LAMBDA 950紫外分光光度计测定光学涂层的角度分辨反射和透射全谱

前言：由绝缘材料组成的光学镀膜材料在光学和玻璃行业中早已屡见不鲜。例如，在激光腔中由高和低折射率的片层交替堆栈形成布拉格镜，氟化镁在显示屏上用作防反涂层。然而，在过去的二十年中，由于出现的新材料满足了新应用的要求，光学涂层的可用范围已被广泛地扩展。这些涂层不一定是全致密的平面——导致光散射——并且它们可以被设计成非垂直入射条件下的功能性涂层。在这种情况下S和P偏振光具有不同的光学行为。太阳能工业提供了一些很好的例子：由化学气相沉降法而自然形成的金字塔形表面质地的氧化锌涂层已在薄膜太阳能电池领域被用于散射太阳光。由一种高分子材料折光系数而成图的全息滤光镜将太阳光在空间上分成不同颜色的色带（相棱镜一样），并且光伏电池被调到每个波长的焦距处而形成一种新型的多结太阳能电池。位于硅太阳能电池前部的纳米圆柱形硅涂层起米氏散射的作用，因此增加了在更宽入射角范围和偏振情况下光被太阳能电池的吸收。对于所有的光学涂层——特别是那些非垂直角度接收阳光或者阳光入射的涂层，表征波长、角度和偏振测定的反射和入射就尤为关键。PerkinElmer公司的自动化反射/透射分析模块为LAMBDA 950和LAMBDA 1050紫外/可见/近红外光谱仪的插入式附件，其用一个测角仪来将样品相对于入射光（不同入射角）的角度进行旋转并且相对于样品位置（不同检测角）独立旋转积分球检测器。对于任何入射角/配对的检测角，S和P偏振光的谱图都能在250-2500 nm的范围内被测定。

ARTA自动运行用户这些测量任务表，允许用户有效地回答这个问题：“所有的入射光都去了哪儿？”

在此应用中，我们研究了由3M®制造的长通光学薄膜（“可见光镜面膜”）的性能。3M®推出了各式各样的这些类的塑料薄膜。这些产品由数百层不同厚度和折射率的高分子材料组成，共同反射和透射诸如低发射窗户玻璃这些特定部件的太阳光谱。本研究选用的可见光镜膜吸收紫外光（<350 nm），反射可见光并透过红外光（>750 nm）。我们对如图2所示集成到曲面形硅光伏组件中的这类薄膜很感兴趣，因为这种硅太阳能电池以40%的效率将其带隙（700-1100nm）波长附近的光转换为电，但是更短波长的部分大部分生成无用的热并以低得多的效率转换为电。通过将3M®薄膜放置于太阳能电池的前面，红外波长部分的光将被透射进电池中，而利用率极低的短波长部分将被安放有另外一个太阳能收集器（光伏、热或者化学收集器）的聚焦位置，该位置通过可见光来进行调整。凹面光伏模块专为安放在一个单轴跟踪器上，其随太阳而自西向东运动，但是3M®光学薄膜在一年过程中都可以以0-60˚的入射角接收太阳光（在亚利桑那州的凤凰城）。因此，为了得到整个太阳能收集器的年功率输出量，我们必须首先表征3M®光学薄膜的波长、角度、偏振分辨性能。

实验部分PerkinElmer公司的LAMBDA 950/1050紫外/可见/近红外分光光度计为配备可选150 mm积分球的双光路、双分束器仪器。Spectralon涂层积分球包含硅和InGaAs检测器，以便从200-2500 nm的范围内谱图能被精确采集。通过将样品固定在积分球的入口或者出口、漫射测量时移除掉镜反射口，薄膜、基材或者液体（装在比色皿中）的总反射、总透射、漫反射和漫透射都可被进行测量。对于任意入射角的反射和透射的角度依赖性的更详细分析，积分球附件可在大约10分钟的时间内被ARTA附件（图3所示）所更替。ARTA也采用了一个配备PMT和InGaAs检测器的积分球（60 mm），但是这个积分球被固定在测角仪上，使其能在水平面上围绕样品旋转340˚以收集进入其宽度可调的狭缝内的光。又可能为薄膜、基材和液体的样品也被固定在测角仪上并且可以独立于检测器进行旋转——以便用户能选择任意的入射角（相对于固定的光源）和检测器。ARTA的控制部分集成到UV Winlab软件中以方便用户用于自动执行的运行表。在当前的实验中，3M®可见光镜膜的总和角度分辨反射和透射谱由LAMBDA 950分光光度计所采集。为了测定总反射和透射谱，薄膜被放置在150 mm积分球附件的入口（0˚入射角）或者出口（8˚入射角），并且谱图在250-2500 nm的范围内用非偏振光进行采集。进行角度分辨测量时，薄膜被固定在ARTA附件的测角仪支架上，并且谱图在250-2500 nm的范围内分别用s-和p-偏振光进行采集（图3所示）。在一些测量中，入射角在5-85˚之间以5˚的步长进行变化，并且检测器的移动被进行了整合以便检测器位置总是与镜反射光束（10˚步长）协调一致。在其它测量中，当检测器围绕样品以1˚的步长扫描一整圈时样品入射光的角度都固定不变。随后的实验将不同宽度的狭缝置于检测器的前面来进行以便改变测量的角度分辨率。

