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引言：材料的表面反射率是目前太陽能行業(yè)中最常關(guān)注的測試項目之一。這類測試所涉及到的樣品種類繁多，包括金屬反射涂層、半導(dǎo)體材料與涂層，以及防護(hù)玻璃上面的防反膜等。本研究報告將專注于反射率測量的問題。這類項目的測試光譜范圍一般為300 nm到1500 nm，也就是太陽能電池所能吸收不同類型反射測試附件的特點與應(yīng)用差異的太陽能量的范圍。物質(zhì)對光束的反射包括鏡面反射和漫反射兩種類型。本研究報告所討論的主要是用于測量兩種反射的儀器附件，以及用不同種類的附件采集數(shù)據(jù)的對比和差異。很多材料的反射同時包含了鏡面反射和漫反射兩種類型。這使得選擇可以將光譜干擾降到低、獲得準(zhǔn)確的反射率數(shù)據(jù)的最佳反射附件變得比較困難。本研究報告的基本目的是為用戶在不同鏡面反射/漫反射樣品測量附件的選擇過程中提供指導(dǎo)。為此，本研究使用三種不同的反射附件分別測量了一些鏡面反射和漫反射成分貢獻(xiàn)不同的典型樣品，并且對光譜測量結(jié)果進(jìn)行了比較。

光滑的表面一般產(chǎn)生鏡面反射（如圖1-A所示）。入射光線的角度與反射光線的角度相同；因此，鏡面反射材料通常可以在其表面產(chǎn)生圖像（例如鏡子）。鏡面反射率可以用不同類型的鏡面反射附件（例如VW型反射附件、VN型反射附件和通用反射附件）進(jìn)行測量。粗糙的表面一般產(chǎn)生漫反射（如圖1-B所示）。在這種情況下，單一角度的入射光線會產(chǎn)生多種角度的反射光線；因此漫反射材料不會在其表面產(chǎn)生圖像。漫反射率可以用積分球進(jìn)行測量，有小體積積分球（內(nèi)部直徑60 mm）和大體積積分球（內(nèi)部直徑150 mm）兩種尺寸可選。

說明相對鏡面反射附件——這類附件是簡單、價格相對低的鏡面反射附件。相對鏡面反射附件須使用一個經(jīng)過校正的參比鏡子進(jìn)行光譜背景測量。測試樣品反射率時，需要根據(jù)參比鏡子的已知反射率數(shù)值對樣品光譜進(jìn)行校正，以計算出樣品的絕對反射率。絕對鏡面反射附件——這類鏡面反射附件進(jìn)行絕對反射率測試時不需要使用參比鏡子。此類附件的光學(xué)元件（鏡子）可以移動，在測量背景和樣品光譜時使用不同的光路。只要光學(xué)元件移動以后背景和樣品測量時所使用的鏡子相同的，總光程差保持不變，所測量得到的就是樣品的絕對反射率。最常見的絕對鏡面反射附件包括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（單次樣品反射）和VW型反射附件（兩次樣品反射）是根據(jù)背景（V）和樣品（N和W）測量模式的幾何光路而命名。背景和樣品測量模式切換過程中鏡子的移動是手動操作的。URA是一種可變角度、單次樣品反射的VN型附件，其中鏡子的移動和入射角度的選擇由軟件控制電子步進(jìn)馬達(dá)自動調(diào)節(jié)。積分球——圖2顯示了積分球的常規(guī)光學(xué)設(shè)計。測試光線分別經(jīng)過參比光路（M3和M4）和樣品光路（M1和M2）中的光學(xué)元件，通過Spectralon積分球表面開口，進(jìn)入球體內(nèi)部的參比窗口和樣品反射窗口。在積分球的內(nèi)部，通過中心樣品架窗口可以看到檢測器擋板，此擋板可避免樣品初次反射光或者透射光線直接進(jìn)入檢測器。在常規(guī)測試條件下，樣品反射窗口和參比窗口分別被待測樣品和Spectralon白板所覆蓋。透射窗口和參比光束入口在反射測量過程中一般保持開放，樣品的漫反射光線可以從這些區(qū)域離開積分球。

60 mm積分球——這是一種可以測量漫反射和總反射的低成本反射附件。該附件包含一個用高反射率Spectralon®高分子材料制成的直徑為60 mm的中空球體，有兩個窗口用于樣品光束和參比光束的進(jìn)入，還有另外兩個窗口用于放置待測樣品和參比材料。采集背景光譜時，兩塊Spectralon®白板分別放置于樣品和參比窗口。Spectralon®材料的反射率超過99.0%，因此使用積分球測得的反射率可以被認(rèn)為是非常接近絕對反射率。由于球體尺寸較小，該積分球的檢測器前沒有阻擋樣品初次反射光線的擋板，因此容易產(chǎn)生一些光譜干擾。

150 mm積分球——該積分球與體積較小的60 mm積分球的工作原理基本一致。二者的主要區(qū)別在于150 mm積分球具有較大的球體直徑，而且在內(nèi)部檢測器前面安裝了具有Spectralon®涂層的擋板。較大的球體尺寸使得該積分球的樣品和參比光束窗口面積與總球體面積的比例低于60 mm積分球。擋板避免了樣品初次反射光線進(jìn)入檢測器。150 mm積分球是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)色度分析推薦使用的積分球。該積分球的設(shè)計嚴(yán)格遵守色度測試的管理規(guī)范，確保不同廠家制造的積分球測量結(jié)果的一致性。該積分球的設(shè)計同時可以消除或者降低非規(guī)范性小積分球中可能出現(xiàn)的一些光譜干擾。

