半导体照明器件虚拟仿真实验教学

半导体照明目前主要以LED照明为主,具有体积小、高效、直流低压、绿色环保、寿命长、显色性高等优点,受到了世界各国的高度关注。美国、日本、韩国、欧洲等国家和地区纷纷制订了自己的“半导体照明计划”,并由政府部门进行强制照明节能推动。我国于2010 年通过的“十二五”开始规划,也把半导体照明产业作为我国未来几年发展的一个重要方向。目前,我国的半导体产业发展迅速,已经成为世界上最大的LED基地及应用市场。

随着我国半导体照明产业的发展,半导体照明技术方面的课程也称为了光电类专业的重要专业课程之一。目前,在半导体照明技术领域主要包括光学设计、散热、驱动电路等方面的关键问题。中心主要在光学设计和散热设计两个方面开展虚拟仿真实验教学,提高学生对于半导体照明器件的认知,以及对于光学设计、散热设计的理解和分析能力。

 

典型实验:半导体照明器件光学设计

实验设置目标

本实验以非成像光学理论为基础,结合照明光学设计虚拟仿真软,让学生能够从基本理论、结构设计、光学仿真、系统验证等多个层面深入学习,旨在培养LED照明光学设计方面的高端技术人才。

 

实验课程内容与成效

光学模拟仿真主要利用TracePro、ASAP及Zemax等光学设计(如图1)软件开展虚拟实验教学及研究。这些软件可以做照明系统分析,传统光学分析,辐射度以及光度分析,并提供简单易用的图形接口,所以我们能够轻易的检视模型,建立立体对象,以及设定材料特性,表面性质和光源特性。

对于LED照明器件光学设计,其流程如图2所示。首先建立光学系统的三维模型,然后进行设定光学参数、定义光源,进行光线追迹后,分析结果。如果结果符合设计要求,则输出相应模型;如果不符合,则修改初始模型,进行重新模拟仿真,直至符合要求为止。

①建立模型

3D建模是一项用虚拟物质建立计算机模型的技术,可以实现用真实的物质建模一样的效果。一个3D立体模型被定义为由有限的表面组成。在TracePro中可以采用多种方法来建立3D模型和对模型进行操作:

可从其他3D建模软件(AUTOCAD、Solidworks等)或其他光学软件中导入模型(如图3);

可采用TracePro中直接建立块、柱、锥、球面、薄板等,还可以直接建立常用的光学元  件,如反射镜、透镜、菲涅尔透镜等(如图4);

可通过布尔运算建立复杂模型或采用Sweep和Revolve命令对模型进行修改。

②定义材质

一旦在TracePro里建立了几何体,那么下一步就是给几何体指定光学属性,以确定光线的运动轨迹。应用光学属性的目的就是使几何模型具有实物的特性,当光作用在模型上时,能够根据相应的光学特性产生反射、折射等变化。常用的光学属性主要包括:材料属性、表面属性、体散射属性、渐变折射率属性等等(如图5)。

③定义光源

定义好模型的光学属性后,通过实体进行光线追迹,需先定义光线起始点,有如下几种定义方式:栅格光源(Grid Source)、表面光源(Surface Source)和导入已有光源(File Source)(如图6)。

④光线追迹

TracePro允许选择不同的模式来保存追迹中的光线(如图7)。在分析菜单(Analysis menu)底部选择其中一种模式即可,可以是分析模式(Analysis Mode)或是模拟模式(Simulation Mode)。这可以调和信息的利用量和内存的占用量之间的平衡。分析模式产生更多的光线数据,但同时也占用更多内存容量;而模拟模式产生更少的数据但占用更少的内存,如果选择模拟模式,在追迹前必须指定一个出射表面,以便在追迹完后可以看到照度图。

⑤分析结果

完成光线追迹之后,当进行结果评估时,分析菜单提供多种方法来显示光线追迹数据。

Displaying Rays 和 Ray Sorting让你观察数据是否是你期待的结果;

Irradiance Maps, Ray Tables and Polarization Maps 提供每一个表面的模拟结果;

