簡介在光學行業和玻璃行業中，由介電材料制成的光學薄膜早已很常見。例如，高/低折射率層交替堆疊的光學薄膜可用于制造激光腔內的布拉格反射鏡，而氟化鎂層則可用于制造顯示屏的減反射膜。但在過去的二十年里，由于新材料的不斷應用，可用光學薄膜的范圍得到了顯著拓寬。光學薄膜不一定是平面的，也并不一定致密（導致光的散射），可能用于非常規角入射，（S偏振光與P偏振光表現不同）。太陽能行業中有幾個很好的例子：通過化學氣相沉積方法制備的氧化鋅薄膜可自然生成金字塔狀絨面結構。這種絨面結構已被運用于薄膜太陽能電池，可起到散射光線的作用。1 全息濾光片通過調制聚合物折射率，將太陽光譜在空間上分離成不同顏色的光束（很像棱鏡），根采用LAMBDA 950/1050紫外/可見/近紅外分光光度計與自動反射/透射分析儀（ARTA）附件的光學薄膜的全譜角分辨反射和透射應 用 文 章作者：據各個波長調諧的光伏電池可放置于這些焦點上，形成新型的多結太陽能電池。2 硅太陽能電池前端的硅納米柱“薄膜"的作用與米氏散射體相同，可減少反射，從而提高太陽能電池對太陽能的吸收率，適用于寬范圍的入射角和偏振角。3
對于所有光學薄膜而言，特別是那些在非常規角工作的光學薄膜，獲取波長、角度和偏振分辨反射與透射的特征是至關重要的。珀金埃爾默自動反射/透射分析儀（ARTA）是LAMBDA™ 950與LAMBDA 1050紫外/可見/近紅外分光光度計的即插即用附件。分光光度計通過測角儀旋轉樣品，改變其與光束之間的角度（改變入射角），并使用獨立旋轉的積分球探測器，改變其與樣本之間的角度（改變檢測角）。對于給定的入射角與探測角下，可以在250—2500nm波段內收集s偏振光和p偏振光的光譜。自動反射/透射分析儀（ARTA）可根據用戶測量列表自動執行測量，從而使用戶能夠高效地了解：“所有的入射光都去了哪里？"
我們研究了3M®高通光學薄膜（“可見光鏡膜"）的性能。4 3M公司經銷著很多的這些塑料薄膜。這些薄膜由成百厚度與折射率不一的透明聚合物層組成，能夠反射和透射部分的太陽光譜，從而實現各類實際用途，如低輻射性窗戶玻璃等。本文所選擇的可見光鏡膜可吸收紫外線(＜350 nm)，可反射可見光，又可透射紅外線（＞750nm）。我們有意將可見光鏡膜集成入圖2所示的曲面硅光伏模塊，這是因為硅太陽能電池能夠將帶隙（700—1100nm）附近的光轉化為電，轉化率超過40%。較短波長大多產生廢熱，且轉化率較低。在太陽能電池前端放置3M®薄膜之后，紅外線波長將轉化為電池，而用處不大的較短波長將被反射至另一依據可見光調諧的太陽能集熱器（光伏、熱或化學）所在焦點。雖然曲面光伏模塊安裝于追蹤太陽由東到西轉動的單軸跟蹤器之上，但3M®光學薄膜在一年內接收光的入射角仍然為0—60°（在亞利桑那州鳳凰城）。因此，為了確定整個太陽能集熱器在每年的電力輸出量，我們必須先確定3M®光學薄膜的波長、角度和偏振分辨性能
實驗珀金埃爾默公司生產的LAMBDA 950/1050紫外/可見/近紅外分光光度計雙單色儀、雙光束儀器，裝有150 mm積分球附件和。帶特氟龍涂層的積分球配有光電倍增管探測器和銦鎵砷探測器，故而能夠在200—2500 nm范圍內準確采集光譜。薄膜、基材或（比色皿內）液體的全反射率、全透射率、漫反射率以及漫透射率可通過將樣本置于積分球的入口或出口處進行測定，在漫射測量時去除鏡面反射口。如需更加具體分析任意入射角的反射和透射的角度依賴性，則可在大約10分鐘之內將積分球附件換成自動反射/透射分析儀（ARTA）附件（見圖3）。自動反射/透射分析儀也可采用光電倍增管與銦鎵砷探測器的(60 mm)積分球，但將這種積分球安裝在測角儀之上，使其可以環繞樣品在水平面上實現340°旋轉并在其寬度可調的口徑范圍內收集光線。樣本可以是薄膜、基材或液體。樣品置于在測角儀之上，可獨立于探測器旋轉，從而使用戶能夠選擇任意入射角（相對固定光源）和探測角。自動反射/透射分析儀的控制集成于UV Winlab軟件，客戶能夠制定自動運行表。在實驗中，通過LAMBDA 950分光光度計采集3M®可見鏡膜的全反射/透射光譜和角分辨反射/透射光譜。采集全反射光譜和全透射光譜時，將薄膜放置于150 mm積分球附件的入口（入射角為0°）或出口（入射角為8°）處，通過非偏振光采集250—2500 nm范圍內的光譜。進行角分辨測量時，將薄膜安裝于自動反射/透射分析儀附件的測角儀底座上，并在250—2500 nm范圍內分開采集s-偏振光與p-偏振光的光譜（見圖3）。在一些測量中，入射角的變化范圍介于5—85 °之間，角度增量為5°。協調探測器的運動，從而探測器的位置總是收集鏡面反射光束（角度增量為10°）。在其他實驗中，入射角是固定的，而探測器環繞樣本旋轉一整圈（角度增量為1°）。在后續試驗中，在探測器之前設置寬度可變的狹縫，以變改變測量的角度分辨率
