扩散性能（精选六篇）
扩散性能 篇1
关键词：LED扩散板,扩散性能,柔和舒适,能源高效的利用
0 引言
LED产业是广东省三大战略性新兴产业之一，而佛山作为广东商业照明重地，在照明领域拥有天然优势。LED作为一种新型节能高效光源，佛山目前共有300多家企业从事LED产品生产和配套，大部分企业都是从传统照明转入了LED领域。300多家企业都在转型升级，急需LED产品的创新。
1 国内同类产品和技术现状分析
目前佛山市LED照明产业规模以上企业近300家，工业总产值超过200多亿元，从芯片研究、装备制造、LED外延片和芯片制造、大功率封装、应用产品开发、中试及生产、产品检测到市场流通的LED全产业链已经初步形成，南海区和禅城区的LED产业集聚趋势特别明显。
但产品的欠缺创新设计，缺乏高科技的元素，产品的“创新”。LED日光灯、LED灯泡等，其照明效果与传统照明产品相比还有很大差距，只是打着LED名号，没有真正发挥LED在室内外照明的长处。主要原因就是很多生产厂商没能正确认识常规照明灯的照明方式和要求的特殊性，只是依葫芦画瓢，按照常规照明灯具的模样制作，认为：外观相同就是灯、发光体就是灯、照明节能就是灯。这样单纯的想法完全忽略了LED照明的优势，LED扩散板只是运用PMMA、PC、PS板起遮盖和保护作用。行业内尚无LED扩散板光扩散的性能评价体系。
2 LED扩散板光扩散研究的前景与预测
研究的顺利实施，将提高LED产品的美观性，扩大LED灯产品的运用范围；大大的降低能耗，有效的利用电能。
研究成果产业化的研究重要成果之一就是一个经过测试和试用合格的产品，具有产业化的先决条件。参与研制的企业技术力量雄厚，勇于创新，不断开拓，获得了多项殊荣，当中包括：广东省高新技术企业、消费者信赖品牌、佛山市科技进步奖、联合国指定供应商等，并获得了十多项产品专利。有较强的科研能力，拥有一体化的生产流水线和仪器设备完善的产品测设备，保证产品的质量，为产业化打下坚实的基础。
3 研究LED扩散板光扩散的性能评价的实践探索
3.1 具体研究开发内容
研究LED扩散板光扩散的性能评价和利用。首先，用LED灯替代传统灯具。在相同照明效果下，LED灯比传统照明灯具节电60%以上，而且寿命长，属于典型的绿色照明光源。根据室内环境的艺术要求，用户的功能性需求，选择灯具的造型和LED灯具扩散板和扩散板的参数，达到LED灯技术上的创新。（如图1)
其次，用研究LED扩散板光扩散的性能，实现“按需照明”。一盏额定功率12W～16W的LED灯在无人无车时维持基本亮度，功率仅2W；当人或车靠近灯一定距离时（一般为5米左右），LED灯即满负荷工作。设计新型LED扩散板，让客户觉得方便、经济，而且有艺术性。开展本课题研究的明确方向：LED灯具的LED扩散板光扩散的性能创新设计是解决LED产业转型急需解决的瓶颈课题。
3.2 重点解决的技术关键问题
本研究重点解决的技术关键问题：加入真球体微粉粒子（Spherical Polymeric Beads）、PMMA微粉粒子、MS(MMA-Styrene copolymer）微粉粒子提高扩散板的扩散度；技术关键问题：加入真球体微粉粒子提高扩散板的扩散度，但降低扩散板透光率。
4 研究的特色和创新之处
不同功能、不同位置使用的LED灯具配以不同的扩散板，达到较佳的光效益和经济效益，让LED灯具的艺术性和功能性统一。设计、制作出分散度和相对透过率达到较佳效果的扩散板。LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也会不同。有时也会出现本来想要照射的地方照度减小，其余部分反而照度增加的情况。（如图2)
本研究研制的LED扩散板有良好的耐温性能和较强的抗老化性能。提供一个行业内无LED扩散板光扩散的性能评价体系。局部定位的市场是巨大的，本研究的产品可以在多个领域应用，具有广阔的市场前景。预计1年的销售量3000万左右。本产品有一定的技术优势，我们有广阔应用空间的市场。本研究研究成果的产业化将提高LED产品的美观性，扩大LED灯产品的运用范围；大大的降低能耗，有效的节约电能；这项技术的成功研制也填补了行业内无LED扩散板光扩散的性能评价体系的一个空白。
参考文献
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造孔剂对气体扩散阳极性能的影响 篇2
随着社会的发展,人们生活水平的不断提高,能源问题日益突出,因此坚持节能优先,提高能源效率尤为重要。与传统的电解沉积过程相比,采用新型气体扩散阳极的电解沉积技术具有以下特点:(1)节约能耗50%左右。以锌为例,我国目前湿法炼锌年产量约为180～200万t,年节能约27～30亿kWh;(2)阳极电位大大降低,电解液温度不会升高,无需冷却电解液;(3)无阳极泥产生;(4)酸雾量明显减少;(5)新型阳极材料替代铅-银合金,消除了铅污染;(6)电锌质量明显提高。 源于燃料电池[1,2] 的氢扩散阳极(HDA)将在冶金工业发挥重要作用,国外已有人对其在冶金上的应用做了一些研究,如N.Furuya等[3,4,5] 将其用于锌电积过程,V.Nikolova等[6]将其用于镍电积过程,E.Exposito等[7,8] 将其用于铅电积过程,而国内对这方面的研究则相对较少。该项技术将给锌、铜、锰的电解沉积带来根本性的变革,为开展气体扩散阳极的新型阳极反应和基础理论研究提供一个新方向。其研究和应用具有重要的意义。