實驗本研究使用代表了太陽能行業(yè)典型材料的4個樣品對不同反射測量附件進(jìn)行評價。樣品1是鏡面反射成分很少的漫反射材料，樣品2是反射強度較低的鏡面涂層，樣品3是中等反射強度的鏡面涂層，樣品4是反射強度較高的鏡面半導(dǎo)體材料。每個樣品都分別使用60 mm積分球、150 mm積分球和通用反射附件（URA）進(jìn)行測量。所有積分球測量均在總反射模式下進(jìn)行，8度入射角。URA測量入射角也為8度。其他所有參數(shù)都保持一致。結(jié)果和討論積分球的兩個基本參數(shù)直接關(guān)系到其測量結(jié)果的光度準(zhǔn)確度。這兩個參數(shù)就是球體尺寸（直徑）和避免樣品初次反射光線進(jìn)入檢測器的擋板存在與否。光譜干擾和誤差的性質(zhì)與樣品反射強度和類型（鏡面反射或者漫反射）有關(guān)。圖3顯示了用兩種尺寸的積分球測量的樣品1（鏡面反射成分很少的漫反射材料）的光譜。這兩張光譜的形狀比較相似，但是強度上有所差別。為什么用不同尺寸積分球測量的光譜有所差異？所有積分球都必需具有讓儀器光束進(jìn)入的窗口。樣品反射的光線有可能從這些窗口逃離，因而無法被測量到。積分球尺寸越大，窗口面積與總球體面積的比例越低。150 mm積分球測量的光譜強度更高，因為該積分球的窗口面積比例低于60 mm積分球。因此更多的樣品漫反射光線可以被收集起來。那么哪一張光譜是正確的？技術(shù)上來說，兩張都不是絕對正確的。但是，相比于60 mm積分球，150 mm積分球的測量結(jié)果與樣品的絕對漫反射率更加接近（百分比反射率誤差不超過1~2%）。

使用積分球測量漫反射成分極少或者沒有的鏡面反射樣品會得到什么樣的結(jié)果哪？為了回答這個問題，我們需要了解光線在積分球內(nèi)部經(jīng)歷了什么。圖4A顯示了樣品漫反射和鏡面反射光線是如何進(jìn)入積分球的。漫反射光線可以照射到積分球內(nèi)部的整個區(qū)域。鏡面反射光線只會到達(dá)透射窗口附近沿積分球中線的一個區(qū)域。通過插入積分球內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲得的該區(qū)域的照片如圖4B、4C和4D所示。圖4B中的照片顯示了一個100%漫反射樣品的反射光線對積分球內(nèi)部的均勻照明。但是，將一個鏡面反射樣品放置在樣品窗口時，積分球內(nèi)壁上會形成一個“熱點區(qū)域"。圖4C和4D分別顯示了樣品鏡面反射率為10%R和90%R時的熱點區(qū)域的照片。注意，積分球內(nèi)壁的輻照強度很低，而且

結(jié)論為了獲得準(zhǔn)確、沒有干擾的數(shù)據(jù)，鏡面反射非常強或者是鏡面反射的樣品需要使用URA、VN或者VW等絕對鏡面反射率附件進(jìn)行測量。積分球只能提供近似的鏡面反射數(shù)據(jù)，誤差大小與樣品性質(zhì)及其反射強度有關(guān)。在太陽能行業(yè)中，必需對鏡面反射較強的樣品進(jìn)行總反射率測試。在這些情況中，積分球可以為漫反射樣品或者漫反射與鏡面反射都具備的樣品提供尚可接受的光譜。此外，絕大部分積分球都具備單獨測量漫反射或者總反射（漫反射加鏡面反射）的能力。在只測量漫反射時，積分球光路可以讓鏡面反射光線從開放窗口離開球體內(nèi)部。但是將樣品的總反射光譜與漫反射光譜相減是不可能得到絕對鏡面反射光譜的。因為讓鏡面反射光線得以離開積分球的開放窗口也會讓一小部分漫反射光線逃離，總反射光譜與漫反射光譜相減所得到的反射光譜是不正確的，反射率會高于預(yù)期值。漫反射測量模式的基本目的是消除漫反射樣品測試中的鏡面反射成分。顏色分析所使用的150 mm積分球是唯yi可以用不同儀器/積分球模塊獲得同樣準(zhǔn)確、可以相互比較的測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)積分球。60 mm積分球的窗口面積比例較大，而且檢測器缺乏擋板保護(hù)，因此測量結(jié)果的反射率偏低，而且光譜中存在突變干擾。太陽能行業(yè)的一些材料具有很強的鏡面反射，但是也含有少量的漫反射成分，這使得用絕對鏡面反射率附件對樣品進(jìn)行測量成為一個問題。對于這種類型的樣品，可以通過如下步驟使用150 mm積分球來測量。進(jìn)行背景校正時，在樣品窗口放置一面經(jīng)過校正的前表面鋁鏡，而不是使用Spectralon®白板。使用該參比鋁鏡的測量結(jié)果對樣品原始光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)校正（UV/WinLab™軟件的%RC模式可以自動進(jìn)行這種校正計算），以獲得樣品的絕對反射率。鋁鏡可以復(fù)制鏡面反射樣品的熱點區(qū)域，從而消除熱點產(chǎn)生的光譜干擾，獲得可以接受的絕對反射率數(shù)據(jù)。如果樣品與參比鋁鏡的反射率比較接近，可以獲得最佳的測試結(jié)果。