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)性質(zhì)，本研究以硅基電池為例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。本研究使用的設(shè)備和計(jì)算方法，可擴(kuò)展到薄膜電池、鈣鈦礦電池、鈣鈦礦硅基復(fù)合電池等多種光伏電池研發(fā)和質(zhì)控的測(cè)試過(guò)程。

近些年來(lái)，尋找環(huán)境問(wèn)題解決方案的需求日益成為全球面對(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)展帶動(dòng)了對(duì)于光伏轉(zhuǎn)換的研究數(shù)量的增長(zhǎng)。與此同時(shí)，太陽(yáng)能技術(shù)走向大眾的工作也在很多方面都取得了進(jìn)展。

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)于樣品的入射角度和樣品材質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖1.光與固體的相互作用（點(diǎn)擊查看大圖）

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的不同比例，使用不同的檢測(cè)附件也可以測(cè)試漫反射、折射和偏振等。所能覆蓋的光譜范圍從175nm到3300nm。

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，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。使用積分球檢測(cè)附件可以測(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。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)量需要使用專用的不同角度鏡面反射檢測(cè)附件。在研究光學(xué)鍍膜樣品時(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)率

測(cè)量附件：積分球

本研究使用LAMBDA 1050+分光光度計(jì)和150mm積分球測(cè)量樣品在200~2500nm范圍內(nèi)的總透過(guò)率和反射率。

本研究使用積分球代替標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)器模塊。樣品放置在積分球的相應(yīng)位置，被樣品透過(guò)或者反射的光束在積分球的高反射率內(nèi)表面經(jīng)過(guò)反射后到達(dá)積分球內(nèi)部的檢測(cè)器（如圖2所示）。測(cè)量透過(guò)率時(shí)樣品放置在積分球前方，測(cè)量反射率時(shí)樣品放置在積分球后方。

圖2. 積分球測(cè)量：反射模式（下）；透射模式（上）（點(diǎn)擊查看大圖）

積分球的內(nèi)表面使用Spectralon高反射材料制成，其反射率接近100%。

光伏樣品測(cè)試，分光光度計(jì)一般配置使用Spectralon材料150 mm雙光束積分球，積分球的窗口面積占內(nèi)反射表面比值小于2.5%。窗口面積比例越低，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度越高。積分球內(nèi)部的檢測(cè)器（可見(jiàn)光區(qū)域使用光電倍增管，近紅外光區(qū)域使用PbS檢測(cè)器）被Spectralon材料制成的擋板所保護(hù)，避免直接反射光線進(jìn)入檢測(cè)器。這些擋板對(duì)于保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度是非常必要的。在進(jìn)行反射率測(cè)量時(shí)，可以打開(kāi)鏡面反射側(cè)翼將鏡面反射光線排除，從而只測(cè)量漫反射光線。在進(jìn)行透射率測(cè)量時(shí)，將正對(duì)入射光束的窗口上的標(biāo)準(zhǔn)蓋板取走可以排除直接透射光線，從而只測(cè)量漫透射光線。

樣品的吸光度也可以直接進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)樣品的尺寸，可以使用“中心樣品架”采樣附件將待測(cè)樣品放置在積分球的中心位置。在這種光路中，所測(cè)量的光譜信號(hào)直接代表了反射率和透射率的加和（如圖3所示）。這種光路的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)支架軸的轉(zhuǎn)動(dòng)改變樣品相對(duì)于入射光束的方向，可以在不同入射角度上對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量。

圖3.中心樣品架附件；使用積分球測(cè)量吸收光譜（點(diǎn)擊查看大圖）

光伏電池的測(cè)量

光伏電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。這需要讓價(jià)帶上的電子移動(dòng)到導(dǎo)帶上。如果光能等于或者高于分開(kāi)價(jià)帶和導(dǎo)帶的禁帶（帶隙）的寬度，電子轉(zhuǎn)移就可能發(fā)生。

光伏轉(zhuǎn)換的第一階段是吸收有效光譜范圍內(nèi)的光線。反射光線一般不能用于光伏轉(zhuǎn)換。有很多處理方法可以提高光伏電池材料的吸光度。（化學(xué)、機(jī)械或者激光等）織構(gòu)化處理可以在電池表面產(chǎn)生錐形凹痕，增加與光束的接觸面積并且降低反射率。反射的光束可以被周圍的凹痕再次吸收。在電池表面覆蓋抗反涂層也可以將反射能量損失降到更低。如果在電池背面增加一個(gè)鋁鍍層，可以將透過(guò)的光子再次反射回可以被吸收的區(qū)域。