1 实验
1.1 气体扩散阳极的制备
气体扩散阳极由多孔碳层、气体扩散层、催化层和特殊膜组成。将导电炭黑(BC)、活性炭(AC)、聚四氟乙烯粉末(PVDF)以及造孔剂按一定质量比混合均匀,混料后置于热压模具中热压成型制备成多孔碳;按质量比40∶31∶29称取BC、无水Na2SO4和60%PTFE制得气体扩散层;按质量比15∶5∶20∶60称取BC、催化剂Pt/C、60% PTFE和AC制得催化层;按质量比50∶50称取无水Na2SO4和60%PTFE制备特殊膜。将制备好的多孔碳层、气体扩散层、催化层和特殊膜顺序排列叠放后置于压片机上在15MPa压力下冷压1min得到气体扩散阳极。
1.2 气体扩散阳极透气性和孔率的测试
采用质量-体积直接计算法[9]测定气体扩散阳极的孔率,采用排气法测定气体扩散阳极的透气性能[10] ,装置如图1所示。测得气体扩散阳极的有效面积为415.265mm2,进气口氧气压力为0.15MPa。通气后,测量在1min内所排出水的体积。
1.3 气体扩散电极的电性能测试
采用三电极体系,工作电极为气体扩散阳极,参比电极为甘汞电极(Hg/HgO),辅助电极为石墨电极,在7mol/L的KOH电解质溶液中,用CHI760C电化学工作站测试多孔碳电极的稳态电流-电压极化曲线。电极有效测试面积为78.5mm2,电压扫描范围为-0.2～0V,扫描速度为5mV/s。测试装置如图2所示。
1.4 气体扩散阳极表面形貌的测试
采用4XC三目倒置金相显微镜(600X)测试气体扩散阳极的表面形貌。
2 实验结果与讨论
2.1 不同造孔剂时气体扩散阳极透气性能的影响
在添加的质量分数和工艺条件都相同的条件下,对分别添加NaCl、NaBr和无水Na2SO4造孔剂的气体扩散阳极进行了透气性测试,实验结果如表1所示。
由表1可知,添加NaCl的1#电极的排水体积最大,而添加Na2SO4的3#电极的排水体积最小,这说明添加NaCl的气体扩散阳极的透气性能最好,而添加Na2SO4的最差。这主要由于三者分子的化学组成和结构都不同:Na2SO4造孔剂以单个颗粒分子存在,在造孔时寻找到最弱部位排出而形成连通管道,排水体积少,造出的空隙较小,从而透气性能差;而NaCl造孔剂在扩散阳极内部是以2个NaCl分子颗粒相互接触,挥发后形成相互连通的大孔隙,排水体积最多,透气性能最好。
2.2 不同造孔剂对气体扩散阳极孔率的影响
多孔材料的孔率又称孔隙率、孔隙度或气孔率,系指多孔体中孔隙所占体积与多孔体总体积之比率,一般用百分数表示。检测时多孔材料测试样品应具有规则的形状以及合适的大小, 以便于进行样品尺寸的测量和体积的计算。用电子分析天平称取试样的质量,通过排水法测量试样总体积。整个测试过程应在常温或规定的温度和相对湿度下进行。孔率通过式(1)计算:
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式中:M为试样质量(g),V为试样体积(cm3),ρs为多孔体对应致密固体材质的密度(g/cm3 )。
从表2中可以看出,当造孔剂的质量分数一定时,使用NaCl、NaBr作造孔剂时,气体扩散阳极的孔率最好,均大于35%,且孔隙尺寸的分布范围大于造孔剂粒度的分布范围。这是因为NaCl、NaBr造孔剂由2个或多个颗粒相互接触存在并挥发使形成相互连通的大孔隙增多。而使用Na2SO4作造孔剂时,气体扩散阳极的孔率最差,这是由于Na2SO4造孔剂是以单个颗粒分子存在,造孔的空隙小,说明NaCl、NaBr比无水Na2SO4更适合作气体扩散阳极的造孔剂。
2.3 不同造孔剂对气体扩散阳极电性能的影响
造孔剂用来改善气体扩散阳极的疏水和透气性能,孔径适当、分布均匀的微孔对于改善电极的性能具有重要的作用,因此对3种不同造孔剂的气体扩散阳极电极进行了稳态-电压极化曲线测试,实验结果如图3所示。
由图3可知,在相同的电位下,添加NaCl的气体扩散阳极的极化电流密度最大,添加NaBr的次之,添加Na2SO4的电流密度最小。这是因为添加NaCl的气体扩散电极中形成的气、液、固三相反应的界面最多,而在相同的时间和单位面积内扩散进入电极内的正极活性物质也最多。
2.4 电极中氯化钠造孔剂含量对气体扩散阳极电性能的影响
在其他配比和工艺条件都一定的条件下,对不同NaCl含量制备的气体扩散阳极进行稳态电流-电压极化曲线测试,实验结果如图4所示。
由图4可知,当电极中NaCl的质量分数为20%时,所得气体扩散阳极在相同电位下的极化电流密度最大。随着造孔剂NaCl质量分数的增大,造孔剂相互接触的几率增大,烧结孔连通程度也增大,即由2个或多个颗粒相互接触存在并挥发而形成相互连通的大孔隙增多,从而在电极中形成了更多的气、液、固三相反应的界面。这说明透气性高的气体扩散阳极在NaCl质量分数为20%时的电化学性能更好,性能更稳定。
2.5 活性炭粒径对气体扩散阳极的影响
由活性炭组成的阳极电极具有2种孔隙:颗粒之间形成的粗孔和颗粒内部的细孔。粗孔孔径较大彼此连通,是反应物和离子电荷传输的主要通道,其孔壁构成电极过程的主要反应表面[11]。在其他配比和工艺条件都相同的条件下,改变活性炭粒径大小,对用粉末状、60目、80目和120目4种活性炭制备的气体扩散阳极进行稳态电流-电压极化曲线测试,并用SEM观察4种不同的气体扩散阳极的表面形貌,实验结果如图5和图6所示。图6中(a)为采用粉末活性炭制备的气体扩散阳极,图6(b)为采用60目活性炭制备的,图6(c)为采用80目活性炭制备的,图6(d)为采用120目活性炭制备的。
