本應(yīng)用報告將紫外/可見/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)測試項目（反射、透射和吸收）以及測量這些項目所需要的儀器設(shè)備。本研究使用的設(shè)備和計算方法，可擴展到薄膜電池、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)控的測試過程。

近些年來，尋找環(huán)境問題解決方案的需求日益成為全球面對的主要難題。鑒于化石燃料的資源正在迅速耗竭及其對環(huán)境的嚴重破壞，發(fā)展替代性能源產(chǎn)品已經(jīng)成為當務(wù)之急。

太陽是清潔能源的一個豐富來源。20世紀中期航空航天工業(yè)的發(fā)展帶動了對于光伏轉(zhuǎn)換的研究數(shù)量的增長。與此同時，太陽能技術(shù)走向大眾的工作也在很多方面都取得了進展。

光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展和進步需要（在化學(xué)、電子、機械和光學(xué)等方面）對整個過程的各個階段進行表征。紫外/可見/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/近紅外光譜測量的是什么

對于液體樣品，標準的分光光度計測量的是以百分比（%T）表示的透過率——也就是入射光束穿透樣品的百分比。這個數(shù)值可以用于計算樣品的吸光度：

吸光度=log(1/T)

T=透過率=%T/100

吸光度被廣泛用于計算符合朗伯-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（點擊查看大圖）

紫外/可見/近紅外光譜可以測量被樣品反射、透射或者吸收的光線的不同比例，使用不同的檢測附件也可以測試漫反射、折射和偏振等。所能覆蓋的光譜范圍從175nm到3300nm。

測量固體樣品的透過率

為了獲得固體樣品透過率的正確測量結(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，檢測器可能無法收集到全部的透射光線，從而造成信號強度的下降。光束也可能被樣品漫反射到各個方向，同樣會導(dǎo)致信號強度下降的測量錯誤。使用積分球檢測附件可以測量樣品的總透過率——也就是直接透過率與漫透過率（包括光束的所有偏離）之和。另外，直接透過率與漫透過率也可以分別測量。

測量固體樣品的反射率

樣品對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方向上的入射光束部分；粉末樣品大多會產(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，可以分別測量鏡面反射率、漫反射率或者總反射率。

與透射率測量一樣，積分球是測量樣品的漫反射率或者總反射率所必需的。

鏡面反射率的測量需要使用專用的不同角度鏡面反射檢測附件。在研究光學(xué)鍍膜樣品時特別需要使用鏡面反射率數(shù)據(jù)。

測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，也就是沒有被樣品反射或者透射的光束部分。

100%=%反射率+%透過率+%吸光度

吸光度可以從透過率和反射率測量結(jié)果中計算得到。

%吸光度=100%-%反射率-%透過率

測量附件：積分球

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

本研究使用積分球代替標準檢測器模塊。樣品放置在積分球的相應(yīng)位置，被樣品透過或者反射的光束在積分球的高反射率內(nèi)表面經(jīng)過反射后到達積分球內(nèi)部的檢測器（如圖2所示）。測量透過率時樣品放置在積分球前方，測量反射率時樣品放置在積分球后方。

圖2. 積分球測量：反射模式（下）；透射模式（上）（點擊查看大圖）

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%。

光伏樣品測試，分光光度計一般配置使用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，測量結(jié)果的準確度越高。積分球內(nèi)部的檢測器（可見光區(qū)域使用光電倍增管，近紅外光區(qū)域使用PbS檢測器）被Spectralon材料制成的擋板所保護，避免直接反射光線進入檢測器。這些擋板對于保證測試結(jié)果的準確度是非常必要的。在進行反射率測量時，可以打開鏡面反射側(cè)翼將鏡面反射光線排除，從而只測量漫反射光線。在進行透射率測量時，將正對入射光束的窗口上的標準蓋板取走可以排除直接透射光線，從而只測量漫透射光線。

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

圖3.中心樣品架附件；使用積分球測量吸收光譜（點擊查看大圖）

光伏電池的測量

光伏電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。這需要讓價帶上的電子移動到導(dǎo)帶上。如果光能等于或者高于分開價帶和導(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鋁鍍層，可以將透過的光子再次反射回可以被吸收的區(qū)域。