Candela Plots 显示模型中光线数据的角度分配;

Volume Flux Viewer能够观察模型内部的流量分布;

Reports Menu 帮助你完成分析光线数据和模型的多种报告形式;

Tools 菜单包括附加的功能来帮助你完成光线追迹结果。

在进行LED照明设计中,经常需要使用的是Irradiance Maps(照度分布图)和Candela Plots)(光强分布图)两大分析功能(如图8,图9)。

在对LED照明器件进行光学模拟仿真之后,分析其照度分布、光强分布等特性,并与设计要求进行对比。如果结果不满足设计要求,则对初始模型进行修改,重新模拟仿真,直至符合要求为止。

在得到满足设计要求的光学模型之后,通过3D打印技术结合真空镀膜工艺,制作相应的反射型光学元件(图10),并结合LED光源,组装成相应的灯具,进行光学特性检测。并比较测试结果与模拟仿真结果的异同,从而让学生对LED照明器件光学虚拟仿真手段有更深入的了解和认识。

基于光学设计虚拟仿真实验,学生对《光学设计》、《半导体照明技术》、《照明光学系统设计》等课程的理解更加具体、深入,也对这种理论教学加上虚拟仿真实验验证的教学方式给予了高度的评价。如为期两周的设计类课程-《照明光学系统设计》,就是让学生根据预先设定的题目进行自主设计,利用虚拟仿真设计得到光学系统后,再制作实物验证。这门课程深受学生喜爱,历年的学生评教分数都在4.8分以上(满分5分),并多次获得学院评教前10%的成绩。学生在对该课程给予了这样的评价:“老师采用多样化的教学方法开展教学,善于启发和引导学生”、“通过光学虚拟仿真,体会到了一系列产品优化的过程,收获很大”,“这门课程很有意思,可以设计自己喜欢的东西,设计作品的过程中,学到了很多知识”等等。

图10 采用3D打印技术制作光学元器件(a)3D打印设备(b)、(c)制作出的反射镜

 

Backlight Module with the Freeform Surface by Applying the Taguchi Method” (SCI收录),“用于直下式LED背光源模组的第二扩散导光板光特性分析” (EI检索),以及“自由曲面底板的LED 光学设计”(EI收录)。申请专利15项,获省级以上奖励3项。

本科生在半导体照明器件光学设计领域的创新实践领域取得了优异的成绩。学生完成了3项中央高校本科生自主选题课程,1项广东省大学生创新项目。发表论文6篇(其中SCI收录2篇),如“Enhance Light Emitting Diode Light Extraction Efficiency by An Optimized Spherical Cap-Shaped Patterned Sapphire Substrate”(SCI收录),“A Design of a

 

 

典型实验:半导体照明器件散热设计

 

实验设置目标

热特性是半导体LED的关键特性。温度上升会影响发光效率,导致出射波长发生变化,内部热应力逐步增加。温升达到一定值还会使封装树脂和荧光粉等材料的物理性能发生变化,从而对LED的可靠性产生影响。求解大功率LED的详细温度场对于大功率LED的热特性分析非常重要。

通过对大功率LED的工作状态进行模拟仿真,学生可以通过具体案例来加深对于半导体照明器件不同散热方式的理解和认识。从热传导、热对流、热辐射三种方式,学习利用该平台设计、处理和分析散热问题。让学生能够掌握半导体照明器件的热分析方法,熟悉LED照明器件的散热结构,并具备对散热结构进行优化设计的能力。

 

实验课程内容与成效

本实验采用ANSYS软件来进行半导体照明器件的热分析虚拟仿真。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS作为新颖的有限元分析软件在热分析问题方面具有强大的功能,而且在涉及热学特性的多物理场耦合分析中也具有很好的处理能力。

ANSYS热分析可分为前处理(建立模型)、求解(施加载荷,分析计算、后处理(查看结果)三个过程,具体流程如下(图1,图2)

