采用LAMBDA 950/1050光学薄膜的全谱角分辨反射和透射

简介在光学行业和玻璃行业中，由介电材料制成的光学薄膜早已很常见。例如，高/低折射率层交替堆叠的光学薄膜可用于制造激光腔内的布拉格反射镜，而氟化镁层则可用于制造显示屏的减反射膜。但在过去的二十年里，由于新材料的不断应用，可用光学薄膜的范围得到了显著拓宽。光学薄膜不一定是平面的，也并不一定致密（导致光的散射），可能用于非常规角入射，（S偏振光与P偏振光表现不同）。太阳能行业中有几个很好的例子：通过化学气相沉积方法制备的氧化锌薄膜可自然生成金字塔状绒面结构。这种绒面结构已被运用于薄膜太阳能电池，可起到散射光线的作用。1 全息滤光片通过调制聚合物折射率，将太阳光谱在空间上分离成不同颜色的光束（很像棱镜），根采用LAMBDA 950/1050紫外/可见/近红外分光光度计与自动反射/透射分析仪（ARTA）附件的光学薄膜的全谱角分辨反射和透射应 用 文 章作者：据各个波长调谐的光伏电池可放置于这些焦点上，形成新型的多结太阳能电池。2 硅太阳能电池前端的硅纳米柱“薄膜”的作用与米氏散射体相同，可减少反射，从而提高太阳能电池对太阳能的吸收率，适用于宽范围的入射角和偏振角。3

对于所有光学薄膜而言，特别是那些在非常规角工作的光学薄膜，获取波长、角度和偏振分辨反射与透射的特征是至关重要的。珀金埃尔默自动反射/透射分析仪（ARTA）是LAMBDA™ 950与LAMBDA 1050紫外/可见/近红外分光光度计的即插即用附件。分光光度计通过测角仪旋转样品，改变其与光束之间的角度（改变入射角），并使用独立旋转的积分球探测器，改变其与样本之间的角度（改变检测角）。对于给定的入射角与探测角下，可以在250—2500nm波段内收集s偏振光和p偏振光的光谱。自动反射/透射分析仪（ARTA）可根据用户测量列表自动执行测量，从而使用户能够高效地了解：“所有的入射光都去了哪里？”

我们研究了3M®高通光学薄膜（“可见光镜膜”）的性能。4 3M公司经销着很多的这些塑料薄膜。这些薄膜由成百厚度与折射率不一的透明聚合物层组成，能够反射和透射部分的太阳光谱，从而实现各类实际用途，如低辐射性窗户玻璃等。本文所选择的可见光镜膜可吸收紫外线(＜350 nm)，可反射可见光，又可透射红外线（＞750nm）。我们有意将可见光镜膜集成入图2所示的曲面硅光伏模块，这是因为硅太阳能电池能够将带隙（700—1100nm）附近的光转化为电，转化率超过40%。较短波长大多产生废热，且转化率较低。在太阳能电池前端放置3M®薄膜之后，红外线波长将转化为电池，而用处不大的较短波长将被反射至另一依据可见光调谐的太阳能集热器（光伏、热或化学）所在焦点。虽然曲面光伏模块安装于追踪太阳由东到西转动的单轴跟踪器之上，但3M®光学薄膜在一年内接收光的入射角仍然为0—60°（在亚利桑那州凤凰城）。因此，为了确定整个太阳能集热器在每年的电力输出量，我们必须先确定3M®光学薄膜的波长、角度和偏振分辨性能

实验珀金埃尔默公司生产的LAMBDA 950/1050紫外/可见/近红外分光光度计双单色仪、双光束仪器，装有150 mm积分球附件和。带特氟龙涂层的积分球配有光电倍增管探测器和铟镓砷探测器，故而能够在200—2500 nm范围内准确采集光谱。薄膜、基材或（比色皿内）液体的全反射率、全透射率、漫反射率以及漫透射率可通过将样本置于积分球的入口或出口处进行测定，在漫射测量时去除镜面反射口。如需更加具体分析任意入射角的反射和透射的角度依赖性，则可在大约10分钟之内将积分球附件换成自动反射/透射分析仪（ARTA）附件（见图3）。自动反射/透射分析仪也可采用光电倍增管与铟镓砷探测器的(60 mm)积分球，但将这种积分球安装在测角仪之上，使其可以环绕样品在水平面上实现340°旋转并在其宽度可调的口径范围内收集光线。样本可以是薄膜、基材或液体。样品置于在测角仪之上，可独立于探测器旋转，从而使用户能够选择任意入射角（相对固定光源）和探测角。自动反射/透射分析仪的控制集成于UV Winlab软件，客户能够制定自动运行表。在实验中，通过LAMBDA 950分光光度计采集3M®可见镜膜的全反射/透射光谱和角分辨反射/透射光谱。采集全反射光谱和全透射光谱时，将薄膜放置于150 mm积分球附件的入口（入射角为0°）或出口（入射角为8°）处，通过非偏振光采集250—2500 nm范围内的光谱。进行角分辨测量时，将薄膜安装于自动反射/透射分析仪附件的测角仪底座上，并在250—2500 nm范围内分开采集s-偏振光与p-偏振光的光谱（见图3）。在一些测量中，入射角的变化范围介于5—85 °之间，角度增量为5°。协调探测器的运动，从而探测器的位置总是收集镜面反射光束（角度增量为10°）。在其他实验中，入射角是固定的，而探测器环绕样本旋转一整圈（角度增量为1°）。在后续试验中，在探测器之前设置宽度可变的狭缝，以变改变测量的角度分辨率