測量光伏電池的反射率、透過率和吸光度，可以評價不同處理方式的效果。圖4顯示了硅光伏電池制作過程的不同階段。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（點擊查看大圖）

硅基電池的測量

本研究測量了一個未處理的硅晶片和一個覆蓋了抗反涂層而且經(jīng)過織構(gòu)化處理的硅晶片的透過率和反射率（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率（點擊查看大圖）

圖6.處理前和處理后硅晶片的百分比反射率（點擊查看大圖）

根據(jù)透過率光譜可以計算材料的禁帶寬度。硅的禁帶寬度為1.12 eV。波長與能量的關(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，c是真空中的光束（ ≈ 3x108m/s）。

能量為1.12 eV時對應(yīng)的波長是1107nm，這就意味著可以用于光伏轉(zhuǎn)換的光譜范圍低于1107nm。

當波長更長時，光線能量不適合進行光伏轉(zhuǎn)換。

當波長更短時 ，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，以充分利用太陽光譜的能量。

在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)，未處理與處理后的硅晶片在波長短于1107nm時的透過率都非常低 （如下表所示）。對于反射率來說，太陽光譜內(nèi)可見光部分已經(jīng)得到優(yōu)化。低于能帶間隙時，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，這也是太陽輻射強度的最高點。

選擇性太陽光反射率的計算

為了對不同產(chǎn)品進行評價和比較，光伏電池的太陽光反射率以百分比形式計算。這也就是電池反射的太陽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輻射光譜已經(jīng)有明確規(guī)定。

太陽發(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有關(guān)（臭氧吸收波長在350nm以下的輻射，而水蒸氣和二氧化碳吸收波長在2500nm以上的輻射），也會受到云層、污染和大氣顆粒物的影響。上述各種因素決定了能夠到達地面的太陽輻射。太陽輻射光譜還與陽光所要穿越的大氣層厚度有關(guān)。標準大氣層被定義為AM（空氣質(zhì)量，Air Mass）。AM1表示太陽位于天頂時陽光所要穿越的標準大氣層厚度。

光伏領(lǐng)域使用的是AM1.5太陽輻射光譜。這是太陽在48.18°天頂角時到達海平面的能量光譜，對應(yīng)的大氣層厚度是AM1的1.5倍。ASTM標準E173提供了AM1.5太陽輻射光譜的標準數(shù)值表，以替代之前的標準（E891和E892）。

圖7.太陽輻射光譜（點擊查看大圖）

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

其中R(λ)是測量得到的百分比反射率，Sλ是太陽輻射光譜（以光子流表示）。

有效反射率可以在光伏電池生產(chǎn)過程的任意環(huán)節(jié)進行測量，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。進行反射率測量時，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。這樣可以保證所測量的是進行光伏轉(zhuǎn)換的材料表面的反射率。這種“小光斑”裝置由一個光闌和一個轉(zhuǎn)輪組成，轉(zhuǎn)輪上有3個棱鏡，分別用于積分球透射、反射和中心測量位置的聚焦。

圖8.使用與不使用小光斑工具測量的光伏電池成品的反射率（點擊查看大圖）

本研究使用圖8所示的黑色光譜曲線計算所測電池的有效反射率，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)格接觸時的測量結(jié)果。兩張光譜的差異充分說明了在測量過程中對入射光束進行精準定位的重要性。

該電池樣品的有效反射率的計算結(jié)果為14.7。

結(jié)論

使用積分球作為檢測器對于太陽能行業(yè)的總透過率和反射率測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試方法。 例如，對薄膜電池上的薄層沉積物進行質(zhì)量保證測試時，使用特殊裝置測量樣品的鏡面反射率是一種常規(guī)做法。所需測量的樣品面積可能非常大，現(xiàn)在的測試技術(shù)已可以對整個模塊進行測量。

目前的研究主要集中在入射角度的重要性上，對于樣品同一部分的透過率和反射率測試也得到了越來越多的重視。新類型的測試裝置也正在發(fā)展中。這些裝置可以將標準的紫外/可見/近紅外分光光度計轉(zhuǎn)變?yōu)閷ｉT用于光伏電池的測試設(shè)備 。

參考文獻

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