图2 ANSYS热分析(a)建立模型;(b)划分网格;(c)施加载荷;(d)求解

 

a)选择单元类型:每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名,适用不同场合,一般选择Solid70单元;

b)定义材料性能参数:在所有的分析中都要输入材料参数,根据分析问题的物理环境不同而不同;

c)建立几何模型:可以在ANSYS中直接创建模型,也可以导入有关辅助软件制作的模型;

d)定义材料属性:只有对各体进行材料属性的赋予后,才能进行计算分析;

e)划分网格:有限元模型是将几何模型划分为有限个单元,单元间通过节点相连接,在每个单元和节点上求解物理问题的近似;

f)施加载荷并求解:定义分析类型和分析选项后,要加载6大类载荷中的若干种,大部分可以施加到几何模型上,也可以施加到有限元模型上。在执行计算求解后,并将结果数据写入结果文件和数据库中;

g)查看温度分布图。软件的后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

学生通过该平台的运用,对各种半导体照明器件的温度分布进行了模拟仿真(如图3),并利用热成像仪对实际工作状态下的LED器件进行温度分布测量(如图4),来验证模拟仿真。通过模型设计,系统分析和效果评价,使学生对于半导体器件散热技术有了更深的理解,有助于学生对于整个散热知识学习和运用,为进一步半导体器件散热研究打下基础。

基于半导体照明器件散热技术虚拟仿真实验系统,本科生在半导体照明器件散热技术领域的创新实践领域取得了优异的成绩。发表论文4篇,如“去除铝基板的大功率LED热分析”(EI收录),“基于塑料散热器无基板COB封装的LED热分析”(EI收录),以及“大功率LED液冷热沉结构与换热效果研究”(EI收录)等论文。申请专利13项,获省级以上奖励2项。

 

来源:华南理工大学光电材料与器件虚拟仿真实验教学中心

半导体器件工艺基础实验

【课程概况】

作为光伏器件制造基础的半导体器件工艺基础课程,是高校培养光伏专门特色人才课程体系中一个不可忽视的环节。然而半导体器件工艺设备投入巨大、耗能 高以及具有一定危险性的特点使得高校人才培养与企业需求熟练技术人员之间存在较大距离。主要问题包括:①工艺设备价格高、体积大、重量重,学校不可能为学 生每人准备一台设备;②工艺设备的使用具有一定危险性,而且操作不当容易损坏,因此都需在专业老师指导下操作;③工艺实验一般耗费时间较长,不可能单纯依 靠课堂时间完成,易与学生的其他课程发生冲突。面对以上矛盾,河北大学电子信息工程学院自主研发了“半导体器件工艺基础虚拟仿真实验系统”,作为半导体器件教学与科研的平台,用于培养高层次的半导体器件开发人才。

《半导体器件工艺基础虚拟仿真实验》是配合《半导体器件工艺基础》专业课而开设的,学生通过进行虚拟的半导体器件工艺实验,一方面为进行实际的实验 做预习准备,另一方面通过虚拟实验中的微观机制演示可以加深对课程的理解,为今后从事半导体器件及集成电路的制造工作打下良好的基础。

 

【课程特色】

半导体器件工艺基础虚拟仿真实验采用开放网络环境,具有如下一些特点。

1.虚实互补:本虚拟仿真实验将半导体工艺设备进行了1:1的完全复现,且虚拟实验流程与实际的操作流程完全相 同,通过虚拟实验学生就可以了解实际实验的过程及特点。充分利用了虚拟仿真实验和实际半导体工艺设备实操实验的互补性,发挥两种实验模式的优点,做到了 “实操”与“仿真”有机结合,取得了良好的效果;

2.开放性:利用开放网络环境,使学生在寝室、教室和实验室等地均能登陆服务器进行仿真实验;

3.共享性:半导体器件工艺基础虚拟仿真实验课程不仅可以用于学校内本科生和研究生的教学和科研,还可以用于合作企业(如英利新能源公司,天威薄膜光伏有限公司等)员工的培训,成为多方共享的实验平台。

4.原创性:本实验课程中的虚拟仿真实验项目都是我校具有自主知识产权的产品。

5.持续性:带领学生开发新的实验项目,从中选出优秀作品充实项目库,逐步完善丰富本虚拟实验课程。

 