結果采用自動反射/透射分析儀對3M®薄膜進行深入分析之前，可使用LAMBDA 950的積分球附件測量自支撐薄膜在名義垂直入射情況下的總（鏡面＋散射）反射率與總（鏡面＋散射）透射率。測量結果如圖4所示，顯示了3M®薄膜在大約750 nm處出現了從反射到透射的巨大改變，可見光反射率幾乎100%，而紅外透射率接近90%。3M公司基于已知厚度和各聚合物結構層的折射率建立3M®薄膜模型，而結果顯示，模擬的光譜波長與實際測得的光譜波長之間的誤差不超過2%。由于薄膜為表面粗糙度較低的平面，當入射角同為8°時，測得的鏡面反射率應與圖4所示的總反射率幾乎一致。圖5顯示了鏡面反射（取決于入射角和偏振角）的等高線圖，而且正如預期的那樣，x軸正上方的水平剖面圖看起來就像圖4的反射一樣。注意：檢測角（即，所述測量中鏡面反射光束對應的檢測角）總是入射角的2倍。就兩種偏振而言，當入射角小于等于50°時，從反射向透射的轉變十分突然，但只伴隨輕微的藍移現象。在預定的太陽能轉換應用過程中，這將在一年內使耦合至曲面光伏模塊和結點上太陽能集熱器的光線比例發生改變——雖會造成不便，但經恰當工程調整后仍可容忍。然而，當入射角大于50°時，從反射向透射的轉變因s-偏振光而減弱，薄膜開始失去其作為光譜分離器的作用。這導致的結果是光伏曲面鏡在緯度高于|30°|地區的冬季和夏季運作情況較差。
確定自支撐薄膜的光學性能特性后，通過密封劑將薄膜樣本與硅晶片和玻璃基材膠合成最終的曲面頻譜分裂光伏模塊。圖6a展示的是3塊膠合模塊的圖片，表明薄膜在膠合過程中可能保持平整或不同程度上變皺，這取決于膠合過程的細節和所使用的密封劑。如果曲面光伏模塊將反射回的可見光集中在焦點上，那么薄膜必須保持平整，并與玻璃表面匹配。自動反射/透射分析儀的測角功能，加上探測器的可變接收角度光闌，可在透射或反射過程中快速測量散射光的角度分布。下一頁的圖6b-d顯示了2塊膠合模塊（一塊模板肉眼可見為平整，另一塊模塊看起來稍皺）和自支撐薄膜的相關數據。利用反射帶中值600 nm光線照射所有樣本；在反射開始的1100 nm處測量自支撐薄膜（不適用于膠合模塊，因為硅晶片會吸收所述光線）。在實施測量的過程中，始終保持入射角為30°，同時保持探測器自動環繞樣本旋轉。即使當探測器孔徑縮小使接收角度為5°時，自支撐薄膜和平面膠合模板的鏡面反射角度也顯示出了幾乎一致的反射率，這也符合圖5所列數據。即，所有光線的鏡面反射角度都在2.5°半角錐以內。變皺樣本在10°半角錐內能反射所有光線，但在
2.5°半角錐內只能反射89%的光線。樣本的變皺明顯降低了樣本的鏡面反射的方向性。散射光將不能到達曲面光伏模塊的焦點，極大地減少了到達位于焦點處太陽能集熱器的光能集中度。
結論我們通過配有自動反射/透射分析儀附件的LAMBDA 950分光光度計評估了3M®可見鏡膜在新型曲面光伏模塊領域的潛在應用。在應用過程中，3M®薄膜必須將可見光反射至模塊焦點（在焦點處，可見光將被吸收，如用于驅動加熱電機的的熱吸收器），并同時將近紅外光傳送至底層的硅太陽能電池（在硅太陽能電池內，紅外光將被直接轉化成電能）。通過自動反射/透射分析儀進行的角分辨反射和透射測量顯示：當入射角小于等于50°時，3M®自支撐薄膜是s-偏振光和p-偏振光的有效光學薄膜。當薄膜與所述模塊曲面玻璃膠合時，為了保持薄膜效能，應將薄膜緊密貼合于玻璃之上（不得起皺）。利用帶探測器的狹窄光闌自動反射/透射分析儀進行的測量能夠表明所評估的膠合程序在多大程度上能產生預期結果。我們目前正在利用自動反射/透射分析儀生產的光譜預估在焦點采用熱接收器的曲面模塊的發電站的年度發電量，評估過程考慮到了太陽日常運動和年度運動，以及模塊上入射角的相關變化。我們也在尋求能夠反射可見光和紅外線的光學濾光器（同時還可以透射近紅外線），并使用積分球和自動反射/透射分析儀研究光學濾光器的性能。
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