材料电磁特性测试仪的改进

孙齐磊

·仪器设备研制、改进、维护·

材料电磁特性测试仪的改进

孙齐磊

（山东建筑大学 材料科学与工程学院，济南 250101）

针对目前薄膜太阳能电池研究领域、材料电磁特性测试仪装置的缺点，文中对实验装置进行了结构改进。改进后的装置能够克服原有装置的不足，增加了实验样品角度的可调性，增大了材料测试仪的使用范围，提高了加热效率，保证了检测所需的温度范围，提高了实验的精确性。另外，该设备结构简单，成本低廉，实用性强。

薄膜太阳能电池；材料电磁特性测试仪；装置；改进

在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳能电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。随着技术的不断进步，薄膜太阳能电池光电转换效率得到迅速提高，现在比两年前约提升了30～40。与晶体硅电池相比，虽然仍然有很大差距，但其用料少、工艺简单、能耗低、成本有一定优势，越来越被业界所接受［1］。在薄膜太阳能电池材料研究过程中，电磁特性是其性能表征的重要指标，实验室一般通过材料电磁特性测试仪测量获得。本文针对薄膜材料实验过程中，原有仪器设备的不足，对其结构进行改进。

1 材料电磁特性

材料的电磁常数包括介电常数εr和磁导率μr，分别以复数形式εr=ε′－jε″和μr=μ′－jμ″表示。其中，复介电常数实部ε′表示材料在电磁场中发生极化的程度，虚部ε″表示外加磁场作用下材料的电偶极矩产生重排所导致损耗的量度；负磁导率实部μ′表示材料在电磁场中发生磁化的程度，虚部μ″表示外加磁场下材料的磁偶极矩重排引起损耗的量度。

介电常数表征了介质材料容纳感生极化电荷的能力，它的大小主要取决于电场激励条件下极化过程的难易程度；磁导率通常用来表征磁通量通过的难易程度，其值大小由磁场激励过程中发生的可逆磁化过程的难易程度决定。材料的晶界、掺杂、物相、内应力、气泡、组分比等都会影响到介电常数和磁导率［2－3］。

2 现有实验装置的不足

进行薄膜太阳能电池实验时，采用南京南大万和科技有限公司生产的ND－MIPS30型材料电磁特性综合测试系统，测试霍尔电势、样品电压、样品电流、样品温度和磁场强度等参数。

现有的材料电磁特性测试仪，实验设备样品台上的卡槽固定，样品角度不可调，给检测工作带来一定的局限性。另外，进行材料电磁特性测试时卡槽内还需要一定的温度，而现有实验设备依靠小灯泡来加热，升温过程缓慢，影响材料检测效果，达不到预期检测目的。

3 实验装置的改进

为了增加材料检测结果的准确性、说服力和科学性，针对现有仪器装置的不足，包括卡槽角度不可调和卡槽内升温缓慢等缺陷，本文对材料电磁特性综合测试系统进行了改进。

针对卡槽角度不可调的缺陷，改进后的仪器实现了试样测试角度可调，该技术已获得国家实用新型专利的授权［4］。该装置包括线圈、卡槽、旋转杆、样品台，如图1所示。线圈与样品台连接，样品台与卡槽连接，卡槽与旋转杆连接。现有实验设备卡槽固定，样品角度不可调，给检测工作带来一定的局限性，通过样品与卡槽连接，在卡槽下面加一个旋转杆，调节旋转杆位置，从而改变卡槽的角度，样品角度也随之改变。多角度检测使检测效果更具有科学性和说服力，扩大了材料测试仪的使用范围。

图1 试样测试角度可调的装置结构示意图1－线圈，2－卡槽，3－旋转杆，4－样品台

图2 试样可加热的装置结构示意图1－线圈；2－卡槽；3－电阻丝；4－样品台；5－电源；6－温度计；7－导线

针对卡槽内升温缓慢的缺陷，改进后的仪器实现了试样加热温度可控，该技术也获得国家实用新型专利的授权［5］。该装置包括线圈、卡槽、电阻丝、样品台、电源、温度计、导线，如图2所示。线圈与样品台相连，样品台与卡槽相连，电阻丝在卡槽内，温度计与卡槽相连，电阻丝与电源相连。进行材料电磁特性测试时卡槽内需要一定的温度，安装一个电阻丝，通过温度计感知温度，电源控制电阻丝开关，在温度计上查看温度范围，控制卡槽内的温度，保证了检测过程处于最佳温度范围，提高了检测的科学性。

4 改进装置的优化

对改进仪器装置进一步优化，实现了试样测试角度自动可调，该技术同样获得国家实用新型专利授权［6］。该装置包括线圈、卡槽、电机、样品台、电源、控制板、导线；线圈与样品台相连，样品台与卡槽相连，卡槽与电机相连，电机与电源相连，电源与控制板相连。通过在卡槽下面加一个电机，由控制板控制电源，电源控制电机，随时开启，调节卡槽位置从而改变卡槽的角度，样品角度随之改变，实现了样品测试角度的自动调节。

图3 电磁特性测试仪改进装置示意图1－线圈；2－卡槽；3－热电偶；4－电阻丝；5－样品台；6－温度计；7－电机；8－电源；9－导线；10－控制板

为了对卡槽内温度进行控制，进一步对装置进行优化。该装置包括线圈、卡槽、热电偶、样品台、电源、控制板、导线；线圈与样品台相连，样品台与卡槽相连，热电偶在卡槽内，热电偶与控制板相连，控制板与电源相连。进行材料电磁特性测试时，卡槽内需要一定的温度，根据测试材料不同所需要的温度范围也不同，通过控制板设定所需温度，通过热电偶保持卡槽内温度，保证了检测过程始终处于最佳温度范围。改进后的装置如图3所示。

5 改进装置的效果

通过实验证明，改进后的实验装置增加了实验样品角度的可调性，扩大了材料测试仪的使用范围；提高了加热效率，保证了检测所需的温度范围。

［1］中国行业研究网.2013－2014年薄膜太阳能电池行业竞争格局与投资战略研究咨询报告［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］孙齐磊，石磊，刘科高，等．材料电磁特性测试仪试样测试角度可调的装置［P］．中国专利: ZL201320279571．4，［2013－10－09］．

［5］孙齐磊，范小红，石磊，等．材料电磁特性测试仪试样可加热的装置［P］．中国专利:ZL201320279603．0，［2013－10－09］．

［6］孙齐磊，石磊，刘科高，等．材料电磁特性测试仪试样测试角度自动可调的装置［P］．中国专利: 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

住房和城乡建设部科学技术计划基金资助项目（2012－K4－12）。

孙齐磊（1977－），男，博士，讲师，研究方向：材料腐蚀与防护，金属材料热处理。