【面向对象】

1.本校电子科学与技术、新能源材料与器件、物理学、应用物理学、光电信息科学与工程和电子信息科学与技术等专业的本科生和研究生。

2.英利新能源公司和天威薄膜光伏有限公司等企业的员工。

 

【教学效果】

该虚拟仿真实验课程为学生提供了实验操作和机制分析的实验环境,学生可以在安全的环境下,不耗费任何水电能源和贵重耗材进行半导体器件工艺操作。通过利用自主研发的虚拟实验系统,学生可以完成硅基二极管的整个制作流程,了解制作半导体器件设备的基本操作。

 

典型实验项目1《热生长SiO2层》

【实验目的】

(1)掌握SiO2膜的热生长机理、工艺原理。

(2)了解氧化炉控温原理。

(3)了解工艺参数对SiO2膜的影响以及膜厚测量。

 

【实验工具】

自主研发的“半导体器件工艺基础虚拟仿真实验系统”。

 

【主要实验步骤】

打开氧化仿真软件,按照课上所讲的实验步骤,进行虚拟实验。

首先设置氧化温度(如1193℃)启动升温,到所设温度后,通入干燥氧气,等待一定时间,

将石英管中的空气排净。然后将抛光单晶硅片推入石英管中。

设置第一步干氧的实验条件,包括氧气流量,氧化温度和氧化时间(如可选择干燥氧气流量1.5L/min,温度11930℃,时间5min);设置第 二步湿氧氧化条件(如氧气流量1.5L/min,温度1193℃,时间50min);设置第三步干氧氧化条件(如氧气流量1.5L/min,温度 1193℃,时间5min),启动氧化过程。氧化时间到后,停止加热,待反应室温度降至150℃,取片。

虚拟实验结束后,通过后台的计算功能,可以得到不同实验条件下氧化层厚度的模拟结果,将多次仿真实验的结果汇总后,即可获得氧化层厚度随实验条件的依赖关系。如图所示。

 

湿氧工艺参数对氧化层厚度的影响

利用TCAD软件可以绘出氧化层的生长过程,如图所示。

 

典型实验项目2《真空蒸发Al膜》

【实验目的】

(1)了解真空获得与测量的有关知识。

(2)掌握抽真空的方法。

(3)掌握真空镀膜工艺流程。

 

【实验工具】

自主研发的“半导体器件工艺基础虚拟仿真实验系统”。

 

【主要实验步骤】

(1)登录半导体器件工艺基础虚拟仿真实验系统,如图1(a)所示。

(2)真空蒸发系统的内部结构如图1(b)所示。

(3)打开蒸发充气电源开关如图2(a)所示。腔室充气达到大气压,如图2(b)所示。

图2腔室充气仿真实验

 

(4)升起钟罩如图3(a)。挂金属丝(如铝、金、铜等),将衬底固定于托盘上如图3(b)。

(5)转动活动挡板,将蒸发源挡住,盖好钟罩。开动机械泵,打开低真空阀,待压强低于1.3Pa后,关低真空阀,开高真空阀,转到用扩散泵抽高真空。

 

 

图3升钟罩、放样品仿真示意图

 

当真空度抽到6.7×10-3Pa后,开始加温,使衬底温度升到约400℃,保持数分钟以除去硅片表面吸附的污物。等真空度重新达到6.7×10-3Pa以上,设置蒸发时间(如50秒)和蒸发电流(如50A)。逐步加热蒸发源使之熔化,先使用较低电流使金属中高蒸气压杂质挥发掉,然后迅速增大加热电流到设定值,打开挡板,使金属蒸发到衬底上。

蒸发完毕转回挡板,并停止蒸发源加热。关闭衬底加热,待衬底温度降至150℃以下,关闭高真空阀,关闭扩散泵电源,对真空室放气,打开钟罩,取出衬底,如图4(a)所示。

(6)虚拟实验结束后,通过后台计算功能,可得到不同实验条件下金属膜厚度数据的模拟结果,将多次仿真实验结果汇总后,即可获得金属膜厚度随实验条件的依赖关系,参数测试如图4(b)所示。

