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单晶铜四棱锥光功能织构模芯的切削研究

单晶铜四棱锥光功能织构模芯的切削研究

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作者：周飞集美大学

学位级别：硕士

光功能织构在光学系统、光伏产业、道路交通标牌、以及照明等领域具有广泛的应用价值,其高质量、高效率的制备方法越来越受到重视。目前,主要是通过两种方式制备光功能织构:(1)直接在基体材料上制备光功能织构;(2)通过光功能织构模芯压... 详细信息

光功能织构在光学系统、光伏产业、道路交通标牌、以及照明等领域具有广泛的应用价值,其高质量、高效率的制备方法越来越受到重视。目前,主要是通过两种方式制备光功能织构:(1)直接在基体材料上制备光功能织构;(2)通过光功能织构模芯压印基体材料制备出光功能织构。研究表明通过光功能织构模芯压印基体材料可以高效率、高质量的制备出光功能织构。单晶铜以其优异的力学性能和物理性能、良好塑性加工和抗疲劳等性能在精密仪器和电子领域具有重要的应用价值,是制作精密元件的理想材料,相对于多晶铜而言,单晶铜材料用于光功能织构模芯的制备可以取得更好的加工表面质量。本文提出采用单晶铜作为制备四棱锥光功能织构模芯材料,利用单晶铜结合力最小的(111)晶面构建光功能四棱锥织构模芯的四个侧面,规划出四棱锥光功能织构模芯的切削方案;并研究了单晶铜超精密切削加工实验中不同切削深度和切削速度对单晶铜三种晶面的加工表面粗糙度和出口毛刺的影响规律,从而为获得最佳表面质量的单晶铜光功能四棱锥织构模芯的超精密切削加工提供了一定的指导。主要从以下几个方面展开研究:(1)基于单晶铜面心立方晶体结构,分析单晶铜三种晶面的结合力比值大小关系,选择晶面结合力最小晶面去作为单晶铜四棱锥光功能织构的四个切削侧面,并规划出单晶铜四棱锥光功能织构模芯的切削方案。(2)研究分析超精密切削加工中不同切削深度和切削速度对单晶铜三种晶面的加工表面粗糙度和出口毛刺的影响规律,并得到单晶铜三种加工晶面的最佳切削工艺参数,达到减小毛刺、降低表面粗糙度的目标;通过对单晶铜三种加工晶面的最佳表面粗糙度和出口毛刺的对比分析,研究了单晶铜三种不同晶面对切削加工过程中表面质量的影响。(3)结合最佳切削工艺参数和单晶铜四棱锥光功能织构的切削方案,进行单晶铜四棱锥光功能织构模芯的切削实验,分析单晶铜四棱锥光功能织构模芯单元的表面质量,并定义逆反射比表面积K对四棱锥光功能织构模芯的有效光功能面积进行分析评价。研究结果表明:选择不同基准面加工单晶铜工件,得到(100)、(110)和(111)三种加工晶面的表面粗糙度呈现各向异性的特点,其中(111)晶面的加工表面质量最佳;规划设计出四个侧面均为(111)晶面的四棱锥光功能织构模芯切削方案,结合最佳切削工艺参数进行切削实验,其模芯单元的四个侧表面平均粗糙度可达6.57nm,满足光学元件表面粗糙度小于10nm的要求;利用逆反射比表面积K评价其有效光功能面积,K值平均为96.6%,满足四棱锥光功能织构模芯的加工质量要求。

关键词：单晶铜各向异性光功能织构表面粗糙度逆反射比表面积

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复合光功能织构膜晶体硅电池光学特性研究

复合光功能织构膜晶体硅电池光学特性研究

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作者：彭海烽集美大学

学位级别：硕士

目前晶体硅电池约占全球光伏总产量的90%,在实际应用中晶体硅电池的光电转换率有待进一步提高。提高晶体硅电池光电转换效率的关键在于如何减少电池表面反射损失和增强光生伏特效应。目前主要通过在晶体硅电池表面制备光功能织构或复合... 详细信息

