紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜儀在光伏電池研發(fā)中的應(yīng)用

本應(yīng)用報(bào)告將紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜用于研究光伏電池的光學(xué)應(yīng) 用 文 章性質(zhì)，討論了涉及到的多種光學(xué)測(cè)試項(xiàng)目（反射、透射和吸收）以及測(cè)量這些項(xiàng)目所需要的儀器設(shè)備。本研究使用的是硅電池，包括其選擇性反射率的計(jì)算方法。

引言近些年來(lái)，尋找環(huán)境問(wèn)題解決方案的需求日益成為我們?nèi)蛎鎸?duì)的主要難題。鑒于化石燃料的資源正在迅速耗竭及其對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，發(fā)展替代性能源產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。太陽(yáng)是清潔能源的一個(gè)豐富來(lái)源。20世紀(jì)中期航空航天工業(yè)的發(fā)展目睹了對(duì)于光伏轉(zhuǎn)換的研究數(shù)量的增長(zhǎng)。與此同時(shí)，讓這類(lèi)能源走向大眾的工作也在很多方面都取得了進(jìn)展。話(huà)雖如此，大量的研究工作仍然在進(jìn)行中。光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步需要（在化學(xué)、電子、機(jī)械和光學(xué)等方面）對(duì)整個(gè)過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行表征。紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜儀在光學(xué)性質(zhì)研究中有著重要的應(yīng)用。

紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜測(cè)量的是什么？對(duì)于澄清的液體樣品，標(biāo)準(zhǔn)的分光光度計(jì)測(cè)量的是以百分比（%T）表示的直接透過(guò)率——也就是入射光束穿透樣品的百分比。這個(gè)數(shù)值可以用于計(jì)算樣品的吸光度：吸光度=log(1/T)T=透過(guò)率=%T/100吸光度被廣泛用于計(jì)算符合朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律的液態(tài)溶液的濃度。一束光與固體接觸時(shí)可能發(fā)生很多現(xiàn)象。光束可能被反射、透射、漫反射、吸收、折射或者發(fā)生偏振（如圖1所示）。這些現(xiàn)象各自發(fā)生的可能性與入射光相對(duì)于樣品的入射角度有關(guān)。

使用恰當(dāng)種類(lèi)的設(shè)備，紫外/可見(jiàn)/近紅外光譜可以測(cè)量被樣品反射、透射或者吸收的光線(xiàn)的不同比例，同時(shí)還可以考慮到能夠?qū)е聹y(cè)量誤差的各種現(xiàn)象（漫反射、折射和偏振等）。所能覆蓋的光譜范圍可以從175nm到3300 nm。

測(cè)量固體樣品的透過(guò)率為了獲得固體樣品透過(guò)率的正確測(cè)量結(jié)果，與入射光束有關(guān)的透射光束發(fā)生偏離的可能性必需被考慮到。這種偏離發(fā)生的可能原因有很多，例如樣品折射、表面不均勻、表面凸出或者凹陷等。如果透射光束發(fā)生明顯的偏離，檢測(cè)器可能無(wú)法收集到全部的透射光線(xiàn)，從而造成信號(hào)強(qiáng)度的下降。光束也可能被樣品漫反射到各個(gè)方向，同樣會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降的測(cè)量錯(cuò)誤。只有使用積分球這類(lèi)特殊檢測(cè)附件才能測(cè)量樣品的總透過(guò)率——也就是直接透過(guò)率與漫透過(guò)率（包括光束的所有偏離）之和。另外，直接透過(guò)率與漫透過(guò)率也可以分別測(cè)量。