由图5可知,当活性炭粒径大小在80目时,形成的大孔越多,所得气体的扩散阳极在相同电位下的极化电流密度最大。在相同时间和单位面积内所扩散进入气体扩散阳极的气体越多,越有利于电极的反应。
对比图6可以看出,由粉末状活性炭压成的电极(图6(a))呈层片剥落状,比较疏松,在热压初期,由于扩散阳极的表面凹凸不平,在热压烧结过程中颗粒的相互连接先是在颗粒表面进行的。随着温度升高,烧结机制由表面扩散转变为体积扩散,颗粒与颗粒以及孔隙与周围颗粒接触的区域通过形核、长大等原子迁移过程形成了烧结颈,最终使阳极表面形成孔隙的凸面。120目活性炭压成的阳极电极(图6(d))表面呈破碎状,与粉末状的刚刚相反。60目活性炭压成的阳极电极(图6(b)),其表面质地比较均匀。80目活性炭压成的电极(图6(c)),其表面质地最好,扩散阳极基体具有明显的各向异性特征,在不同的晶体表面存在不同的表面能,最终形成的表面形貌最均匀,孔径分布也很均匀,因而其气体扩散阳极具有更好的气体扩散性能和化学性能。
3 结论
(1)测试了制备得到的气体扩散阳极的透气性和孔率,结果表明,使用NaCl作为造孔剂时气体扩散阳极的透气性能和孔率最好,使用NaBr次之,使用无水Na2SO4最差。
(2)分析研究了活性炭粒径对气体扩散阳极电化学性能和表面形貌的影响,得出其最佳粒径为80目。
(3)测定并分析了气体扩散阳极的稳态极化曲线,系统深入地研究了造孔剂对气体扩散阳极电化学性能和活性炭粒径对气体扩散阳极的影响。结果表明,采用质量分数为20%的NaCl和80目左右的活性炭制得的阳极,其造孔效果和电化学性能最好。
摘要：研究了气体扩散阳极,以活性炭、碳黑、PVDF、PTFE、造孔剂和催化剂为原料,采用热压成型法制备多孔气体扩散阳极。系统探讨了电极组成、造孔剂、活性炭粒径对气体扩散阳极透气性、孔率和电性能的影响。研究结果表明,采用质量分数为20%的氯化钠和80目左右的活性炭制得的阳极,其造孔效果和电化学性能最好。
关键词：造孔剂,透气性,孔率
参考文献
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扩散性能 篇3
扩散器是把风机出口的一部分动能转化为风机静压能,从而提高通风机有效功率的主要通风机附属装置之一。从生产现场实测的数据来看,主要通风机扩散器能回收风机出口动能的30%~80%[2]。目前,我国矿山使用的扩散器主要有4种型式,按主要通风机动能回收效率从低至高,依次为直立式、60°倾斜扩散器、45°倾斜改进型扩散器、东工流线型扩散器[3]。由于全矿总风量均通过扩散器排出,其通过的风量大、风速高,扩散器的空气动力学性能优劣对主要通风机能量的有效利用有较大影响[4]。
主要通风机的全压分别用于克服矿井阻力、补偿扩散器出风口的动能损失和克服扩散器的通风局部阻力[5]。扩散器的通风阻力包括:转弯的局部阻力、出口涡流、出口动能损失和扩散器内摩擦阻力等[6]。扩散器动能回收效率与扩散器阻力呈对偶关系,效率越高,阻力越小,其回收动能效果越好[7];扩散器的阻力与合理的断面系数、扩散器转角、导流片的合理安装、扩散器出口断面的涡流区面积、扩散器出口断面的速度分布等因素相关[8]。当主要通风机的风量变化时,风机静压也变化。影响主要通风机能量利用率的因素除扩散器的效率外,还与风量和静压力有关。
1 扩散器性能的评价参数
评价扩散器性能参数有:基于简化的总流伯努利能量方程的扩散器阻力系数,基于扩散器动能回收率的扩散器效率,基于总流伯努利能量方程的主要通风机扩散器效率,基于流体动力学的静压恢复系数和扩散器扩散效率,以及附属于扩散器物理模型的断面扩大系数和雷诺数等。上述评价参数中,断面扩大系数、静压恢复系数、主要通风机扩散器扩散效率,以及扩散器出风口的速度分布均匀度为扩散器性能的主要表征参数。
1.1 断面扩大系数
扩散器出风口与扩散器进风口的面积比,称为扩散器的断面扩大系数。断面扩大系数越大,出口的风速越小,则扩散器的静压恢复系数越大、主要通风机扩散器扩散效率越高,越有利于节能降耗实现主要通风机的运行。但是,断面系数扩大到一定程度后,逆压梯度变化过于激烈,导致在扩散器出口的内边界出现越来越大的涡流区,反而减小了真实的断面扩大系数。不同类型的扩散器均有其最优化的断面扩大系数:
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式中 n——断面扩大系数,无量纲;
Sout——扩散器出口断面面积,m2;
Sin——扩散器入口断面面积,m2。
1.2 扩散器静压恢复系数
静压恢复系数是表征扩散弯道性能优劣的重要参数,直接反映了扩散弯道回收静压能力的大小。静压恢复系数也能用断面扩大系数与扩散弯道局部阻力系数来计算:
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式中 CP——静压恢复系数,无量纲;
ζ——扩散器弯道局部阻力系数,无量纲。
由式(1)、式(2),扩散器局部阻力系数为
