前言：由絕緣材料組成的光學(xué)鍍膜材料在光學(xué)和玻璃行業(yè)中早已屢見不鮮。例如，在激光腔中由高和低折射率的片層交替堆棧形成布拉格鏡，氟化鎂在顯示屏上用作防反涂層。然而，在過去的二十年中，由于出現(xiàn)的新材料滿足了新應(yīng)用的要求，光學(xué)涂層的可用范圍已被廣泛地?cái)U(kuò)展。這些涂層不一定是全致密的平面——導(dǎo)致光散射——并且它們可以被設(shè)計(jì)成非垂直入射條件下的功能性涂層。在這種情況下S和P偏振光具有不同的光學(xué)行為。太陽能工業(yè)提供了一些很好的例子：由化學(xué)氣相沉降法而自然形成的金字塔形表面質(zhì)地的氧化鋅涂層已在薄膜太陽能電池領(lǐng)域被用于散射太陽光。由一種高分子材料折光系數(shù)而成圖的全息濾光鏡將太陽光在空間上分成不同顏色的色帶（相棱鏡一樣），并且光伏電池被調(diào)到每個(gè)波長(zhǎng)的焦距處而形成一種新型的多結(jié)太陽能電池。位于硅太陽能電池前部的納米圓柱形硅涂層起米氏散射的作用，因此增加了在更寬入射角范圍和偏振情況下光被太陽能電池的吸收。對(duì)于所有的光學(xué)涂層——特別是那些非垂直角度接收陽光或者陽光入射的涂層，表征波長(zhǎng)、角度和偏振測(cè)定的反射和入射就尤為關(guān)鍵。PerkinElmer公司的自動(dòng)化反射/透射分析模塊為L(zhǎng)AMBDA 950和LAMBDA 1050紫外/可見/近紅外光譜儀的插入式附件，其用一個(gè)測(cè)角儀來將樣品相對(duì)于入射光（不同入射角）的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并且相對(duì)于樣品位置（不同檢測(cè)角）獨(dú)立旋轉(zhuǎn)積分球檢測(cè)器。對(duì)于任何入射角/配對(duì)的檢測(cè)角，S和P偏振光的譜圖都能在250-2500 nm的范圍內(nèi)被測(cè)定。
ARTA自動(dòng)運(yùn)行用戶這些測(cè)量任務(wù)表，允許用戶有效地回答這個(gè)問題：“所有的入射光都去了哪兒？"
在此應(yīng)用中，我們研究了由3M®制造的長(zhǎng)通光學(xué)薄膜（“可見光鏡面膜"）的性能。3M®推出了各式各樣的這些類的塑料薄膜。這些產(chǎn)品由數(shù)百層不同厚度和折射率的高分子材料組成，共同反射和透射諸如低發(fā)射窗戶玻璃這些特定部件的太陽光譜。本研究選用的可見光鏡膜吸收紫外光（<350 nm），反射可見光并透過紅外光（>750 nm）。我們對(duì)如圖2所示集成到曲面形硅光伏組件中的這類薄膜很感興趣，因?yàn)檫@種硅太陽能電池以40%的效率將其帶隙（700-1100nm）波長(zhǎng)附近的光轉(zhuǎn)換為電，但是更短波長(zhǎng)的部分大部分生成無用的熱并以低得多的效率轉(zhuǎn)換為電。通過將3M®薄膜放置于太陽能電池的前面，紅外波長(zhǎng)部分的光將被透射進(jìn)電池中，而利用率極低的短波長(zhǎng)部分將被安放有另外一個(gè)太陽能收集器（光伏、熱或者化學(xué)收集器）的聚焦位置，該位置通過可見光來進(jìn)行調(diào)整。凹面光伏模塊專為安放在一個(gè)單軸跟蹤器上，其隨太陽而自西向東運(yùn)動(dòng)，但是3M®光學(xué)薄膜在一年過程中都可以以0-60?的入射角接收太陽光（在亞利桑那州的鳳凰城）。因此，為了得到整個(gè)太陽能收集器的年功率輸出量，我們必須首先表征3M®光學(xué)薄膜的波長(zhǎng)、角度、偏振分辨性能。
