太阳能行业使用材料的反射率测试方法

引言：材料的表面反射率是目前太阳能行业中最常关注的测试项目之一。这类测试所涉及到的样品种类繁多，包括金属反射涂层、半导体材料与涂层，以及防护玻璃上面的防反膜等。本研究报告将专注于反射率测量的问题。这类项目的测试光谱范围一般为300 nm到1500 nm，也就是太阳能电池所能吸收不同类型反射测试附件的特点与应用差异的太阳能量的范围。物质对光束的反射包括镜面反射和漫反射两种类型。本研究报告所讨论的主要是用于测量两种反射的仪器附件，以及用不同种类的附件采集数据的对比和差异。很多材料的反射同时包含了镜面反射和漫反射两种类型。这使得选择可以将光谱干扰降到低、获得准确的反射率数据的最佳反射附件变得比较困难。本研究报告的基本目的是为用户在不同镜面反射/漫反射样品测量附件的选择过程中提供指导。为此，本研究使用三种不同的反射附件分别测量了一些镜面反射和漫反射成分贡献不同的典型样品，并且对光谱测量结果进行了比较。

光滑的表面一般产生镜面反射（如图1-A所示）。入射光线的角度与反射光线的角度相同；因此，镜面反射材料通常可以在其表面产生图像（例如镜子）。镜面反射率可以用不同类型的镜面反射附件（例如VW型反射附件、VN型反射附件和通用反射附件）进行测量。粗糙的表面一般产生漫反射（如图1-B所示）。在这种情况下，单一角度的入射光线会产生多种角度的反射光线；因此漫反射材料不会在其表面产生图像。漫反射率可以用积分球进行测量，有小体积积分球（内部直径60 mm）和大体积积分球（内部直径150 mm）两种尺寸可选。

说明相对镜面反射附件——这类附件是简单、价格相对低的镜面反射附件。相对镜面反射附件须使用一个经过校正的参比镜子进行光谱背景测量。测试样品反射率时，需要根据参比镜子的已知反射率数值对样品光谱进行校正，以计算出样品的绝对反射率。绝对镜面反射附件——这类镜面反射附件进行绝对反射率测试时不需要使用参比镜子。此类附件的光学元件（镜子）可以移动，在测量背景和样品光谱时使用不同的光路。只要光学元件移动以后背景和样品测量时所使用的镜子相同的，总光程差保持不变，所测量得到的就是样品的绝对反射率。最常见的绝对镜面反射附件包括VW型反射附件、VN型反射附件和通用型反射附件（URA）。VN型反射附件（单次样品反射）和VW型反射附件（两次样品反射）是根据背景（V）和样品（N和W）测量模式的几何光路而命名。背景和样品测量模式切换过程中镜子的移动是手动操作的。URA是一种可变角度、单次样品反射的VN型附件，其中镜子的移动和入射角度的选择由软件控制电子步进马达自动调节。积分球——图2显示了积分球的常规光学设计。测试光线分别经过参比光路（M3和M4）和样品光路（M1和M2）中的光学元件，通过Spectralon积分球表面开口，进入球体内部的参比窗口和样品反射窗口。在积分球的内部，通过中心样品架窗口可以看到检测器挡板，此挡板可避免样品初次反射光或者透射光线直接进入检测器。在常规测试条件下，样品反射窗口和参比窗口分别被待测样品和Spectralon白板所覆盖。透射窗口和参比光束入口在反射测量过程中一般保持开放，样品的漫反射光线可以从这些区域离开积分球。

60 mm积分球——这是一种可以测量漫反射和总反射的低成本反射附件。该附件包含一个用高反射率Spectralon®高分子材料制成的直径为60 mm的中空球体，有两个窗口用于样品光束和参比光束的进入，还有另外两个窗口用于放置待测样品和参比材料。采集背景光谱时，两块Spectralon®白板分别放置于样品和参比窗口。Spectralon®材料的反射率超过99.0%，因此使用积分球测得的反射率可以被认为是非常接近绝对反射率。由于球体尺寸较小，该积分球的检测器前没有阻挡样品初次反射光线的挡板，因此容易产生一些光谱干扰。

150 mm积分球——该积分球与体积较小的60 mm积分球的工作原理基本一致。二者的主要区别在于150 mm积分球具有较大的球体直径，而且在内部检测器前面安装了具有Spectralon®涂层的挡板。较大的球体尺寸使得该积分球的样品和参比光束窗口面积与总球体面积的比例低于60 mm积分球。挡板避免了样品初次反射光线进入检测器。150 mm积分球是业界标准色度分析推荐使用的积分球。该积分球的设计严格遵守色度测试的管理规范，确保不同厂家制造的积分球测量结果的一致性。该积分球的设计同时可以消除或者降低非规范性小积分球中可能出现的一些光谱干扰。

