引言：材料的表面反射率是目前太陽能行業(yè)中最常關(guān)注的測(cè)試項(xiàng)目之一。這類測(cè)試所涉及到的樣品種類繁多，包括金屬反射涂層、半導(dǎo)體材料與涂層，以及防護(hù)玻璃上面的防反膜等。本研究報(bào)告將專注于反射率測(cè)量的問題。這類項(xiàng)目的測(cè)試光譜范圍一般為300 nm到1500 nm，也就是太陽能電池所能吸收不同類型反射測(cè)試附件的特點(diǎn)與應(yīng)用差異的太陽能量的范圍。物質(zhì)對(duì)光束的反射包括鏡面反射和漫反射兩種類型。本研究報(bào)告所討論的主要是用于測(cè)量?jī)煞N反射的儀器附件，以及用不同種類的附件采集數(shù)據(jù)的對(duì)比和差異。很多材料的反射同時(shí)包含了鏡面反射和漫反射兩種類型。這使得選擇可以將光譜干擾降到低、獲得準(zhǔn)確的反射率數(shù)據(jù)的最佳反射附件變得比較困難。本研究報(bào)告的基本目的是為用戶在不同鏡面反射/漫反射樣品測(cè)量附件的選擇過程中提供指導(dǎo)。為此，本研究使用三種不同的反射附件分別測(cè)量了一些鏡面反射和漫反射成分貢獻(xiàn)不同的典型樣品，并且對(duì)光譜測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。

光滑的表面一般產(chǎn)生鏡面反射（如圖1-A所示）。入射光線的角度與反射光線的角度相同；因此，鏡面反射材料通常可以在其表面產(chǎn)生圖像（例如鏡子）。鏡面反射率可以用不同類型的鏡面反射附件（例如VW型反射附件、VN型反射附件和通用反射附件）進(jìn)行測(cè)量。粗糙的表面一般產(chǎn)生漫反射（如圖1-B所示）。在這種情況下，單一角度的入射光線會(huì)產(chǎn)生多種角度的反射光線；因此漫反射材料不會(huì)在其表面產(chǎn)生圖像。漫反射率可以用積分球進(jìn)行測(cè)量，有小體積積分球（內(nèi)部直徑60 mm）和大體積積分球（內(nèi)部直徑150 mm）兩種尺寸可選。

說明相對(duì)鏡面反射附件——這類附件是簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)低的鏡面反射附件。相對(duì)鏡面反射附件須使用一個(gè)經(jīng)過校正的參比鏡子進(jìn)行光譜背景測(cè)量。測(cè)試樣品反射率時(shí)，需要根據(jù)參比鏡子的已知反射率數(shù)值對(duì)樣品光譜進(jìn)行校正，以計(jì)算出樣品的絕對(duì)反射率。絕對(duì)鏡面反射附件——這類鏡面反射附件進(jìn)行絕對(duì)反射率測(cè)試時(shí)不需要使用參比鏡子。此類附件的光學(xué)元件（鏡子）可以移動(dòng)，在測(cè)量背景和樣品光譜時(shí)使用不同的光路。只要光學(xué)元件移動(dòng)以后背景和樣品測(cè)量時(shí)所使用的鏡子相同的，總光程差保持不變，所測(cè)量得到的就是樣品的絕對(duì)反射率。最常見的絕對(duì)鏡面反射附件包括VW型反射附件、VN型反射附件和通用型反射附件（URA）。VN型反射附件（單次樣品反射）和VW型反射附件（兩次樣品反射）是根據(jù)背景（V）和樣品（N和W）測(cè)量模式的幾何光路而命名。背景和樣品測(cè)量模式切換過程中鏡子的移動(dòng)是手動(dòng)操作的。URA是一種可變角度、單次樣品反射的VN型附件，其中鏡子的移動(dòng)和入射角度的選擇由軟件控制電子步進(jìn)馬達(dá)自動(dòng)調(diào)節(jié)。積分球——圖2顯示了積分球的常規(guī)光學(xué)設(shè)計(jì)。測(cè)試光線分別經(jīng)過參比光路（M3和M4）和樣品光路（M1和M2）中的光學(xué)元件，通過Spectralon積分球表面開口，進(jìn)入球體內(nèi)部的參比窗口和樣品反射窗口。在積分球的內(nèi)部，通過中心樣品架窗口可以看到檢測(cè)器擋板，此擋板可避免樣品初次反射光或者透射光線直接進(jìn)入檢測(cè)器。在常規(guī)測(cè)試條件下，樣品反射窗口和參比窗口分別被待測(cè)樣品和Spectralon白板所覆蓋。透射窗口和參比光束入口在反射測(cè)量過程中一般保持開放，樣品的漫反射光線可以從這些區(qū)域離開積分球。