實(shí)驗(yàn)部分PerkinElmer公司的LAMBDA 950/1050紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)為配備可選150 mm積分球的雙光路、雙分束器儀器。Spectralon涂層積分球包含硅和InGaAs檢測(cè)器，以便從200-2500 nm的范圍內(nèi)譜圖能被精確采集。通過將樣品固定在積分球的入口或者出口、漫射測(cè)量時(shí)移除掉鏡反射口，薄膜、基材或者液體（裝在比色皿中）的總反射、總透射、漫反射和漫透射都可被進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于任意入射角的反射和透射的角度依賴性的更詳細(xì)分析，積分球附件可在大約10分鐘的時(shí)間內(nèi)被ARTA附件（圖3所示）所更替。ARTA也采用了一個(gè)配備PMT和InGaAs檢測(cè)器的積分球（60 mm），但是這個(gè)積分球被固定在測(cè)角儀上，使其能在水平面上圍繞樣品旋轉(zhuǎn)340?以收集進(jìn)入其寬度可調(diào)的狹縫內(nèi)的光。又可能為薄膜、基材和液體的樣品也被固定在測(cè)角儀上并且可以獨(dú)立于檢測(cè)器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)——以便用戶能選擇任意的入射角（相對(duì)于固定的光源）和檢測(cè)器。ARTA的控制部分集成到UV Winlab軟件中以方便用戶用于自動(dòng)執(zhí)行的運(yùn)行表。在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)中，3M®可見光鏡膜的總和角度分辨反射和透射譜由LAMBDA 950分光光度計(jì)所采集。為了測(cè)定總反射和透射譜，薄膜被放置在150 mm積分球附件的入口（0?入射角）或者出口（8?入射角），并且譜圖在250-2500 nm的范圍內(nèi)用非偏振光進(jìn)行采集。進(jìn)行角度分辨測(cè)量時(shí)，薄膜被固定在ARTA附件的測(cè)角儀支架上，并且譜圖在250-2500 nm的范圍內(nèi)分別用s-和p-偏振光進(jìn)行采集（圖3所示）。在一些測(cè)量中，入射角在5-85?之間以5?的步長(zhǎng)進(jìn)行變化，并且檢測(cè)器的移動(dòng)被進(jìn)行了整合以便檢測(cè)器位置總是與鏡反射光束（10?步長(zhǎng)）協(xié)調(diào)一致。在其它測(cè)量中，當(dāng)檢測(cè)器圍繞樣品以1?的步長(zhǎng)掃描一整圈時(shí)樣品入射光的角度都固定不變。隨后的實(shí)驗(yàn)將不同寬度的狹縫置于檢測(cè)器的前面來進(jìn)行以便改變測(cè)量的角度分辨率。
結(jié)果在采用ARTA附件對(duì)3M®薄膜進(jìn)行深入分析前，無支撐薄膜在名義垂直入射情況下的總（鏡+漫）反射和透射也被用LAMBDA950的積分球附件進(jìn)行了測(cè)量。如圖4所示的結(jié)果表明薄膜在750 nm附近具有預(yù)期的突變，在此處具有將近100%的可見光反射率和約90%的紅外光透射率。這種同樣的薄膜由3M®用已知厚度和折射率的高分子層模塑制得，并且在大部分波長(zhǎng)位置模擬譜圖對(duì)測(cè)量譜圖的匹配度在2%以內(nèi)。
當(dāng)薄膜為具有低表面粗糙度的平面時(shí)，圖4中的總反射圖應(yīng)該和用ARTA附件在8?入射角下測(cè)量的鏡面反射譜基本一致。依據(jù)入射角和偏振光來分解的鏡面反射以等高線圖顯示于圖5中。跟預(yù)期的一樣，在x軸以上提取的一張水平曲線跟圖4中的反射曲線看起來一樣。需要注意的是檢測(cè)角始終是入射角的兩倍——也就是說，對(duì)于這些測(cè)試檢測(cè)角和鏡反射光束相關(guān)聯(lián)。對(duì)于所有的偏振情況，直至50?的范圍內(nèi)反射到透射的轉(zhuǎn)變都很急劇，但是有輕微的藍(lán)移。在預(yù)期的太陽能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，這會(huì)在整個(gè)一年的過程中對(duì)進(jìn)入到曲面型光電模塊中和位于其焦點(diǎn)位置的太陽能收集器中光的份數(shù)有影響——雖不便利但通過適當(dāng)?shù)墓こ淘O(shè)計(jì)以后還可以接受的。然而，對(duì)于入射角在約50?以上的情況，s偏振光的轉(zhuǎn)換終止并且薄膜開始失去對(duì)光譜的分光功能。這種情況的一個(gè)明顯后果就是在冬天或者緯度高于30?的區(qū)域的夏季月份，曲面型光電鏡片的工作效率都很低。
