材料電磁特性測(cè)試儀的改進(jìn)

孫齊磊

·儀器設(shè)備研制、改進(jìn)、維護(hù)·

材料電磁特性測(cè)試儀的改進(jìn)

孫齊磊

（山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

針對(duì)目前薄膜太陽能電池研究領(lǐng)域、材料電磁特性測(cè)試儀裝置的缺點(diǎn)，文中對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)后的裝置能夠克服原有裝置的不足，增加了實(shí)驗(yàn)樣品角度的可調(diào)性，增大了材料測(cè)試儀的使用范圍，提高了加熱效率，保證了檢測(cè)所需的溫度范圍，提高了實(shí)驗(yàn)的精確性。另外，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)。

薄膜太陽能電池；材料電磁特性測(cè)試儀；裝置；改進(jìn)

在國(guó)際市場(chǎng)硅原材料持續(xù)緊張的背景下，薄膜太陽能電池已成為國(guó)際光伏市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)和新熱點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率得到迅速提高，現(xiàn)在比兩年前約提升了30～40。與晶體硅電池相比，雖然仍然有很大差距，但其用料少、工藝簡(jiǎn)單、能耗低、成本有一定優(yōu)勢(shì)，越來越被業(yè)界所接受［1］。在薄膜太陽能電池材料研究過程中，電磁特性是其性能表征的重要指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室一般通過材料電磁特性測(cè)試儀測(cè)量獲得。本文針對(duì)薄膜材料實(shí)驗(yàn)過程中，原有儀器設(shè)備的不足，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1 材料電磁特性

材料的電磁常數(shù)包括介電常數(shù)εr和磁導(dǎo)率μr，分別以復(fù)數(shù)形式εr=ε′－jε″和μr=μ′－jμ″表示。其中，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′表示材料在電磁場(chǎng)中發(fā)生極化的程度，虛部ε″表示外加磁場(chǎng)作用下材料的電偶極矩產(chǎn)生重排所導(dǎo)致?lián)p耗的量度；負(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部μ′表示材料在電磁場(chǎng)中發(fā)生磁化的程度，虛部μ″表示外加磁場(chǎng)下材料的磁偶極矩重排引起損耗的量度。

介電常數(shù)表征了介質(zhì)材料容納感生極化電荷的能力，它的大小主要取決于電場(chǎng)激勵(lì)條件下極化過程的難易程度；磁導(dǎo)率通常用來表征磁通量通過的難易程度，其值大小由磁場(chǎng)激勵(lì)過程中發(fā)生的可逆磁化過程的難易程度決定。材料的晶界、摻雜、物相、內(nèi)應(yīng)力、氣泡、組分比等都會(huì)影響到介電常數(shù)和磁導(dǎo)率［2－3］。

2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的不足

進(jìn)行薄膜太陽能電池實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用南京南大萬和科技有限公司生產(chǎn)的ND－MIPS30型材料電磁特性綜合測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試霍爾電勢(shì)、樣品電壓、樣品電流、樣品溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)。

現(xiàn)有的材料電磁特性測(cè)試儀，實(shí)驗(yàn)設(shè)備樣品臺(tái)上的卡槽固定，樣品角度不可調(diào)，給檢測(cè)工作帶來一定的局限性。另外，進(jìn)行材料電磁特性測(cè)試時(shí)卡槽內(nèi)還需要一定的溫度，而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備依靠小燈泡來加熱，升溫過程緩慢，影響材料檢測(cè)效果，達(dá)不到預(yù)期檢測(cè)目的。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

為了增加材料檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、說服力和科學(xué)性，針對(duì)現(xiàn)有儀器裝置的不足，包括卡槽角度不可調(diào)和卡槽內(nèi)升溫緩慢等缺陷，本文對(duì)材料電磁特性綜合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

針對(duì)卡槽角度不可調(diào)的缺陷，改進(jìn)后的儀器實(shí)現(xiàn)了試樣測(cè)試角度可調(diào)，該技術(shù)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利的授權(quán)［4］。該裝置包括線圈、卡槽、旋轉(zhuǎn)桿、樣品臺(tái)，如圖1所示。線圈與樣品臺(tái)連接，樣品臺(tái)與卡槽連接，卡槽與旋轉(zhuǎn)桿連接?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備卡槽固定，樣品角度不可調(diào)，給檢測(cè)工作帶來一定的局限性，通過樣品與卡槽連接，在卡槽下面加一個(gè)旋轉(zhuǎn)桿，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)桿位置，從而改變卡槽的角度，樣品角度也隨之改變。多角度檢測(cè)使檢測(cè)效果更具有科學(xué)性和說服力，擴(kuò)大了材料測(cè)試儀的使用范圍。

圖1 試樣測(cè)試角度可調(diào)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖1－線圈，2－卡槽，3－旋轉(zhuǎn)桿，4－樣品臺(tái)