 

图4仿真蒸发过程、测试结果

 

 

 

来源:河北大学光伏技术虚拟仿真实验教学中心

硅基薄膜太阳电池制备实验

【课程概况】

硅基薄膜太阳电池是当前薄膜太阳电池领域的主流,了解其制作工艺流程和工作机理对培养太阳电池行业的人才来说必不可少。硅基薄膜太阳电池的制作流程 繁复、对环境要求高、设备投入巨大,且要用到具有高危险性的硅烷和磷烷等化学气体,企业超净环境不便学生到薄膜电池制造企业进行深入实习。为解决这一问 题,中心和天威薄膜光伏有限公司合作研发了“硅基薄膜太阳电池制备虚拟仿真实验系统”,作为相关专业教学与科研平台,用于培养高层次的薄膜太阳电池研发人才。

《硅基薄膜太阳电池制备虚拟仿真实验》是一门综合型的虚拟仿真实验课程。本课程是在修读固体物理、半导体物理、半导体器件工艺基础和半导体器件原理 等课程基础上,综合运用所学知识,在虚拟环境下进行硅基薄膜太阳电池的制作和性能测量。学生通过独立完成电池制作的各个步骤,了解硅基薄膜太阳电池的基本 制作方法。旨在培养学生使用设备、了解流程、熟悉开发的全部过程。

【课程特色】

硅基薄膜太阳电池制备实验采用开放网络环境,具有如下一些特点。

虚实互补:本虚拟仿真实验将PECVD设备进行了1:1的完全复现,且虚拟实验流程与实际的操作流程完全相同,通过虚拟实验学生就可以了解实际实验的过程及特点。充分利用了虚拟仿真实验和实际PECVD设备实操实验的互补性,发挥两种实验模式的优点,做到了“仿真”与“实操”有机结合,取得了良好的效果。

开放性:利用开放网络环境,使学生在寝室、教室和实验室等地均能登陆服务器进行仿真实验。

共享性:硅基薄膜太阳电池制备虚拟仿真实验课程不仅可以用于学校内本科生和研究生的教学和科研,还可以用于合作企业(如英利新能源公司,天威薄膜光伏有限公司等)员工的培训,成为多方共享的实验平台。

原创性:本实验课程中的虚拟仿真实验项目均为我校具有自主知识产权的产品。

先进性:通过产学研相结合的开发方式与学科前沿紧密结合,保证实验教学资源的先进性。

微观呈现:将利用PECVD系统沉积硅薄膜的微观过程进行了呈现,使学生可以对薄膜沉积的物理机理有深刻了解。

【面向对象】

本校电子科学与技术、新能源材料与器件、物理学、应用物理学、光电信息科学与工程和电子信息科学与技术等专业的本科生和研究生。

英利新能源公司和天威薄膜光伏有限公司等企业的员工。

【教学效果】

通过本虚拟仿真实验课程的学习,学生能较全面和系统地了解和掌握等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统的基本结构和操作流程、磁控溅射系统和 太阳模拟器等设备的基本原理和使用方法,掌握硅基薄膜太阳电池的基本工作原理和测试方法,为学生以后在相应领域工作或研究奠定下良好的基础。

 

 

典型实验项目《电池有源层的沉积》

【实验目的】

(1)掌握PECVD系统的基本工作原理和使用方法。

(2)了解硅基薄膜太阳电池的基本结构。

(3)了解影响硅基薄膜太阳电池性能的一些因素。

【实验工具】

合作研发的“硅基薄膜太阳电池制备虚拟仿真实验系统”。

【主要实验步骤】

PECVD系统仿真设备如图所示。

PECVD系统设备仿真图

 

 

(1)装片

实验步骤为,打开p腔室“充气阀”,腔体充至大气压,然后关闭“充气阀”,将衬底片挂至托盘上,将托盘放在样品架(阴极)上,关闭腔体,拧紧上下两螺栓。虚拟仿真实验装片主要步骤如图所示。