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1.3 主要通风机扩散器扩散效率
影响主要通风机扩散器扩散效率的因素主要有:扩散器的结构阻力、扩散器的转角、扩散器的扩散高度等。若忽略次要因素,主要通风机扩散器扩散效率能用理想状态下的扩散器静压恢复系数与实际的扩散器静压恢复系数来表示:
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式中 η——扩散效率,无量纲;
CP(ideal)——不考虑弯道局部阻力的理想静压恢复系数,无量纲。
1.4 扩散器出口速度分布均匀度
扩散器的出口速度分布,与扩散器的扩散性能密切相关,直观形象地说明某流元的静压恢复效率和变工况下的抗反吸能力:
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式中 R——风速分布均匀度,无量纲;
v——出口点风速,m/s;
u——出口积分平均风速,m/s。
2 扩散器模型及数值实验
为了便于分析比较,研究的物理模型取葛泉矿改造前后主要通风机扩散器为实体模型,改造前采用60°倾斜扩散器,该扩散器高5.1 m,入口断面为2.80 m×3.34 m,出口断面为2.80 m×4.30 m,断面扩大系数为1.29,不仅通风阻力大,而且在扩散器出风口出现严重的涡流吸风区,使主要通风机无效能量消耗大。
利用FLUENT计算流体力学软件,在相同入口速度及风量的情况下,分别模拟了60°倾斜式扩散器、传统流线型扩散器及作者设计的基于流函数的流线型扩散器(断面扩大系数分别为1.29,2.15,2.28),其示意图见图1—3。
主要通风机叶轮附近的流场相当复杂。在叶轮的下游,空气受到轮毂阻挡,其中部速度较小,在流动速度分布上出现了1个凹陷;在叶轮下游是尾流区,同样也形成凹陷[9]。鉴于来自主要通风机的气流经过较短的距离就进入扩散器的工程实际,将由主要通风机进入扩散弯道的风流视为非均匀平行流。在给定速度入口边界条件时,其速度分布情况如图1—3所示。在入口速度分布相同的前提下,分别计算6~33 m/s区间上共计28种边界下的扩散器出口速度分布均匀度。选取5种速度入口边界绘制了倾斜式60°扩散器、传统流线型扩散器、基于流函数流线型扩散器的出口速度均匀度分布图,见图4—6,图中横坐标代表距扩散器出口边界内出风点的距离,纵坐标代表扩散器出口分布均匀度。
利用样条曲线拟合方法,基于28个离散的入口边界条件下所得扩散器的扩散效率,绘制了入口风速从6~33 m/s时3种扩散效率,见图7。图7中横坐标为入口平均风速,纵坐标为扩散器扩散效率;“1”为传统流线型扩散器的扩散效率曲线,“2”为基于流函数的流线型扩散器的扩散效率曲线,“3”为倾斜式60°扩散器的扩散效率曲线。
3 结论
1) 传统流线型扩散器的设计均基于平面平行流与汇流势叠加绘制的理想情况。作者设计的基于流函数的流线型扩散器,考虑了主要通风机出口风流的凹陷现象,即基于工程的非均匀入口速度边界条件。
2) 最优断面扩大系数从小至大依次为倾斜式60°扩散器、传统流线型扩散器、基于流函数的流线型扩散器,断面扩大系数分别为1.29,2.15,2.28。
3) 扩散器出口风速均匀度也是评价扩散器性能的一个非常重要的评价指标,并且随着入口风速的变化其分布情况也在发生有规律的变化。设计结构合理的扩散器是解决扩散器结构阻力大、能量消耗多的主要手段。另外,在扩散器拐弯处加设导风片等能均匀风流,却增加扩散器的阻力。所以,需要综合考虑增加的阻力与均匀出口风流效率之间的辨证关系。
4) 扩散器扩散效率是扩散器断面扩大系数、静压恢复系数、扩散器阻力系数的综合体现,扩散效率越高,相应地越有利于主要通风机节能降耗。基于流函数的流线型扩散器,其扩散效率相比另外2种结构形式扩散器有较大幅度提高(见图7)。
5) 基于流函数的流线型扩散器是笔者设计的一种新型扩散器,主要由外引线、内引线、流线外轮廓线、流线内轮廓线、外轮廓延长线、内轮廓延长线、出口断面组成。流线型内外轮廓线消除了扩散器内部的涡流及出口反吸风现象,降低了扩散器的结构阻力,提高了主要通风机能量回收效率,有效回收扩散器出口动能使之转化成主要通风机静压能。能实现矿井主要通风机的节能运行。
参考文献
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扩散性能 篇4
如今,多晶硅是制作太阳电池的一种重要的原料,已经成为晶体硅太阳电池生产的主力军。国内外学者也做了大量关于多晶硅体内杂质以及缺陷对少子寿命影响的研究,Istratowa等[2]已经证实过渡族金属如铁、铜、镍、钙、锰、钛等杂质的存在及其与材料结构缺陷的相互作用,极大地降低了多晶硅的电化学性能,从而降低了太阳电池的转换效率;Higgs等[3]也发现纯净的位错几乎没有复合活性;但Mchugp等[4]却发现这些晶界等结构缺陷与过渡族金属相互作用也会极大地降低电池片的电学性能,从而降低太阳电池的转换效率。针对这些缺陷和杂质,Narayanans等[5]和 Loghmartm等[6]做了仔细的研究,并提出用磷扩散吸杂等方法可以显著提高多晶硅太阳电池的转换效率,磷吸杂的目的就是为了减少少子复合从而提高短路电流。扩散制作氧化层可以很好地减少表面缺陷和改善方阻均匀性,这样既可以减少少子复合又可以减少漏电流的存在。目前,大部分有关扩散的研究主要集中在实验室阶段。本实验主要是针对实际大规模生产中闭管式扩散炉扩散工艺的优化研究,通过对扩散氧化时的干氧流量进行适当调节来改善片内方阻均匀性及扩散后的少子寿命;通过比较将硅片制作成太阳电池片后的电性能数据来确定最佳扩散工艺。
