激光輻照對多晶硅太陽能電池散射光譜的影響

吳強(qiáng)+++李星辰+++孫鵬飛+++辛敏思

摘 要：文章基于BRDF理論，測量了多晶硅太陽能電池在氙燈光源照射下的散射光譜，并用納秒激光器對太陽能電池進(jìn)行了損傷，對比分析了激光損傷前后多晶硅太陽能電池散射光譜特性的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：損傷前后的材料光譜BRDF線型一致，但損傷后的材料光譜BRDF線型波動很大，為了論證材料反射率對光譜的影響，通過分光光度計對多晶硅太陽能電池進(jìn)行了測量，得到了多晶硅太陽能電池?fù)p傷前后的材料反射率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，材料的損傷后表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，改變了材料的反射率，導(dǎo)致材料的光譜強(qiáng)度發(fā)生了變化。

關(guān)鍵詞：雙向反射分布函數(shù)；多晶硅太陽能電池；激光損傷；光譜

雙向反射分布函數(shù)（BRDF）有效地描述了目標(biāo)表面與環(huán)境背景的空間反射特性和光譜特性，其定義是由 Nicodemus 于 1970 年正式提出[1]。隨著科技的發(fā)展和對BRDF的深入研究，雙向反射分布函數(shù)的理論及應(yīng)用在各個研究領(lǐng)域都占有很大的比重。例如地物遙感、航空、航天等領(lǐng)域[2]。這說明，光譜探測，尤其是BRDF領(lǐng)域的研究具有很重要意義，不僅具有廣泛性，在很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值，研究結(jié)果可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域的檢測以及分析，促使BRDF領(lǐng)域的研究得到越來越多的學(xué)者的認(rèn)可，并取得了快速的發(fā)展和突破。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：主要裝置為太陽模擬器，五維旋轉(zhuǎn)臺，探測器，光纖，QE65Pro海洋光譜儀，計算機(jī)。實(shí)驗(yàn)前需要確定樣品姿態(tài)、探測距離、探測角度以及自動采集系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)，確定無誤后對樣品全空間范圍內(nèi)的散射光譜進(jìn)行采集并記錄。

為了保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性，材料散射光譜測量完成后即開始激光輻照實(shí)驗(yàn)。通過Nd3+：YAG固體脈沖調(diào)Q激光器，在800V 電壓10ns脈寬下輻照硅太陽能電池板。 將輻照后的太陽能電池再次進(jìn)行光譜采集實(shí)驗(yàn)，探測的角度及范圍，與之前一致，將輻照前的散射光譜數(shù)據(jù)與輻照后的散射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

2 測量方法

本文采用單一比較測量法[3]測量目標(biāo)樣片表面的雙向反射分布函數(shù)。實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)參考板是用聚四氟乙烯（F4）粉壓制的白板，其半球反射率為？籽（？姿），用于光譜 BRDF 測量的公式為：以聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)白板作為參考板，？籽（？姿）是標(biāo)準(zhǔn)白板的半球反射率，可通過計量定標(biāo)或者用分光光度計加積分球附件測量獲得.用于光譜BRDF測量的公式為：

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取入射角10°方位角0°時損傷前后的單幀光譜（圖2）?？梢钥吹綋p傷前的光譜在出現(xiàn)最高值時曲線開始緩慢下降而損傷后的光譜曲線是呈現(xiàn)一個平緩的上升趨勢，一直到590nm處才開始下降，而在580～800nm波段內(nèi)光譜線型并沒發(fā)生變化，只是光譜強(qiáng)度發(fā)生了改變，說明損傷后的材料吸收率明顯的降低，導(dǎo)致光譜曲線強(qiáng)于損傷前的光譜。

4 BRDF數(shù)據(jù)分析

光譜對于表面結(jié)構(gòu)的分析僅限于強(qiáng)度分析，為了更好反映表面結(jié)構(gòu)對材料本身光學(xué)特性的改變，所以本文進(jìn)一步處理。

利用BRDF對多晶硅太陽能電池進(jìn)行表征。圖3為入射角10°的損傷前后的光譜BRDF。多晶硅太陽能電池的損傷前后變化很明顯，從圖中可以看出多晶硅太陽能電池的光譜在400～530nm范圍內(nèi)，材料損傷后的光譜BRDF會低于損傷前的BRDF，這是因?yàn)閾p傷后的原始光譜同樣弱與損傷前的原始光譜，因?yàn)椴牧蠐p傷后表面遭到了破壞，材料表面變得凹凸不均，導(dǎo)致材料由之前的鏡反射變成了漫反射。

為了驗(yàn)證兩種材料的散射光譜變化與材料的反射率是否存在直接關(guān)系，用分光光度計測量了兩種太陽能電池?fù)p傷前后的反射率。如圖4所示，截取400～800nm有效波段，從圖中可以直觀看出損傷后的太陽能電池反射率明顯弱于損傷前，黑色曲線在400～550nm處下降幅度很大，而550nm之后反射率又呈緩慢的上升趨勢，相對于損傷前的材料反射率，損傷后的反射率隨波長的變化并不大。也就是說激光輻照太陽能電池導(dǎo)致材料的反射率發(fā)生了變化，因此改變了材料的光譜強(qiáng)度。

5 結(jié)束語

本文給出了多晶硅太陽能電池?fù)p傷前后的光譜對比可以直觀的看到材料的光譜強(qiáng)度變化，經(jīng)過激光輻照之后使得材料表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，導(dǎo)致光譜強(qiáng)度發(fā)生了變化。又通過測量材料的反射率來證實(shí)材料光譜的變化，結(jié)果證明損傷后的材料反射率明顯低于損傷前的材料反射率，可以得到材料的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是導(dǎo)致材料反射率發(fā)生了改變的原因，使材料由原來的鏡反射變成了漫反射。太陽能電池是一種吸收光強(qiáng)效率很高的材料，經(jīng)過輻照的太陽能電池表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，同時也降低了材料的吸收系數(shù)，使吸收率降低。從根本上改變了材料的光譜。

參考文獻(xiàn)

[1]Nicodemus F E.Refelectance Nomenclature and directional Reflect

ance and Emissivity， Applied Optics，1970，9（6）：1474-1475.

[2]潘永強(qiáng)，吳振森，杭凌俠.光學(xué)薄膜界面粗糙度互相關(guān)特性與光散射[J].中國激光.2008，35（6）：916-919.

[3]王明軍，董雁冰，吳振森，等.粗糙表面光散射特性研究與光學(xué)常數(shù)反演[J].紅外與激光工程，2004，05：549-552.

作者簡介：吳強(qiáng)（1990，08-），男，長春理工大學(xué)，碩士研究生，研究方向：激光與物質(zhì)相互作用。

*通訊作者：辛敏思。