目前晶体硅电池约占全球光伏总产量的90%,在实际应用中晶体硅电池的光电转换率有待进一步提高。提高晶体硅电池光电转换效率的关键在于如何减少电池表面反射损失和增强光生伏特效应。目前主要通过在晶体硅电池表面制备光功能织构或复合光功能织构膜这两种基本途径来提高晶体硅电池的吸光率。在晶体硅电池表面直接制备光功能织构能有效降低其表面反射损失,同时也会增加晶体硅表面缺陷密度,削弱其光生伏特效应;且晶体硅电池表面栅线电极会带来遮光损失,限制其吸光率的提高。在表面缺陷较少的光面晶体硅电池表面复合光功能织构膜可有效提高其吸光率,本文提出将表面带有微米尺度棱锥阵列的陷光织构膜与光生伏特效应较高的光面晶体硅电池复合,从而提高光面晶体硅电池整体光电转换效率。本文主要从以下几个方面展开研究:(1)综合分析晶体硅电池现有光功能织构制备方法对其光电特性的不良影响,提出在光面晶体硅电池表面复合带有微米织构的陷光膜构成一种新型的复合结构电池。基于几何光学理论分析表面带有棱锥阵列的陷光织构膜内外表面光线传播过程及其陷光机理,并探究绒面晶体硅电池与复合结构电池的减反特性差异及优缺点。(2)建立陷光单元外表面反射损失与内表面折射损失的数学计算模型,分析陷光织构膜表面陷光单元几何参数对其光学特性的影响。并运用光线追迹计算优化复合结构表面陷光单元几何参数,评估陷光膜内表面逆反射功能对晶体硅电池表面栅线电极遮光损失的抑制效果,得到理论上具有最佳减反射效果的复合结构电池模型。理论分析减反射钝化膜、陷光膜本身物理折射率、光线投射角度对复合结构电池光学特性的影响,提出新的复合电池组件结构并探究其光学特性。(3)根据聚合物的材料特性与追迹计算优化结果制备陷光膜,并测试陷光膜表面单个棱锥体侧面的表面质量,运用化学刻蚀的方法制备光面与绒面晶体硅电池。探究和设计了聚合物陷光膜与光面晶体硅电池的复合工艺。为直观准确评估可见光波长内不同电池反射损失大小,结合晶体硅材料吸收特性和可见光谱内能量分布特点,提出一种全波长内的加权反射率计算方法。最终对光面晶体硅电池、绒面晶体硅电池和复合电池的光电特性进行对比分析,综合评价了复合结构电池的光电特性。研究结果表明:大部分入射光线会在陷光织构膜表面发生多次折射后进入膜内,复合陷光织构膜可显著降低光面晶体硅电池的反射损失;根据追迹计算得到复合结构电池表面陷光单元最佳几何参数为谷底夹角β=67°;实验制备的复合结构电池实测加权反射率为6.57%,比光面晶体硅电池和绒面晶体硅电池的加权反射率分别降低8.57%和1.65%;复合电池的光电转换效率达20.34%,比光面晶体硅电池和绒面晶体硅电池分别提高2.33%和1.18%。研究结果表明陷光织构膜可有效提高光面电池的光电转换效率,可为复合结构太阳能电池的实用化研究与应用提供理论依据。

关键词：光功能织构反射损失光线追迹陷光织构膜复合结构电池转换效率

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三棱锥光功能织构聚合物薄膜的热压印研究

三棱锥光功能织构聚合物薄膜的热压印研究

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作者：吴海锋集美大学

学位级别：硕士

三棱锥织构具有光学性能优异、比表面积大等特点,是制备光功能织构聚合物薄膜的理想结构。在复合结构的太阳能电池中,三棱锥织构通过增强太阳能电池表面的光线吸收,可提高晶体硅太阳能电池光电转化效率。目前热压印工艺是制备三棱锥织... 详细信息

三棱锥织构具有光学性能优异、比表面积大等特点,是制备光功能织构聚合物薄膜的理想结构。在复合结构的太阳能电池中,三棱锥织构通过增强太阳能电池表面的光线吸收,可提高晶体硅太阳能电池光电转化效率。目前热压印工艺是制备三棱锥织构聚合物薄膜的有效方法,文章研究采用P2P（平面对平面）的热压方法,探究工艺参数对热压印精度的影响规律,优化热压印的最佳工艺参数,保证制备三棱锥光功能织构聚合物薄膜的精度与稳定性。本文主要从以下几个方面展开研究:（1）通过聚合物流变学基础理论的研究和PVC（聚氯乙烯）材料性能测试建立聚合物本构模型,利用有限元软件Deform模拟热压成型过程,观察PVC聚合物在热压印过程中的形态变化。利用仿真结果指导实验工艺参数的设定,并发现造成三棱锥顶角缺陷的原因:压印过程中聚合物率先与腔体的侧壁接触,产生双峰填充的现象,在这个过程中三棱锥型腔内的空气会被持续的爬壁流体封闭在三棱锥顶部,造成顶角缺陷。（2）通过实验探究热压成型工艺参数对聚合物成型过程的影响,设计改装拉伸试验机获得一种简易高精度的热压印设备,以PVC薄膜为基材加工三棱锥阵列织构,获得减反射性能良好的三棱锥光功能织构聚合物薄膜。通过正交试验探究压印温度、保压时间和压印压力等工艺参数对三棱锥织构复制精度的影响规律,得到温度是影响热压印成型的最关键因素。通过单因素试验对热压印三棱锥织构聚合物薄膜的工艺参数进行优化,获得该设备的最佳工艺参数为:压印温度170℃,保压时间300S,压印压力2KN。（3）制备复合结构电池,通过对三棱锥光功能织构薄膜性能测试,对比晶体硅太阳能电池与光功能织构薄膜复合前后的性能。结果表明:光功能织构薄膜可显著降低光面晶体硅太阳能电池表面的反射损失,光功能织构复合结构电池表面加权反射率为7.51%,比裸片晶体硅太阳能电池表面的加权反射率降低3.85%。通过测试光功能织构薄膜复合电池的EQE和J-V曲线,复合结构电池光电转化效率达12.96%,比晶体硅电池提高1.03%。同时相较于绒面晶体硅表面,复合电池表面表现良好的疏水性能,复合电池表面水接触角从46°提升至115°左右,可为复合结构太阳能电池的实用化研究与应用提供理论依据。

关键词：热压印聚合物薄膜光功能织构反射率复合结构电池光电转化效率

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