结果采用自动反射/透射分析仪对3M®薄膜进行深入分析之前，可使用LAMBDA 950的积分球附件测量自支撑薄膜在名义垂直入射情况下的总（镜面＋散射）反射率与总（镜面＋散射）透射率。测量结果如图4所示，显示了3M®薄膜在大约750 nm处出现了从反射到透射的巨大改变，可见光反射率几乎100%，而红外透射率接近90%。3M公司基于已知厚度和各聚合物结构层的折射率建立3M®薄膜模型，而结果显示，模拟的光谱波长与实际测得的光谱波长之间的误差不超过2%。由于薄膜为表面粗糙度较低的平面，当入射角同为8°时，测得的镜面反射率应与图4所示的总反射率几乎一致。图5显示了镜面反射（取决于入射角和偏振角）的等高线图，而且正如预期的那样，x轴正上方的水平剖面图看起来就像图4的反射一样。注意：检测角（即，所述测量中镜面反射光束对应的检测角）总是入射角的2倍。就两种偏振而言，当入射角小于等于50°时，从反射向透射的转变十分突然，但只伴随轻微的蓝移现象。在预定的太阳能转换应用过程中，这将在一年内使耦合至曲面光伏模块和结点上太阳能集热器的光线比例发生改变——虽会造成不便，但经恰当工程调整后仍可容忍。然而，当入射角大于50°时，从反射向透射的转变因s-偏振光而减弱，薄膜开始失去其作为光谱分离器的作用。这导致的结果是光伏曲面镜在纬度高于|30°|地区的冬季和夏季运作情况较差。

确定自支撑薄膜的光学性能特性后，通过密封剂将薄膜样本与硅晶片和玻璃基材胶合成最终的曲面频谱分裂光伏模块。图6a展示的是3块胶合模块的图片，表明薄膜在胶合过程中可能保持平整或不同程度上变皱，这取决于胶合过程的细节和所使用的密封剂。如果曲面光伏模块将反射回的可见光集中在焦点上，那么薄膜必须保持平整，并与玻璃表面匹配。自动反射/透射分析仪的测角功能，加上探测器的可变接收角度光阑，可在透射或反射过程中快速测量散射光的角度分布。下一页的图6b-d显示了2块胶合模块（一块模板肉眼可见为平整，另一块模块看起来稍皱）和自支撑薄膜的相关数据。利用反射带中值600 nm光线照射所有样本；在反射开始的1100 nm处测量自支撑薄膜（不适用于胶合模块，因为硅晶片会吸收所述光线）。在实施测量的过程中，始终保持入射角为30°，同时保持探测器自动环绕样本旋转。即使当探测器孔径缩小使接收角度为5°时，自支撑薄膜和平面胶合模板的镜面反射角度也显示出了几乎一致的反射率，这也符合图5所列数据。即，所有光线的镜面反射角度都在2.5°半角锥以内。变皱样本在10°半角锥内能反射所有光线，但在

2.5°半角锥内只能反射89%的光线。样本的变皱明显降低了样本的镜面反射的方向性。散射光将不能到达曲面光伏模块的焦点，极大地减少了到达位于焦点处太阳能集热器的光能集中度。

结论我们通过配有自动反射/透射分析仪附件的LAMBDA 950分光光度计评估了3M®可见镜膜在新型曲面光伏模块领域的潜在应用。在应用过程中，3M®薄膜必须将可见光反射至模块焦点（在焦点处，可见光将被吸收，如用于驱动加热电机的的热吸收器），并同时将近红外光传送至底层的硅太阳能电池（在硅太阳能电池内，红外光将被直接转化成电能）。通过自动反射/透射分析仪进行的角分辨反射和透射测量显示：当入射角小于等于50°时，3M®自支撑薄膜是s-偏振光和p-偏振光的有效光学薄膜。当薄膜与所述模块曲面玻璃胶合时，为了保持薄膜效能，应将薄膜紧密贴合于玻璃之上（不得起皱）。利用带探测器的狭窄光阑自动反射/透射分析仪进行的测量能够表明所评估的胶合程序在多大程度上能产生预期结果。我们目前正在利用自动反射/透射分析仪生产的光谱预估在焦点采用热接收器的曲面模块的发电站的年度发电量，评估过程考虑到了太阳日常运动和年度运动，以及模块上入射角的相关变化。我们也在寻求能够反射可见光和红外线的光学滤光器（同时还可以透射近红外线），并使用积分球和自动反射/透射分析仪研究光学滤光器的性能。