圖2 試樣可加熱的裝置結(jié)構(gòu)示意圖1－線圈；2－卡槽；3－電阻絲；4－樣品臺(tái)；5－電源；6－溫度計(jì)；7－導(dǎo)線

針對(duì)卡槽內(nèi)升溫緩慢的缺陷，改進(jìn)后的儀器實(shí)現(xiàn)了試樣加熱溫度可控，該技術(shù)也獲得國(guó)家實(shí)用新型專利的授權(quán)［5］。該裝置包括線圈、卡槽、電阻絲、樣品臺(tái)、電源、溫度計(jì)、導(dǎo)線，如圖2所示。線圈與樣品臺(tái)相連，樣品臺(tái)與卡槽相連，電阻絲在卡槽內(nèi)，溫度計(jì)與卡槽相連，電阻絲與電源相連。進(jìn)行材料電磁特性測(cè)試時(shí)卡槽內(nèi)需要一定的溫度，安裝一個(gè)電阻絲，通過溫度計(jì)感知溫度，電源控制電阻絲開關(guān)，在溫度計(jì)上查看溫度范圍，控制卡槽內(nèi)的溫度，保證了檢測(cè)過程處于最佳溫度范圍，提高了檢測(cè)的科學(xué)性。

4 改進(jìn)裝置的優(yōu)化

對(duì)改進(jìn)儀器裝置進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了試樣測(cè)試角度自動(dòng)可調(diào)，該技術(shù)同樣獲得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)［6］。該裝置包括線圈、卡槽、電機(jī)、樣品臺(tái)、電源、控制板、導(dǎo)線；線圈與樣品臺(tái)相連，樣品臺(tái)與卡槽相連，卡槽與電機(jī)相連，電機(jī)與電源相連，電源與控制板相連。通過在卡槽下面加一個(gè)電機(jī)，由控制板控制電源，電源控制電機(jī)，隨時(shí)開啟，調(diào)節(jié)卡槽位置從而改變卡槽的角度，樣品角度隨之改變，實(shí)現(xiàn)了樣品測(cè)試角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖3 電磁特性測(cè)試儀改進(jìn)裝置示意圖1－線圈；2－卡槽；3－熱電偶；4－電阻絲；5－樣品臺(tái)；6－溫度計(jì)；7－電機(jī)；8－電源；9－導(dǎo)線；10－控制板

為了對(duì)卡槽內(nèi)溫度進(jìn)行控制，進(jìn)一步對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化。該裝置包括線圈、卡槽、熱電偶、樣品臺(tái)、電源、控制板、導(dǎo)線；線圈與樣品臺(tái)相連，樣品臺(tái)與卡槽相連，熱電偶在卡槽內(nèi)，熱電偶與控制板相連，控制板與電源相連。進(jìn)行材料電磁特性測(cè)試時(shí)，卡槽內(nèi)需要一定的溫度，根據(jù)測(cè)試材料不同所需要的溫度范圍也不同，通過控制板設(shè)定所需溫度，通過熱電偶保持卡槽內(nèi)溫度，保證了檢測(cè)過程始終處于最佳溫度范圍。改進(jìn)后的裝置如圖3所示。

5 改進(jìn)裝置的效果

通過實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置增加了實(shí)驗(yàn)樣品角度的可調(diào)性，擴(kuò)大了材料測(cè)試儀的使用范圍；提高了加熱效率，保證了檢測(cè)所需的溫度范圍。

［1］中國(guó)行業(yè)研究網(wǎng).2013－2014年薄膜太陽能電池行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局與投資戰(zhàn)略研究咨詢報(bào)告［EB/OL］.［2013－01－12］.http：//www.chinairn.com//report/20130128/ 144456296.html.

［2］Shen X，Gong R Z，Nie Y，et al.Preparation and electromagnetic performance of coating ofmultiwall carbon nanotubeswith iron nanogranule［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2005，288：397－402.

［3］Zhan Y Q，Zhao R，Lei Y J，et al.A novel carbon nanotubes/Fe304 inorganic hybrid material：Synthesis，charac-terization and microwave electromagnetic properties［J］．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323 (7):1006－1010．

［4］孫齊磊，石磊，劉科高，等．材料電磁特性測(cè)試儀試樣測(cè)試角度可調(diào)的裝置［P］．中國(guó)專利: ZL201320279571．4，［2013－10－09］．

［5］孫齊磊，范小紅，石磊，等．材料電磁特性測(cè)試儀試樣可加熱的裝置［P］．中國(guó)專利:ZL201320279603．0，［2013－10－09］．

［6］孫齊磊，石磊，劉科高，等．材料電磁特性測(cè)試儀試樣測(cè)試角度自動(dòng)可調(diào)的裝置［P］．中國(guó)專利: ZL201320279566．3，［2013－10－02］．

Improvement on M aterials Electromagnetic Properties Testing Instrument

SUN Qilei
（School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan，250101，China）

The structure ofmaterials electromagnetic properties testing instrumentwas improved in view of its shortages in the research field of thin film solar cell.The improved device can overcome the shortage，add the sample angle adjustable，increase the scope of use ofmaterials testingmachine，enhance the heating efficiency，guarantee the temperature range required for testing，and improve the precision of the experiment.In addition，the device has the advantages of simple structure，low cost，and strong practicability.

thin film solar cells；materials electromagnetic properties testing instrument；device；improvement

TG115.27+2；TM914.4+2

B

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.072

2014－05－07；修改日期：2014－06－13

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2012－K4－12）。

孫齊磊（1977－），男，博士，講師，研究方向：材料腐蝕與防護(hù)，金屬材料熱處理。