測(cè)量固體樣品的反射率樣品對(duì)入射光束的反射包含鏡面反射和漫反射兩種類(lèi)型。鏡面反射是指被反射角度與其入射角度相同的入射光束部分；鏡子作為樣品時(shí)所產(chǎn)生的就是鏡面反射。漫反射是指被反射到其他各個(gè)方向上的入射光束部分；粉末樣品大多會(huì)產(chǎn)生漫反射。絕大部分樣品產(chǎn)生的反射是鏡面反射和漫反射的組合。使用現(xiàn)有的的設(shè)備，可以分別測(cè)量鏡面反射率、漫反射率或者總反射率。與透射率測(cè)量一樣，積分球是測(cè)量樣品的漫反射率或者總反射率所必需的。鏡面反射率的測(cè)量需要使用為此目的而設(shè)計(jì)的其他類(lèi)型設(shè)備。在研究薄層沉積物時(shí)特別需要使用鏡面反射率數(shù)據(jù)。

測(cè)量固體樣品的吸光度樣品的百分比吸光度與樣品吸收的光束占入射光束的百分比相同，也就是沒(méi)有被樣品反射或者透射的光束部分。100%=%反射率+%透過(guò)率+%吸光度吸光度可以從透過(guò)率和反射率測(cè)量結(jié)果中計(jì)算得到。%吸光度=100%-%反射率-%透過(guò)

光伏領(lǐng)域使用的是AM1.5太陽(yáng)輻射光譜。這是太陽(yáng)在48.18°天頂角時(shí)到達(dá)海平面的能量光譜，對(duì)應(yīng)的大氣層厚度是AM1的1.5倍。ASTM標(biāo)準(zhǔn)E173提供了AM1.5太陽(yáng)輻射光譜的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值表，以替代之前的標(biāo)準(zhǔn)（E891和E892）。

其中R(λ)是測(cè)量得到的百分比反射率，Sλ是太陽(yáng)輻射光譜（以光子流表示）。有效反射率可以在光伏電池生產(chǎn)過(guò)程的任意環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，所得數(shù)值可以用于不同樣品的相互比較。光伏電池成品的表面被絲網(wǎng)印刷的導(dǎo)電網(wǎng)格所覆蓋。進(jìn)行反射率測(cè)量時(shí)，避免入射光束與這些導(dǎo)電網(wǎng)格的接觸時(shí)非常重要的。為此，我們使用相應(yīng)的裝置縮小入射光束的直徑，將其聚焦于導(dǎo)電網(wǎng)格的條帶之間。這樣可以保證所測(cè)量的是進(jìn)行光伏轉(zhuǎn)換的材料表面的反射率。這種“小光斑”裝置由一個(gè)光闌和一個(gè)轉(zhuǎn)輪組成，轉(zhuǎn)輪上有3個(gè)棱鏡，分別用于積分球透射、反射和中心測(cè)量位置的聚焦。

本研究使用圖8所示的黑色光譜曲線(xiàn)計(jì)算所測(cè)電池的有效反射率，這樣可以避免導(dǎo)電網(wǎng)格條帶的干擾。黃色光譜曲線(xiàn)為入射光束與金屬網(wǎng)格接觸時(shí)的測(cè)量結(jié)果。兩張光譜的差異充分說(shuō)明了在測(cè)量過(guò)程中對(duì)入射光束進(jìn)行仔細(xì)定位的重要性。該電池成品的有效反射率的計(jì)算結(jié)果為14.7。

結(jié)論使用積分球作為檢測(cè)器對(duì)于太陽(yáng)能行業(yè)的總透過(guò)率和反射率測(cè)試起著非常重要的作用。新型光伏電池的研發(fā)也需要其他形式的測(cè)試方法。例如，對(duì)薄膜電池上的薄層沉積物進(jìn)行質(zhì)量保證測(cè)試時(shí)，使用特殊裝置測(cè)量樣品的鏡面反射率是一種常規(guī)做法。所需測(cè)量的樣品面積可能非常大，現(xiàn)在的測(cè)試技術(shù)已可以對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)量。目前的研究主要集中在入射角度的重要性上，對(duì)于樣品同一部分的透過(guò)率和反射率測(cè)試也得到了越來(lái)越多的重視。新類(lèi)型的測(cè)試裝置也正在發(fā)展中。這些裝置可以將標(biāo)準(zhǔn)的紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?zhuān)門(mén)用于光伏電池的測(cè)試設(shè)備