波方法和变波长法。每次实验将基底放在同一位置，加修正版以保证获得样片的准确性。4.4 本章小结 本章首先介绍了真空镀膜机及其使用流程。通过第三章对膜料研究的基础上对镀膜工艺进行了优化。在膜系的镀制过程中，采用离子束辅助电子束热蒸发的镀制方法和短波控制长波、变波长以及定值法等膜厚监控方法对三种滤光片进行了镀制。对膜系进行了均匀性分析，结果表明在真空腔内加修正板的情况下，所得滤光片的均匀性偏差得到了很大的改善，符合设计要求。5 太阳能模拟器滤光片的测试 15

47、 5 太阳能模拟器滤光片的测试 5.1 光谱测试 5.1.1 AMO(81090)滤光片测试 图5.1所示为通过分光光度计测出的AM0(81090)滤光片透光率测试结果。该滤光片在300-650nm波段内平均透过率Ta90%。截止带在650-1200nm之间，中心波长930nm，中心透过率Ta小于10%。截止半宽度350nm。符合设计所要达到的要求。图5.1 AM0滤光片透光率测试曲线 5.2 滤光片机械性能的测试 5.2.1 附着性试验 用2cm宽、剥离强度不小于2.74N/cm2的胶带纸粘牢在膜表面，把胶带纸从零件的边缘朝表面的垂直方向迅速拉起后，膜层无脱落、无损伤。5.2.2 水溶性试验

48、 将镀膜样片放入水中浸泡 3 天，膜层无脱落、起皱。5.2.3 温热性试验 在温度为502、相对湿度为95100的条件下保持24h，膜层光整无起皮、脱膜、裂纹、起泡等缺陷。5.2.4 中度摩擦 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）16 膜层经受压力为4.9N外裹脱脂棉的橡皮摩擦头摩擦50次，无损伤迹象。经过严格的各项机械性能测试，本次研制滤光片机械性能完全符合国家标准GJB2485-95。5.3 本章小结 本章首先利用分光光度计对滤光片进行了光谱透过率测试，结果表明81090型滤光片都满足光谱透过率要求。利用光纤光谱仪分别对单片和组件用AMl.5滤光片进行了光谱辐照度分析，获得了其光谱

49、曲线，对所得数据进行计算分析表明，两种滤光片的辐照匹配度达到了国家标准分别为11。属于国家标准A类模拟器滤光片。机械特性的测试表明该滤光片完全符合国家标准。6 结论 17 6 结论 本文系统的介绍了太阳能模拟器滤光片的研制工作。首先获得利用氙灯和国际标准AM0曲线获得了近似的滤光片光谱曲线，在对材料进行研究的基础上，对滤光片进行了初步设计和优化。其次将其应用于各种太阳能模拟器中，检测其对于光谱的改善性能。进一步改进膜系设计。根据不同的模拟器的光学系统，设计不同的滤光片。主要结论有：a.采用正交实验法对Ti02薄膜进行制备 通过椭偏仪研究不同工艺下的Ti02薄膜进行红外波段的折射率和消光系数。找

50、出了影响Ti02薄膜光学常数的主要因素是沉积速率，其次是基片烘烤温度，再次是真空度，离子辅助能量对Ti02薄膜在近红外波段的光学特性影响最小。接着进行了单一因素实验，分析其具体影响趋势。沉积速率控制在0.4nm/s时，Ti02薄膜光学性能较好。b.透过率光谱 通过标准大气质量光谱和实测氙灯光谱获得了各种Air Mass Filter透过率光谱。c.膜系厚度监控 采用短波控制长波、变波长以及定值法等对非规整膜系厚度进行了监控，使滤光片的厚度均匀性和光谱特性达到了预期要求。d.滤光片的测试 通过对滤光片的测试，它在透射率光谱上满足了初步的设计要求。而且机械性能优良。e.辐照度测试分析 通过对AM0