1 实验
1.1 实验过程
选用来自江苏华盛天龙光伏设备股份有限公司的多晶硅片,硅片从同一多晶硅锭相邻位置处切割而来,以确保样品具有相同的性能[7]。硅片厚度为(200±20)μm,电阻率为2.5Ω·cm,氧的含量为4.3×1017atoms/cm3,碳的含量为5.0×1017atoms/cm3。对600片原硅片进行如下处理:首先采用 HNO3/HF/H2O溶液制绒并去除硅片表面的损伤层,然后采用NaOH去除多孔硅,再用HF和HCl去除氧化层和金属离子,整个清洗制绒减薄质量控制在0.4～0.48g。然后将硅片分为3组分别进行扩散工艺处理(3种扩散工艺的主要步骤如表1所示)。扩散后的方块电阻都控制在60～70Ω/□范围内,扩散设备采用的是大族光伏的闭管式扩散炉。
注:干氧为工业上所用的氧气,大氮为工业上所用的氮气,小氮为通过工业上的氮气带入三氯氧磷;sccm即mL/min
①分别从3组扩散后的硅片中各取样6片(1#-6#),其中炉口、炉中、炉尾各2片,通过广州昆德科技有限公司生产的KDY-1四探针方阻测试仪分别测定掺杂区的方块电阻;②再分别从3组扩散后的硅片中各取样3片,用HF去除表面的磷硅玻璃层后,采用Semilab公司的wa200半自动硅片测试仪进行少子寿命测试,在测量时用碘酒对样品表面进行了钝化处理,测试的少子寿命体现了硅片的体寿命;③将3组实验组的剩余硅片采用离子刻蚀→去磷硅玻璃→PECVD沉积SiNx→印刷烧结的步骤制作太阳电池,制作过程中采用德国Sentech公司生产的椭偏仪SE400adv对SiNx膜厚和折射率进行监控测试,最后采用美国3i Systems Corporation生产的Halm测试仪测试太阳电池电性能参数。
1.2 参数测试
1.2.1 少子寿命
少子寿命是半导体材料和器件的重要参数,它直接反映了材料的质量和器件特性[6]。能够准确地得到这个参数,对于半导体器件制造具有重要意义。有效寿命τeff可以表征材料的性能,它是由体寿命τb 和表面寿命τs 共同决定的。
式中:d为材料的厚度; s为材料表面的复合速率。在对硅片进行少子寿命测试前需对硅片表面进行钝化处理,这样才能很好地减小表面复合速率,排除表面寿命τs的影响。
1.2.2 方块电阻
方块电阻是反映扩散到半导体中的杂质总量的一个重要参数,也是金属薄膜的一个重要特征参数,是工艺中最常用的工艺参数之一。
2 结果及分析
2.1 方块电阻
5个测试点分别选取硅片的4个边角及中间,测试结果如表2和图1所示。
注:方阻均匀性百分比为该硅片5个测试点的方块电阻中最大值与最小值之差与5个测试点的方块电阻平均值的比,用百分数表示,其值越小代表片内方阻均匀性越好
从图1可以看出,扩散后的片内方块电阻均匀性随氧化时干氧流量的升高而降低。这主要是由于氧化时随着干氧流量的升高,硅片的氧化层厚度逐渐增加,氧化层会阻挡磷源的掺入。对于闭管式扩散炉,硅片在扩散时4个边角部位相比中心位置反应更加充分,因此中间方块电阻会偏大。同样当氧化时干氧流量升高后,硅片4个边角部位的反应也要比硅片中心位置更充分,造成硅片4个边角位置比中心位置的氧化层更厚。此时4个边角位置可以阻挡更多的磷源掺入,使硅片中心点附近和硅片4个边角部位的方块电阻更加接近,从而很好地改善了片内方阻均匀性。
2.2 少子寿命
如图2所示,样品扩散后相比扩散前少子寿命都有很大程度的提高,每次扩散后都抽取3片硅片,扩散前硅片平均少子寿命为2.20μs,扩散后硅片平均少子寿命分别为8.66μs、9.76μs、10.45μs。其中当干氧流量为2800sccm时少子寿命最长,达到了10.45μs,当干氧流量为2400sccm时少子寿命也达到了9.76μs,而当干氧流量为2000sccm时少子寿命相对来说延长最少,只有8.66μs。扩散后硅片的少子寿命之所以比扩散前长,主要是因为磷吸杂减少了重金属离子的危害[8]。
干氧流量增大后少子寿命延长的机理是:随着氧化时干氧流量增大,硅片表面的氧化层更密更厚,这时氧化层可以作为一个保护层降低磷的掺入速度。而当磷快速掺入时,扩散区中更容易产生一些电不活泼的磷原子,这些电不活泼的磷原子处于晶格间隙位置,更容易引起晶格的缺陷,且由于磷与硅原子的原子半径不匹配,因此高浓度的磷会在硅片表面产生一些晶格损伤造成晶格的失配。这些缺陷会形成一些复合中心,增加少子的复合,从而造成少子寿命的降低。
事实上氧化时的干氧流量不能无限加大,在大规模生产中干氧流量太大会导致氧化层过厚,进而造成很大部分磷掺杂不到硅片里面,既会使扩散时间延长,又浪费干氧和磷源,增加生产成本。如何权衡利弊是需要进一步讨论的问题。
2.3 电性能数据
用椭偏仪检测PECVD镀膜后的质量,测得的膜厚为82～88nm,折射率控制在2.04～2.07。