纳米纤维虚拟制造

面向专业

纺织工程、 非织造材料与工程、高分子材料与工程

 

实验目的与要求

根据气泡动力学原理,利用自行编制的软件显示在各种外力作下变 形情况(气泡壁的变化和大分子结构)、爆裂过程及其基本特征、碎片被拉伸过程以及纤维成型和形貌。使学生理解掌握气泡静电纺丝法制造纳米纤维的原理以及形成过程。

 

实验内容

一)气泡静电纺

1 输入 气泡半径,内外的体压力应用 MATLAB 软件计算气泡的表 面张力 ;

2 输入 接收距离,应用 Fluent 软件计算电场分布,再应用流体力学中的 软件计算电场分布,再应用流体力学中的 质量守恒和 MATLAB 计算气泡破裂前的几何形状,确定壁厚度变 化规律;

3 应用 Fluent 软件模拟气泡破裂瞬间射流速度;

4 应用 Fluent 软件模拟射流运动情况,计算纳米纤维的大小;

5 调节参数,可得到纳米多孔材料。

二)气流泡纺

1 输入气泡半径,内外的体压力应用 MATLAB 软件计算气泡的表 面张力 ;

2 输入外加气源的基本参数,应用 Fluent 软件计算流场分布;

3 应用 Fluent 软件模拟气泡破裂瞬间射流速度;

4 应用 Fluent 软件模拟射流运动情况,计算纳米纤维的大小 .

三)双接收器

1 输入气泡半径,内外的体压力应用 MATLAB 软件计算气泡的表 面张力 ;

2 输入 接收距离,和两个器的位置应用 接收距离,和两个器的位置应用 接收距离,和两个器的位置应用 Fluent 软件计算电场分布, 再应用流体力学中的质量守恒和 MATLAB 计算气泡破裂前的几何形状, 确定气泡壁厚度的变化规律;

3 应用 Fluent 软件模拟两个接收器的等势线确定纳米纤维取 向。

 

代表性实验结果

气泡静电法是应用力克服表面张而实现的一种纺丝过程。 当气 泡破裂后能产生多股射流,这些在静电力的作用进一步拉伸而得到各种形貌的纳米材料,主要是纳米纤维。

双接收器是准备取向纤维的有效方法,根据计算流体力学软件可出等势 双接收器是准备取向纤维的有效方法,根据计算流体力学软件可出等势 线, 等势线的方向就是纤维取。

 

来源:苏州大学纺织与服装设计实验教学中心

 

太阳电池性能表征及特性测试实验

【课程简介】

在太阳电池的研究、生产和应用中,需要对太阳电池性能及可靠性进行测试。评定太阳电池性能的主要参数包括开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因 子和转换效率。通过采集太阳电池的I-V特性测量数据,拟合I-V特性曲线来提取五个模型参数。学生在虚拟仿真实验平台“太阳电池特性测试系统”可以完成 太阳电池多种特性参数的测量,加深对太阳电池性能表征的认识。

 

【面向对象】

本校电子科学与技术、光电信息科学与工程、应用物理学、物理学、电子信息科学与技术和新能源材料与器件等专业的本科生和研究生。

 

【教学效果】

通过实验,学生可以加深对PN结、太阳电池结构、光伏技术、伏安特性、填充因子等专业知识点的理解;掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理;掌握硅光电池的工作原理及其基本特性参数的测试方法。

 

 

典型实验项目《太阳电池特性参数测量》

【实验目的】

(1)了解全暗情况下硅光电池的伏安特性测量;

(2)太阳电池的负载特性;

(3)硅光电池零偏和负偏时光电流I与输入光功率Pin间关系测定;

(4)硅光电池频率响应的测定;

(5)太阳电池温度特性的测量。

 

【实验工具】

自主开发的“太阳电池性能表征及特性测试仿真实验系统”。

 

【仿真实验图】

仿真实验内容见图所示。

 

 