实验本研究使用代表了太阳能行业典型材料的4个样品对不同反射测量附件进行评价。样品1是镜面反射成分很少的漫反射材料，样品2是反射强度较低的镜面涂层，样品3是中等反射强度的镜面涂层，样品4是反射强度较高的镜面半导体材料。每个样品都分别使用60 mm积分球、150 mm积分球和通用反射附件（URA）进行测量。所有积分球测量均在总反射模式下进行，8度入射角。URA测量入射角也为8度。其他所有参数都保持一致。结果和讨论积分球的两个基本参数直接关系到其测量结果的光度准确度。这两个参数就是球体尺寸（直径）和避免样品初次反射光线进入检测器的挡板存在与否。光谱干扰和误差的性质与样品反射强度和类型（镜面反射或者漫反射）有关。图3显示了用两种尺寸的积分球测量的样品1（镜面反射成分很少的漫反射材料）的光谱。这两张光谱的形状比较相似，但是强度上有所差别。为什么用不同尺寸积分球测量的光谱有所差异？所有积分球都必需具有让仪器光束进入的窗口。样品反射的光线有可能从这些窗口逃离，因而无法被测量到。积分球尺寸越大，窗口面积与总球体面积的比例越低。150 mm积分球测量的光谱强度更高，因为该积分球的窗口面积比例低于60 mm积分球。因此更多的样品漫反射光线可以被收集起来。那么哪一张光谱是正确的？技术上来说，两张都不是绝对正确的。但是，相比于60 mm积分球，150 mm积分球的测量结果与样品的绝对漫反射率更加接近（百分比反射率误差不超过1~2%）。

使用积分球测量漫反射成分极少或者没有的镜面反射样品会得到什么样的结果哪？为了回答这个问题，我们需要了解光线在积分球内部经历了什么。图4A显示了样品漫反射和镜面反射光线是如何进入积分球的。漫反射光线可以照射到积分球内部的整个区域。镜面反射光线只会到达透射窗口附近沿积分球中线的一个区域。通过插入积分球内部的网络摄像头获得的该区域的照片如图4B、4C和4D所示。图4B中的照片显示了一个100%漫反射样品的反射光线对积分球内部的均匀照明。但是，将一个镜面反射样品放置在样品窗口时，积分球内壁上会形成一个“热点区域”。图4C和4D分别显示了样品镜面反射率为10%R和90%R时的热点区域的照片。注意，积分球内壁的辐照强度很低，而且

结论为了获得准确、没有干扰的数据，镜面反射非常强或者是镜面反射的样品需要使用URA、VN或者VW等绝对镜面反射率附件进行测量。积分球只能提供近似的镜面反射数据，误差大小与样品性质及其反射强度有关。在太阳能行业中，必需对镜面反射较强的样品进行总反射率测试。在这些情况中，积分球可以为漫反射样品或者漫反射与镜面反射都具备的样品提供尚可接受的光谱。此外，绝大部分积分球都具备单独测量漫反射或者总反射（漫反射加镜面反射）的能力。在只测量漫反射时，积分球光路可以让镜面反射光线从开放窗口离开球体内部。但是将样品的总反射光谱与漫反射光谱相减是不可能得到绝对镜面反射光谱的。因为让镜面反射光线得以离开积分球的开放窗口也会让一小部分漫反射光线逃离，总反射光谱与漫反射光谱相减所得到的反射光谱是不正确的，反射率会高于预期值。漫反射测量模式的基本目的是消除漫反射样品测试中的镜面反射成分。颜色分析所使用的150 mm积分球是唯yi可以用不同仪器/积分球模块获得同样准确、可以相互比较的测量结果的标准积分球。60 mm积分球的窗口面积比例较大，而且检测器缺乏挡板保护，因此测量结果的反射率偏低，而且光谱中存在突变干扰。太阳能行业的一些材料具有很强的镜面反射，但是也含有少量的漫反射成分，这使得用绝对镜面反射率附件对样品进行测量成为一个问题。对于这种类型的样品，可以通过如下步骤使用150 mm积分球来测量。进行背景校正时，在样品窗口放置一面经过校正的前表面铝镜，而不是使用Spectralon®白板。使用该参比铝镜的测量结果对样品原始光谱进行数学校正（UV/WinLab™软件的%RC模式可以自动进行这种校正计算），以获得样品的绝对反射率。铝镜可以复制镜面反射样品的热点区域，从而消除热点产生的光谱干扰，获得可以接受的绝对反射率数据。如果样品与参比铝镜的反射率比较接近，可以获得最佳的测试结果。