激光輻照對多晶硅太陽能電池散射光譜的影響

吳強+++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。實驗結(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行了測量，得到了多晶硅太陽能電池損傷前后的材料反射率。實驗結(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)者的認可，并取得了快速的發(fā)展和突破。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖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。實驗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)各項參數(shù)，確定無誤后對樣品全空間范圍內(nèi)的散射光譜進行采集并記錄。

為了保證實驗條件的一致性，材料散射光譜測量完成后即開始激光輻照實驗。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行光譜采集實驗，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)進行對比。

2 測量方法

本文采用單一比較測量法[3]測量目標樣片表面的雙向反射分布函數(shù)。實驗中的標準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：以聚四氟乙烯標準白板作為參考板，？籽（？姿）是標準白板的半球反射率，可通過計量定標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 實驗數(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）。可以看到損傷前的光譜在出現(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，所以本文進一步處理。

利用BRDF對多晶硅太陽能電池進行表征。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，這是因為損傷后的原始光譜同樣弱與損傷前的原始光譜，因為材料損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損傷前后的反射率。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度。

5 結(jié)束語

本文給出了多晶硅太陽能電池損傷前后的光譜對比可以直觀的看到材料的光譜強度變化，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)致光譜強度發(fā)生了變化。又通過測量材料的反射率來證實材料光譜的變化，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

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

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

[2]潘永強，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（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。