来源:河北大学光伏技术虚拟仿真实验教学中心

太阳能电池器件虚拟仿真实验教学平台

实验设置目标

新型太阳能电池器件的获得,需要进过前期的材料选择,模型的建立,理论分析,在理论上得到良好的效果后在进行实验的研发。本虚拟仿真实验教学平台,主要通过模拟仿真实现太阳能电池器件在前期的模型建立及理论分析,获得较好的理论结果。可以使学生对太阳能电池的器件结构、工作原理、设计过程有较深入的认识,并掌握太阳能电池器件的设计方法。

 

实验课程内容与成效

①对太阳能电池器件模拟仿真,针对不同材料、掺杂浓度、薄膜厚度等对太阳能电池的电池填充因子、转换效率、开路电压及短路电流的影响进行分析探索。主要基于AMPS-1D软件,该软件常用于分析与设计一维多层的固态微电子,光电子以及光伏器件(如图1)。其原理是利用有限元法和Newton-Raphson算法解泊松方程,电子连续方程和空穴连续方程,根据材料的性质以及边界条件计算得到自洽解,可用于模拟各种同质结、异质结电池。

图1太阳能电池器件虚拟仿真

 

②太阳能电池光学特性分析。采用传输矩阵法的光学模型以及MATLAB 软件模拟了太阳能电池对入射光的吸收率特性。

图2 太阳能电池光学特性模拟仿真

 

利用虚拟仿真实验,本科生在太阳能电池器件领域的创新实践领域取得了优异的成绩。学生完成了4项中央高校本科生自主选题课题,1项广东省大学生创新项目,发表论文4篇SCI论文,其中2012级学生(刘涵等)撰写的Solution processed CdTe/CdSe nanocrystal Solar cells with more than 5.5% efficiency by using aninverted device structure被Journal of Materials Chemistry C(IF>5.0)期刊作为封面论文发表(如图3)。

图3 本科生发表的SCI封面论文(IF>5.0)

通过结合虚拟仿真手段,中心的吴宏滨教授课题组在太阳能电池器件的研究领域,尤其是聚合物太阳能电池器件取得了巨大的成就。提出一种新颖的倒置器件结构,创造科学文献中聚合物太阳电池效率的世界纪录,能量转换效率突破9%,研制出当时科学文献中发表的国际上最好水平的单结聚合物太阳电池。这一成果入选科技部基础研究管理中心发布的2012年度“中国科学十大进展”。并于2015年2月,将器件的能量转换效率提高到10%以上,相关结果在Nature出版集团的Nature Photonics上刊出。

 

 

 

 

来源:华南理工大学光电材料与器件虚拟仿真实验教学中心

 

无机纤维虚拟制造

面向专业

纺织工程、非织造材料与工程、高分子材料与工程

 

实验目的

光纤是现代通讯领域内最基础的信号传输载体,是现代生活必不可少的重要基础设施。光纤同时也是一种特殊的纤维材料,其制备过程与熔融纺丝过程及其相似,但是光纤的制备是在高温条件(1000°C)下对石英光预制棒进行熔融拉伸至所需尺寸(100微米左右),因此很难直接测量温度场分布、光纤形成过程参数,以及实际优化石墨感应炉需要耗费大量石墨坩埚材料等难以实现的教学功能。对于石墨感应炉设定高温温场分布(>1000°C),利用有限元法计算石英光纤预制棒在温场下达到平衡熔融状态的时间、动态直径的变化,以及冷却气体的导入、成形管道的几何参数等对于最终获得的石英纤维的直径和强度的影响。

本仿真实验要求:所获得的结构能够很好的指导石英光纤的拉伸过程与石墨感应炉的优化改造。

 

实验内容

  1. 利用COMSOL软件研究对感应炉中的气体流场和温度场进行模拟。对现有主流石墨感应炉中的气体流场建立数学模型,施加一定的边界条件,采用数值方法计算出气体的流动情况,模拟出感应炉中的气体流场和温度场。
  2. 利用气体流场模型对不同结构感应炉中的气体流场和温度场进行数值模拟。不同结构参数感应炉中气体的速度分布和温度分布都会不同,通过实际测量来研究气体的速度分布和温度分布,显然是不现实的。而利用数值模拟方法,我们就可以对结构参数变化的感应炉中气体流场和温度场进行模拟,从而能够快速优选出更适合于光纤制备的感应炉结构。