表3为经扩散处理的硅片制成太阳电池片后的平均电性能数据。从表3可以看出,随着氧化时干氧流量的增大,A组、B组、C组并联电阻呈现递增趋势。这主要是由于片内方阻均匀性得到改善后,扩散制作的PN结深度和密度更加均匀,更容易烧结形成好的银硅欧姆接触。C组相比于B组和A组,其短路电流分别有18mA和36mA的提高,这是由于C组硅片扩散处理后的少子寿命最长,而少子寿命是判定短路电流的标志。3组硅片的填充因子也是C组最高,这是由于串联电阻相同,此时填充因子由并联电阻决定。最终,填充因子和短路电流的提高使光电转换效率得到了大的提升。
注:Eta为电池效率,Uoc为开路电压,Isc为短路电流,Rs为串联电阻,Rsh为并联电阻,FF为填充因子
3 结论
随着氧化时干氧流量逐渐增加,少子寿命明显延长,片内方阻均匀性也得到改善。在干氧流量为2800sccm时,将硅片制作成太阳电池片后,电池短路电流和并联电阻分别高达8522mA和40.4Ω。相比干氧流量为2000sccm和2400sccm时制作的成品电池片,此时的光电转换效率分别提高0.14%和0.08%。该工艺可在大族闭管式扩散炉中进行大规模生产,操作方便易行且不增加生产成本。
参考文献
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[2] Istratowa A A,Bounaassisi T,Mcdonald R J,et al.Metalcontent of multicrystalline silicon for solar cells and its im-pact on minority carrier diffusion length[J].J Appl Phys,2003,94(10):6552
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[4] McHugo S A,Hieslmair H,Weber E R.Gettering of me-tallic impurities in photovoltaic silicon[J].Appl Phys A,1997,64(2):127
[5] Narayanan S,Wenham S R,Green M A.High efficiencypolycrystalline silicon solar cells using phosphorus pretreat-ment[J].Appl Phys Lett,1986,48(13):873
[6] Loghmarti M,Stuck R,Muller J C,et al.Strong improve-ment of diffusion length by phosphorus and aluminum gette-ring[J].Appl Phys Lett,1993,62(9):979
[7]Tang Jun(唐骏),Huang Xiaorong(黄笑容),et al.Castpolycrystalline silicon wafers phosphorus gettering(铸造多晶硅硅片的磷吸杂研究)[J].New Energy Techn(新能源及工艺),2007(3):34
扩散性能 篇5
当今,混凝土结构已广泛应用,但混凝土构件在腐蚀环境中的耐久性难以满足设计所预期的要求。其中,氯离子是使得混凝土构件耐久性降低的一个主要因素。氯离子在混凝土内扩散,造成钢筋锈蚀,使得混凝土构件提早破坏。因此,研究混凝土的氯离子扩散性能很有必要。
氯离子在混凝土内部迁移的方式通常为扩散、毛细作用和渗透,三种迁移方式往往同时发生。当混凝土表面接触到含氯离子溶液时,由于毛细作用,氯离子溶液会渗入混凝土内一定深度。在这个过程后,氯离子进入到混凝土内部的方式主要为扩散。与前两者相比,渗透作用产生的迁移可以忽略不计。
目前,利用氯离子电迁移性能测定氯离子浓度扩散性能研究已经十分成熟。本实验采用了外加电场法(RCM法),利用外加电场加快氯离子在混凝土中的扩散速率,来测定混凝土关于氯离子的电迁移性能,再转化成非稳态的快速氯离子扩散系数。本实验分别在硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥中掺加不同含量的矿粉与粉煤灰,目的为分析与对比两种水泥中分别掺加矿粉与粉煤灰后的氯离子性能。
1 原材料
(1)水泥:江南—小野田水泥有限公司52.5级Ⅱ型硅酸盐水泥,淄博中昌特种水泥有限公司42.5级高抗硫酸盐硅酸盐水泥,水泥参数见表1与表2。
(2)粉煤灰。
(3)矿渣。
(4)天然细骨料:天然河砂,表观密度,松散堆积密度,含水率3%,含泥量0.9%,泥块含量0.2%,细度模数2.4。
(5)石料:5~16 mm连续级配的石灰岩。
(6)水:普通自来水。
2 试验方法及方案
2.1 混凝土配合比(表3)
2.2 试件制作
试件采用直径为(100±1)mm,高为(50±2)mm的圆柱体,在成型24 h后,放入标准养护箱。在标准条件(温度为(20±2)℃,相对湿度95%以上)下养护28 d。
2.3 试件测定
试件养护结束后,擦拭其表面,将多余的水分擦去。再用游标卡尺测量试件,并记录其直径及厚度。在饱和面干状态下进行真空饱水处理。真空饱水过程完成后,取出试件,擦去其表面的多余水分,放入橡胶套的底部,在与试件高度相同处安装两个不锈钢环箍,拧紧环箍,密封试件。在橡胶套内安装好阳极板后,将橡胶套安装到试验槽中,将电极板及热电偶连接至电源后开始进行试验。按《普通混凝土长期性能和耐久性能力学方法标准》(GB/T50082-2009)要求操作并测出实验所需数据。