结果在采用ARTA附件对3M®薄膜进行深入分析前，无支撑薄膜在名义垂直入射情况下的总（镜+漫）反射和透射也被用LAMBDA950的积分球附件进行了测量。如图4所示的结果表明薄膜在750 nm附近具有预期的突变，在此处具有将近100%的可见光反射率和约90%的红外光透射率。这种同样的薄膜由3M®用已知厚度和折射率的高分子层模塑制得，并且在大部分波长位置模拟谱图对测量谱图的匹配度在2%以内。

当薄膜为具有低表面粗糙度的平面时，图4中的总反射图应该和用ARTA附件在8˚入射角下测量的镜面反射谱基本一致。依据入射角和偏振光来分解的镜面反射以等高线图显示于图5中。跟预期的一样，在x轴以上提取的一张水平曲线跟图4中的反射曲线看起来一样。需要注意的是检测角始终是入射角的两倍——也就是说，对于这些测试检测角和镜反射光束相关联。对于所有的偏振情况，直至50˚的范围内反射到透射的转变都很急剧，但是有轻微的蓝移。在预期的太阳能转换应用中，这会在整个一年的过程中对进入到曲面型光电模块中和位于其焦点位置的太阳能收集器中光的份数有影响——虽不便利但通过适当的工程设计以后还可以接受的。然而，对于入射角在约50˚以上的情况，s偏振光的转换终止并且薄膜开始失去对光谱的分光功能。这种情况的一个明显后果就是在冬天或者纬度高于30˚的区域的夏季月份，曲面型光电镜片的工作效率都很低。

在无支撑薄膜的光学性能被表征后，薄膜样品被用不同的封装剂层压到硅片和玻璃基材之间以靠近曲面型频谱分裂光电模块成品。图6a为三种此类层压品的照片，其表明薄膜或者保持平坦或者在层压过程中产生不同程度的褶皱，这取决于加工细节和所用的塑封剂。如果曲面型光电模块将反射的可见光聚焦到其焦点上，薄膜一定保持平坦状并且与玻璃表面共形。通过ARTA的测角性能及配合具有不同接受角的检测器狭缝，散射光的角度分布函数可以以透射和反射的方式被快速测量出来。下一页中所示的图6b-d显示了另外两种层压材料在无支撑情况下的测试数据——一种为可见光平层，而另一种为轻微褶皱的可见光层状材料。位于反射带中间部分的600nm波长的光用于所有样品的测试。无支撑薄膜也在1100nm波长处进行了透射测试以用于参考（该波长不可能用于层压材料，因为硅片吸收此波长的光）。为了进行这些测试，当检测器自动围绕样品做圆形运动时，入射角保持30˚不变。即使当检测器狭缝关闭到5˚的接受角，无支撑薄膜和平坦层压材料在一定的反射角下也和图5一样表现出近乎相近的反射性能。也就是说，所有的光被反射到一个以反射角为中心的2.5˚半角锥形范围内。褶皱样品也在10˚半角锥形范围内反射所有的光，但是仅有89%在光位于2.5˚半角锥形范围内。褶皱部分明显降低了镜面反射部分的光。被散射的光将不会汇聚到曲面型光电模块的焦点，本质上减少了位于该位置的太阳能收集器的光强度。

结论我们用配备ARTA附件的LAMBDA950分光光度计评估了一种3M®可见光镜膜在新型曲面型光电模块中的潜在用途。在此应用中，3M®薄膜必须透射近红外光子到底层的硅太阳能电池上（它们在此位置直接被转换成电能），同时反射可见光子到在该位置其可能能被吸收的模块的焦点上，例如一种与波长无关的热吸收体用于驱动热引擎。用ARTA附件进行的角度分辨反射和透射测量表明入射角上升到约50˚时，3M®薄膜对s和p偏振光都是一种有效的光学滤波器。当薄膜被层压到所用模块的曲面玻璃上时，为了维持其性能，薄膜必须被紧贴到玻璃上（没有褶皱），并且配备一个窄检测器狭缝的ARTA测量结果揭示了每一个层压过程所生成产品的匹配度。在考虑太阳的日常和年度运行情况以及由此造成的太阳光在光电模块上入射角的变化，我们当前用ARTA采集的光谱来评估采用了这种在其焦点处配置有热接收器的曲面型光电模块的发电站的年电输出量。我们也正在继续研究同时反射可见和红外光的滤光片（在透过近红外光的同时），并且其性能采用积分球和ARTA附件进行研究