非晶硅光電池光譜特性研究

周碧云 王辰澤 李菲 吳小杰 王巖

摘要：人眼對于不同顏色的光敏感度是不同的，當不同波長的外界光線對于人眼亮度感覺相同時，這些光線的實際亮暗程度是不同的[1-2]。可以用不同波長光輻射功率的倒數來衡量人眼對不同波長光明亮感覺的靈敏程度，我們將其定義為視覺函數[3-4]，在暗視覺情況下，人眼的視覺函數曲線會發生變化，此時人眼最敏感的波長變為505nm，相對視覺函數也會發生改變。因此，本文將非晶硅光電池作為視網膜假體感光單元，代替視網膜上的感光細胞，除了需要其對光亮度敏感，還需要對其光譜敏感特性進行測量。進一步，我們搭建了測量光路來測量非晶硅光電池的光譜敏感度曲線。

關鍵詞：非晶硅;光電池;光譜

1.光譜敏感度曲線測量系統搭建

人眼的視覺與環境亮度密切相關。一般認為，環境亮度在10-3×104 cd/m2的視覺稱為明視覺;當環境亮度在10-3 cd/m2以下時的視覺稱為暗視覺。非晶硅光電池的光電效應已預示其具有很好的人眼明視覺效應。光源發出的光經透鏡準直后，再經一半透半反鏡分成兩束，一束經過透鏡匯聚到非晶硅光電池電極上，產生的電流信號由Keithley 6430數字源表（Tektronix， USA）接收，另一束經過透鏡匯聚到PM100D功率計（Thorlabs， USA）監測功率變化。由于非晶硅光電池的光吸收譜線較寬，參考正常視覺的暗視和明視光譜敏感曲線，我們選擇明暗視覺曲線焦點對應的波長，即532nm，也是人眼最為敏感的波長，作為測量光源。考慮到測量光源的功率要符合明視覺環境亮度，因此，在實驗測量光路中采用衰減片來調節光源輸出功率，以滿足人眼明視覺環境亮度要求。測量光路如圖1所示，整個裝置可以分為三個部分：光源、光路單元和信號采集單元，下面對其依次進行介紹。

光源。實驗采用的光源為日本HAMAMATSU公司生產的L10290紫外-可見光纖輸出光源，為了得到在可見光波段范圍分布的光源，本論文中我們采用鹵鎢燈，同時，利用功率計我們測量了該光源發出的光最終達到光電池上的光功率。視網膜的光密度約為[5-6]，通過對此光源的光功率進行測量，其最大功率約為13，而非晶硅光電池的感光面積為，可以計算出到達光電池的最大光密度為52，滿足人眼視網膜的要求。

光路單元。光路部分包括透鏡、光柵光譜儀以及透鏡。其中透鏡1選擇直徑25.4mm，焦距50mm的平凸透鏡，由于出口處光斑的發散角大約為，則透鏡的直徑應大于，透鏡的直徑一般為25.4mm，因此焦距選擇50mm，透鏡在這里起到了準直的作用，即從光源處出來的光經過透鏡變為了平行光，因此透鏡選擇平凸透鏡，且透鏡距離光源的距離等于f。但在實際過程中，光斑在出口處有一定的大小，不能當做點光源，因此其距離小于50mm。由圖可知，在實際搭光路的過程中，其距離為45mm。光柵光譜儀的波長范圍為200-900nm，最小掃描步長1nm，分辨率達到0.1nm。

信號采集單元。信號采集單元采用的是美國泰克公司生產的Keithley 6430數字源表，配有專用的遠端前置放大器。樣品信號經過信號采集線傳輸至放大器，再經放大器傳輸至數字源表主機上，然后輸出顯示。Keithley 6430最小量程為100nA，最小分辨率為50fA。為了提高測量的精度，遠端前置放大器和樣品均置于屏蔽室內，以此減少外界環境所產生的噪聲。

2.非晶硅光電池光譜敏感度曲線

利用前面搭建的光路，我們測量了非晶硅光電池的光譜敏感度曲線，如圖2所示。可以看出，非晶硅光電池只對可見光（300～750nm）敏感，對于波長大于750nm的近紅外光，非晶硅光電池沒有響應，這與我們前面理論計算出的非晶硅光電池的截止波長一致。同時，我們也可以看出，非晶硅光電池最敏感的波長為560nm，在560nm的兩側，隨著波長的增加或減小，敏感度逐漸降低。

人眼的感光范圍在300～750nm波段范圍內，在明視覺情況下，人眼最敏感的波長為555nm，在555nm兩側，隨著波長的增加或減小視覺函數值逐漸降低。當波長大于800nm時，視覺函數值降為0，說明對于紅外光，人眼是不敏感的。對比標準人眼的視覺函數曲線與實驗測得的非晶硅光電池光譜敏感度曲線，可以看出，在明視覺情況下二者非常相似，其最敏感波長相差5nm，同時曲線形狀與相應范圍都非常一致。傳統的視網膜假體采用單晶硅作為主要材料，硅光電池的禁帶寬度較小，在溫度為300K時，其禁帶寬度約為1.12ev，截止波長約為1100nm。因此硅MPDA視覺假體光響應的波段范圍在400～1100nm，最敏感的波長位于900nm。在波長大于800nm的近紅外光刺激下，硅仍能產生刺激電流對人眼進行電刺激，在這些干擾信號的作用下，會嚴重影響人眼對于正常物體的感知。利用非晶硅光電池則可以有效避免紅外光等人眼不需要的雜散信號的干擾，只允許可見光對人眼進行電刺激，符合正常人眼的認知。

人眼的視網膜上有三種色敏細胞，它們各自的相對視覺函數曲線分布如圖3（a）所示，其中代表紅色，代表綠色，代表藍色，它們的峰值分別位于580nm、540nm、440nm。由于對于藍色的明暗程度太低，因此將圖中曲線幅度放大了20倍。每一種色敏細胞感應波長都有交叉重疊的部分，很多單色光同時被兩種色敏細胞感應。例如，對于波長為600nm的單色光，它同時處于紅敏細胞和綠敏細胞的相對視覺函數曲線下，因此它同時刺激了紅敏細胞和綠敏細胞，引起了混合的感覺。而當混合的感覺同時傳遞到視神經時，引起的視覺感覺就是黃色。正是由于這三種視敏細胞刺激的混合，才使我們看到五光十色的世界。對于非晶硅光電池，其對440nm、540nm、580nm三個波長的感度如圖3（b）所示，可以看出，非晶硅光電池對這三個波長都具有較高的敏度度，其中對波長為540nm的綠光最敏感，對波長為440nm的藍光敏感度最低，與人眼對于這三種波長的敏感度一致，因此，利用非晶硅光電池來代替視網膜的感光細胞，能夠保證患者在假體植入后看見所有的顏色，最大程度的恢復患者的視覺。

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