2.4 试验数据处理
实验结果所需要的电压、电流和温度等数据由仪器自动记录。在试验完成之后,从橡胶套中取出混凝土试块,冲洗干净,并擦拭试件表面的多余水分,放置于压力试验机上,使其沿直径方向劈裂,并在断面上喷上Ag NO3溶液(0.1 mol/L)。等待约15 min,氯离子渗透的轮廓线产生,把断面分成大致相等的十份,测出每份两端处的氯离子渗透深度。
得到以上数据后,用公式(1)计算出快速氯离子迁移系数:
式中:Dnssm—非稳态迁移系数,10~12 m2/s;T—阳极溶液最初和最终的温度平均值,℃;L—试件厚度,mm;U—电压绝对值,V;T—实验持续试件,h;xd—氯离子渗透深度,mm。
3 结果分析
3.1 相同外掺料掺量下水泥种类不同对抗氯离子性能的影响
由图1可以看出,普通硅酸盐水泥在粉煤灰掺量在0%~30%之间,其抗氯离子扩散系数降低,即抗氯离子扩散性能提高。首先,混凝土掺加粉煤灰后,其内部的水化产物组成和微观结构得到了改善。使其孔隙率下降,孔径变小,增强了对氯离子的渗透阻力。其次,粉煤灰填充了氯离子扩散的通道。最后,粉煤灰中含有的无定形的A12O3能吸收氯离子生成Friedel盐,这部分氯离子不再会对钢筋造成危害。
同时,由图1可见,抗硫酸盐水泥在掺入0%~30%粉煤灰后,其氯离子扩散系数提高,即抗氯离子扩散性能减弱。
由图2可以看出,普通硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥在掺加0%~30%矿粉后,其氯离子扩散系数都有所降低。且在相同的矿粉掺量下,前者的抗氯离子扩散性能要优于后者。
3.2 相同水泥种类下两种不同外掺料对其抗氯离子性能的影响
由图3可以看出,相同掺量条件下,硅酸盐水泥掺加粉煤灰,其抗氯离子扩散性能远高于掺加粉煤灰。
由图4可以看出,抗硫酸盐水泥在掺加粉煤灰后,其抗氯离子扩散性能减弱。而抗硫酸盐水泥掺加矿粉后,其抗氯离子扩散性能有一定提高。
4 结论
(1)抗硫酸盐水泥的抗氯离子扩散性能优于硅酸盐混凝土,然而掺加一定量的粉煤灰后,后者的抗氯离子性能有了微弱提升,然而前者却略微降低。
(2)抗硫酸盐水泥的抗氯离子性能优于硅酸盐混凝土,在掺加一定量的矿粉后,后者的抗氯离子扩散性能有明显提升,优于相同矿粉掺量下前者的抗氯离子扩散性能。
(3)普通硅酸盐水泥在掺加一定量的粉煤灰后,其抗氯离子扩散性能有略微提升,而掺加矿粉后,其抗氯离子扩散性能有大幅提升。
(4)抗硫酸盐水泥在掺加一定量的粉煤灰后,其抗氯离子渗透性能减弱,而掺加矿粉,其抗氯离子扩散性能有明显提升。
摘要：采用RCM法测定普通硅酸盐水泥与抗硫酸盐水泥掺加矿粉与粉煤灰后的氯离子扩散性能。试验表明:普通硅酸盐水泥在掺加一定量的粉煤灰后,其氯离子扩散性能略微下降,而掺加矿粉后,其氯离子扩散性能大幅下降。抗硫酸盐水泥在掺加一定量的粉煤灰后,其氯离子渗透性能提升,而掺加矿粉,其氯离子的扩散性能明显下降。
关键词：矿粉,粉煤灰,氯离子扩散性能,RCM法
参考文献
[1]洪乃丰.我国氯盐腐蚀环境与混凝土结构的耐久性[C]//沿海地区混凝土结构耐久性及其设计方法科技论坛与全国第六届混凝土耐久性学术交流会论文集.2004.
[2]GB/T 50082-2009,普通混凝土长期性能和耐久性能力学方法标准[S].
[3]胡红梅,马保国.矿物功能材料对混凝土氯离子渗透性的影响[J].混凝土,2004(2):16-20.
扩散性能 篇6
反射型偏光增亮膜的原理主要是利用两种不同高低折射率的材料组成多层膜。白光透过多层膜时,未偏极化的白光被分成平行于入射面的P光与垂直于入射面的S光两种,P波穿透而S波被反射。经界面再次反射的S波将转变为P波后穿透,经过多次反射,最终多数光源将穿透偏光膜,起到增亮效应。
扩散膜原理是将通过在透明基材上如PET一面涂布光学散光PMMA颗粒,光线在其表面会发生散射,将光线柔和均匀的散播出来,并具有遮蔽性。
TFT-LCD背光源用反射型偏光增亮扩散复合膜,兼有增亮和扩散双重功能,可增加背光模组亮度并均化光线、遮挡瑕疵,使得平板液晶显示器清晰度增加、色彩还原真实、背光源能耗降低; 大量运用于TFT-LCD平板液晶显示器,常见于笔记本、电视机、手机等显示设备。
此复合膜的结构如下:
其中ESF多层反射偏光膜起到增亮并扩大视角的作用,因此很快被广泛应用于LCD TV这类对亮度要求很高的大尺寸产品[1];在ESF的一面涂覆扩散涂层,起到均化光线、遮挡瑕疵的作用[2];在ESF的另一面贴合具有抗刮功能的PET,起到支撑作用。复合膜的增亮扩散双重功能 主要是通 过ESF、DF涂层来实现的,但是胶黏层和PET层对整个复合膜的辉度增益效果也有影响。本文主要从DF扩散涂层的雾度、ESF原材控制、压敏胶层控制、PET支持体的厚度4方面来论述对复合膜辉度增益效果的影响。
2实验部分
2.1仪器和设备
线棒涂布器(日本OPS公司);烘箱(南京永兴干燥设备厂),紫外固化机 (涿州蓝天特灯公司);PG-S型电子天平 (梅特勒·托利多仪器上海有限公司);驰久H05-1恒温磁力搅拌器(昆山市花桥镇莱雅贸易商行);NO.3895塑封机 (得力集团有限公司);BM-7辉度计 (日本Topcon公司); NDH2000N雾度仪(上海首立实业有限公司)。
2.2试剂