 

代表性实验结果

图2石英光棒在石墨感应炉中熔融拉伸变细的过程以及温度场分布

 

来源:苏州大学纺织与服装设计实验教学中心

纤维卷曲仿真加工

面向专业

纺织工程、非织造材料与工程、高分子材料与工程

 

实验目的与要求

纤维卷曲是化学短纤维加工中的主要工艺之一,也是提高纤维比表面积、增加纤维之间抱合力的有效方法,利用自行编制的软件,设计纤维聚合物原料、纤维直径、纤维长度、纤维刚度等参数,仿真模拟纤维的卷曲过程,使学生了解和掌握纤维卷曲与其自身结构及性能之间的关系,以及纤维卷曲数对纤维最终状态和纺纱加工性能的影响。以该实验项目为基础,已经与南通醋酸纤维有限公司合作进行卷烟用醋酸纤维的仿真加工。

 

实验内容

一)填塞箱卷曲变形模拟

1输入填塞箱基本尺寸和压轮压力,纱线基本参数,填塞箱内温度;

2 应用MATLAB软件计算计算轴向移动纱线的固有频率和波数;

3 应用MATLAB计算纱线的临近不稳定的长度;

4 应用MATLAB计算主波和次波,确定卷曲纤维的卷曲频率。

二)气泡纺制备纳米卷曲纤维

1输入气泡半径,气泡内外的气体压力,应用MATLAB软件计算气泡的表面张力;

2 输入外加气源的基本参数,应用Fluent软件计算流场分布;

3应用Fluent软件模拟气泡破裂瞬间射流速度;

4 应用Fluent软件模拟射流运动情况,计算纳米纤维的大小.

5 应用MATLAB软件计算计算纳米纱线的固有频率和波数;

6应用MATLAB计算主波和次波,确定纳米卷曲纤维的卷曲频率。

 

 代表性实验结果

纳米卷曲是较前沿的纳米技术,其原理类似传统的填塞箱卷曲机理,由于在气泡纺丝过程中,射流速度很快,在固化过程,射流会产生模态振动而形成纳米卷曲。

 

 

 

来源:苏州大学纺织与服装设计实验教学中心

 

照明效果设计仿真实验教学平台

实验设置目标

通过该实验可以让学生了解不同建筑物场合对照明的要求,深入水平照度、垂直照度、眩光控制、照度均匀度和显色性等照明参数,掌握照明效果设计的方法。

 

实验课程内容与成效

学生在掌握了半导体照明器件的光学设计知识后,可以利用DIALux软件进行场景照明案例设计,如图1所示。场景案例设计不仅可以锻炼学生场景模型设计能力,还可以再此基础上,提高学生对于照明器件灵活运用能力,了解不同的器件的照明效果。该平台从基本照明器件设计到照明场景设计教学,使学生学习到从微观到宏观整个照明设计相关知识,成为半导体照明器件光学设计的全能人才。

图1 场景照明设计实例

 

本中心与广东三雄极光照明股份有限公司共同建设了照明效果设计虚拟仿真实验平台,三雄极光是我国知名的照明企业之一,在照明领域有着深厚的积累。学生在校内学习到照明设计的基本知识后,会到三雄极光公司进行生产实习,由一线工程师给学生

讲解照明设计案例,并参观相应的照明场景。学生通过理论加上实践教学,能够较好的掌握照明效果设计的虚拟仿真实验方法,完成了较多的高质量设计作品(如图2)。

图2 学生在实习中完成的照明效果设计作品

除了为本校学生提供照明效果设计虚拟仿真实验教学之外,中心以广东三雄极光公司为基地,已经为华南农业大学、广东工业大学、广州美术学院、广东石油化工学院、广州市纺织服装职业学院、广州科技贸易职业学院、番禺职业技术学院、顺德职业技术学院等三十多个高校(超过2000人次)开展过照明效果设计仿真的教学。

 

来源:华南理工大学光电材料与器件虚拟仿真实验教学中心