在無支撐薄膜的光學(xué)性能被表征后，薄膜樣品被用不同的封裝劑層壓到硅片和玻璃基材之間以靠近曲面型頻譜分裂光電模塊成品。圖6a為三種此類層壓品的照片，其表明薄膜或者保持平坦或者在層壓過程中產(chǎn)生不同程度的褶皺，這取決于加工細(xì)節(jié)和所用的塑封劑。如果曲面型光電模塊將反射的可見光聚焦到其焦點(diǎn)上，薄膜一定保持平坦?fàn)畈⑶遗c玻璃表面共形。通過ARTA的測(cè)角性能及配合具有不同接受角的檢測(cè)器狹縫，散射光的角度分布函數(shù)可以以透射和反射的方式被快速測(cè)量出來。下一頁中所示的圖6b-d顯示了另外兩種層壓材料在無支撐情況下的測(cè)試數(shù)據(jù)——一種為可見光平層，而另一種為輕微褶皺的可見光層狀材料。位于反射帶中間部分的600nm波長(zhǎng)的光用于所有樣品的測(cè)試。無支撐薄膜也在1100nm波長(zhǎng)處進(jìn)行了透射測(cè)試以用于參考（該波長(zhǎng)不可能用于層壓材料，因?yàn)楣杵沾瞬ㄩL(zhǎng)的光）。為了進(jìn)行這些測(cè)試，當(dāng)檢測(cè)器自動(dòng)圍繞樣品做圓形運(yùn)動(dòng)時(shí)，入射角保持30?不變。即使當(dāng)檢測(cè)器狹縫關(guān)閉到5?的接受角，無支撐薄膜和平坦層壓材料在一定的反射角下也和圖5一樣表現(xiàn)出近乎相近的反射性能。也就是說，所有的光被反射到一個(gè)以反射角為中心的2.5?半角錐形范圍內(nèi)。褶皺樣品也在10?半角錐形范圍內(nèi)反射所有的光，但是僅有89%在光位于2.5?半角錐形范圍內(nèi)。褶皺部分明顯降低了鏡面反射部分的光。被散射的光將不會(huì)匯聚到曲面型光電模塊的焦點(diǎn)，本質(zhì)上減少了位于該位置的太陽能收集器的光強(qiáng)度。
結(jié)論我們用配備ARTA附件的LAMBDA950分光光度計(jì)評(píng)估了一種3M®可見光鏡膜在新型曲面型光電模塊中的潛在用途。在此應(yīng)用中，3M®薄膜必須透射近紅外光子到底層的硅太陽能電池上（它們?cè)诖宋恢弥苯颖晦D(zhuǎn)換成電能），同時(shí)反射可見光子到在該位置其可能能被吸收的模塊的焦點(diǎn)上，例如一種與波長(zhǎng)無關(guān)的熱吸收體用于驅(qū)動(dòng)熱引擎。用ARTA附件進(jìn)行的角度分辨反射和透射測(cè)量表明入射角上升到約50?時(shí)，3M®薄膜對(duì)s和p偏振光都是一種有效的光學(xué)濾波器。當(dāng)薄膜被層壓到所用模塊的曲面玻璃上時(shí)，為了維持其性能，薄膜必須被緊貼到玻璃上（沒有褶皺），并且配備一個(gè)窄檢測(cè)器狹縫的ARTA測(cè)量結(jié)果揭示了每一個(gè)層壓過程所生成產(chǎn)品的匹配度。在考慮太陽的日常和年度運(yùn)行情況以及由此造成的太陽光在光電模塊上入射角的變化，我們當(dāng)前用ARTA采集的光譜來評(píng)估采用了這種在其焦點(diǎn)處配置有熱接收器的曲面型光電模塊的發(fā)電站的年電輸出量。我們也正在繼續(xù)研究同時(shí)反射可見和紅外光的濾光片（在透過近紅外光的同時(shí)），并且其性能采用積分球和ARTA附件進(jìn)行研究
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