丙烯酸酯树脂 (张家港迪 爱生化工 有限公司);PMMA粒子(积水化学),异氰酸酯固化剂(张家港迪爱生化工有限公司);丁酮(天津美林工贸化工有限公司);甲苯(天津美林工贸化工有限公司);环己酮(天津美林工贸化工有限公司);聚二甲基硅氧烷(毕克公司);聚对苯二甲酸乙二酯薄膜(合肥乐凯科技产业有限公司);反射型偏光膜ESF(台湾宏腾光电股份有限公司);丙烯酸压敏胶黏剂(综研高新材料南京有限公司)。
2.3试验方法
制作复合膜成品分为3步:
(1)将丙烯酸树酯、PMMA粒子、丁酮、甲苯、 环己酮、聚二甲基硅氧烷、异氰酸酯固化剂以一定的比例和顺序配置成一定固含量的涂布液,充分分散均匀,用OPS-25# 线棒涂布器将涂布液施加至作为底材的反射型偏光膜ESF (台湾宏腾光电股份有限公司制造,商品名:AF)的一个面上。 在90℃对形成的涂层干燥固化3~5min,形成扩散涂层。
(2)将丙烯酸树酯、抗刮粒子、丁酮、甲苯、聚二甲基硅氧烷、抗静电剂、光引发剂以一定的比例和顺序配置成一定固含量的涂布液,充分分散均匀,用OPS-13# 线棒涂布器将涂布液施加至作为底材的聚对苯二甲酸乙二醇酯(合肥乐凯科技产业有限公司制造,商品名:FG22-188)的一个面上。 在70~90℃对形成的涂层干燥3~5min之后,以250m J/cm2的光量,通过紫外线照射对干燥的涂层进行固化,形成具有抗刮性的PET背涂层。
(3)将丙烯酸压敏胶黏剂以一定的固含量、涂抹量施加在抗刮PET的另一个面上,将ESF的无涂层面 贴合到压 敏胶层上 ,60 ~80℃ 干燥固化2~3min,得到复合膜成品。
膜片的辉 度值测试 仪器为Topcon公司的BM-7辉度计。
2.4结果与讨论
2.4.1扩散涂层的雾度对复合膜辉度的影响
通过对扩散配方中各组 分的添加 量进行调 整,共形成6个配方,再分别施加到反射型偏光膜ESF上,进一步制作成复合膜成品,通过雾度计测试膜片90°的透过率和雾度,数据见表1:
注:中心辉度 LV-1:为不加偏光片时测得中。 中心辉度 LV-2:为加偏光片时测得中心辉度。
将辉度与雾度的相关性做成曲线,见图1:
从图中可以看出:(1)在双下扩结构中低雾度和高雾度配方具有较高的辉度,且高雾度配方辉度最高,这是因为低雾度(25%以下)时,光线漫散射损失小,进入辉度仪的光线相对较多,高雾度 (85%以上)时,扩散颗粒起到聚光作用大于光线漫散射损失作用,进入辉度仪的光线相对较多形成的。(2)不加偏光片的辉度整体高于加偏光片的辉度,且增减趋势同步,这是因为光线经过ESF多层膜时,多数S波转变为P波穿透,再经过扩散层时,又有一部分P波转变为S波,经过偏光片时,只有P波可以通过,所以加偏光片测辉度时,数据明显变低。
将六张复合膜放入同一D+P (一张下扩加一张棱镜)结构中,在加和不加偏光片时,分别测试中心点辉度。数据见表3:
注:中心辉度 LV-1:为不加偏光片时测得中。 中心辉度 LV-2:为加偏光片时测得中心辉度。
将辉度与雾度的相关性做成曲线,见图2:
从图中可以看出:(1)D+P结构的辉度整体大于D+D结构的辉度,这是由于棱镜片的聚光作用,使更多的光线通过复合膜。(2)低雾度配方具有更高的辉度,这是由于有较多的光线透过低雾度扩散层时,漫散射损失小,当有较多的光线透过高雾度扩散层时,漫散射光损失多造成的。
2.4.2PET厚度对复合膜辉度的影响
在双下扩背光模组结构中,更换不同厚度的PET背涂,在复合膜的上面加上偏光片,测试中心辉度值,数据见表4:
将辉度与PET厚度的相关性做成曲线,见图3:
从图中可以看出:没有贴合PET支持层的复合膜辉度明显高于贴合PET支持层的复合膜的辉度,复合膜的辉度随贴合PET支持层的厚度降低而呈现先降后升的趋势,且波动不大。这是由于随着PET厚度的增加,透过率下降,原因是厚度增加对光的吸收变多,辉度降低,再随着厚度的增加,光线的反射和折射角变小,利于光线的射出,光损失变小,所以透过率上升,辉度增大。
2.4.3反射型偏光膜ESF对复合膜辉度的影响
选择宏腾光电两个不同批次的辉度值不同的ESF膜制作成复合膜成品,ESF膜辉度高时,得到的复合膜辉度也高,且复合膜的辉度增长百分数同ESF膜保持一致,这说明ESF膜是决定复合膜辉度的关键原材料。
2.4.4压敏胶层对复合膜辉度的影响
在双下扩背光模组结构里,从下而上膜片的叠加顺序有两组:(1)DF+DF+MEF复合膜 + 偏光片 ,中心辉度为1325cd/m2。(2)DF+DF+ 带背涂PET+ 带正涂ESF+ 偏光片 , 中心辉度 为1345 cd/m2。(1)与(2)模组结构的区别在于不含有压敏胶层,这说明压敏胶层会使复合膜的辉度变低, 这是由于压敏胶层对光线的吸收造成的。
3结论
通过逐一分析了反射型偏光增亮扩散复合膜各层对复合膜辉度性能的影响,确定了如下结论:
(1) 反射型偏光膜ESF对复合膜的辉度起主要决定性作用,扩散层对复合膜主要起到遮蔽性的作用;
(2)扩散层对复合膜的辉度有影响,在双下扩结构中,雾度越高,复合膜辉度越高,在一张下扩 + 一张棱镜结构中,雾度越低,辉度越高;
(3)PET支持层和压敏胶层由于对光线的吸收,会降低复合膜的辉度。
摘要：从反射型偏光增亮扩散复合膜的多层结构入手,逐一分析了各层对复合膜成品辉度的影响,从而为复合膜层的结构设计提供参考,对背光模组的膜材搭配起到了积极意义。