測(cè)量光伏電池的反射率、透過(guò)率和吸光度，可以評(píng)價(jià)不同處理方式的效果。圖4顯示了硅光伏電池制作過(guò)程的不同階段。所展示的樣品分別為未處理的硅晶片、經(jīng)過(guò)織構(gòu)化處理的硅晶片、覆蓋了抗反涂層的硅晶片以及具有絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電網(wǎng)格的光伏電池成品。

圖4.未處理的硅晶片、經(jīng)過(guò)織構(gòu)化處理的硅晶片、覆蓋了抗反涂層的硅晶片以及光伏電池成品（點(diǎn)擊查看大圖）

硅基電池的測(cè)量

本研究測(cè)量了一個(gè)未處理的硅晶片和一個(gè)覆蓋了抗反涂層而且經(jīng)過(guò)織構(gòu)化處理的硅晶片的透過(guò)率和反射率（如圖5和圖6所示）。

圖5.處理前和處理后硅晶片的百分比透過(guò)率（點(diǎn)擊查看大圖）

圖6.處理前和處理后硅晶片的百分比反射率（點(diǎn)擊查看大圖）

根據(jù)透過(guò)率光譜可以計(jì)算材料的禁帶寬度。硅的禁帶寬度為1.12 eV。波長(zhǎng)與能量的關(guān)系可以用如下公式表示 ：

E = (h*c)/λ

其中E是以焦耳（J）為單位的能量，h是普朗克常數(shù)（6.63x10-34J/s），λ是波長(zhǎng)，c是真空中的光束（ ≈ 3x108m/s）。

能量為1.12 eV時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是1107nm，這就意味著可以用于光伏轉(zhuǎn)換的光譜范圍低于1107nm。

當(dāng)波長(zhǎng)更長(zhǎng)時(shí)，光線能量不適合進(jìn)行光伏轉(zhuǎn)換。

當(dāng)波長(zhǎng)更短時(shí) ，超出能帶間隙的能量以熱量形式損失。

光伏電池現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到可以提供一定范圍的能帶間隙，以充分利用太陽(yáng)光譜的能量。

在所關(guān)注的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，未處理與處理后的硅晶片在波長(zhǎng)短于1107nm時(shí)的透過(guò)率都非常低 （如下表所示）。對(duì)于反射率來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)光譜內(nèi)可見(jiàn)光部分已經(jīng)得到優(yōu)化。低于能帶間隙時(shí)，處理后的硅晶片的反射率顯著下降（如下表所示）。最低反射率出現(xiàn)在500nm左右，這也是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的最高點(diǎn)。

選擇性太陽(yáng)光反射率的計(jì)算

為了對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較，光伏電池的太陽(yáng)光反射率以百分比形式計(jì)算。這也就是電池反射的太陽(yáng)光線占其所接收光線的百分比。在海平面上所能接收到的太陽(yáng)輻射光譜已經(jīng)有明確規(guī)定。

太陽(yáng)發(fā)出的輻射有一部分被大氣層所吸收。 大氣的吸光度水平與波長(zhǎng)有關(guān)（臭氧吸收波長(zhǎng)在350nm以下的輻射，而水蒸氣和二氧化碳吸收波長(zhǎng)在2500nm以上的輻射），也會(huì)受到云層、污染和大氣顆粒物的影響。上述各種因素決定了能夠到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)輻射光譜還與陽(yáng)光所要穿越的大氣層厚度有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)大氣層被定義為AM（空氣質(zhì)量，Air Mass）。AM1表示太陽(yáng)位于天頂時(shí)陽(yáng)光所要穿越的標(biāo)準(zhǔn)大氣層厚度。

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）。

圖7.太陽(yáng)輻射光譜（點(diǎn)擊查看大圖）

光伏電池的有效反射率是包含了AM1.5太陽(yáng)輻射光譜權(quán)重的積分反射率，可以表示為：

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)格的接觸是非常重要的。為此，我們使用相應(yīng)的裝置縮小入射光束的大小，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。

圖8.使用與不使用小光斑工具測(cè)量的光伏電池成品的反射率（點(diǎn)擊查看大圖）

本研究使用圖8所示的黑色光譜曲線計(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)行精準(zhǔn)定位的重要性。

該電池樣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ｉT用于光伏電池的測(cè)試設(shè)備 。

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