60 mm積分球——這是一種可以測(cè)量漫反射和總反射的低成本反射附件。該附件包含一個(gè)用高反射率Spectralon®高分子材料制成的直徑為60 mm的中空球體，有兩個(gè)窗口用于樣品光束和參比光束的進(jìn)入，還有另外兩個(gè)窗口用于放置待測(cè)樣品和參比材料。采集背景光譜時(shí)，兩塊Spectralon®白板分別放置于樣品和參比窗口。Spectralon®材料的反射率超過99.0%，因此使用積分球測(cè)得的反射率可以被認(rèn)為是非常接近絕對(duì)反射率。由于球體尺寸較小，該積分球的檢測(cè)器前沒有阻擋樣品初次反射光線的擋板，因此容易產(chǎn)生一些光譜干擾。

150 mm積分球——該積分球與體積較小的60 mm積分球的工作原理基本一致。二者的主要區(qū)別在于150 mm積分球具有較大的球體直徑，而且在內(nèi)部檢測(cè)器前面安裝了具有Spectralon®涂層的擋板。較大的球體尺寸使得該積分球的樣品和參比光束窗口面積與總球體面積的比例低于60 mm積分球。擋板避免了樣品初次反射光線進(jìn)入檢測(cè)器。150 mm積分球是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)色度分析推薦使用的積分球。該積分球的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵守色度測(cè)試的管理規(guī)范，確保不同廠家制造的積分球測(cè)量結(jié)果的一致性。該積分球的設(shè)計(jì)同時(shí)可以消除或者降低非規(guī)范性小積分球中可能出現(xiàn)的一些光譜干擾。

實(shí)驗(yàn)本研究使用代表了太陽能行業(yè)典型材料的4個(gè)樣品對(duì)不同反射測(cè)量附件進(jìn)行評(píng)價(jià)。樣品1是鏡面反射成分很少的漫反射材料，樣品2是反射強(qiáng)度較低的鏡面涂層，樣品3是中等反射強(qiáng)度的鏡面涂層，樣品4是反射強(qiáng)度較高的鏡面半導(dǎo)體材料。每個(gè)樣品都分別使用60 mm積分球、150 mm積分球和通用反射附件（URA）進(jìn)行測(cè)量。所有積分球測(cè)量均在總反射模式下進(jìn)行，8度入射角。URA測(cè)量入射角也為8度。其他所有參數(shù)都保持一致。結(jié)果和討論積分球的兩個(gè)基本參數(shù)直接關(guān)系到其測(cè)量結(jié)果的光度準(zhǔn)確度。這兩個(gè)參數(shù)就是球體尺寸（直徑）和避免樣品初次反射光線進(jìn)入檢測(cè)器的擋板存在與否。光譜干擾和誤差的性質(zhì)與樣品反射強(qiáng)度和類型（鏡面反射或者漫反射）有關(guān)。圖3顯示了用兩種尺寸的積分球測(cè)量的樣品1（鏡面反射成分很少的漫反射材料）的光譜。這兩張光譜的形狀比較相似，但是強(qiáng)度上有所差別。為什么用不同尺寸積分球測(cè)量的光譜有所差異？所有積分球都必需具有讓儀器光束進(jìn)入的窗口。樣品反射的光線有可能從這些窗口逃離，因而無法被測(cè)量到。積分球尺寸越大，窗口面積與總球體面積的比例越低。150 mm積分球測(cè)量的光譜強(qiáng)度更高，因?yàn)樵摲e分球的窗口面積比例低于60 mm積分球。因此更多的樣品漫反射光線可以被收集起來。那么哪一張光譜是正確的？技術(shù)上來說，兩張都不是絕對(duì)正確的。但是，相比于60 mm積分球，150 mm積分球的測(cè)量結(jié)果與樣品的絕對(duì)漫反射率更加接近（百分比反射率誤差不超過1~2%）。

使用積分球測(cè)量漫反射成分極少或者沒有的鏡面反射樣品會(huì)得到什么樣的結(jié)果哪？為了回答這個(gè)問題，我們需要了解光線在積分球內(nèi)部經(jīng)歷了什么。圖4A顯示了樣品漫反射和鏡面反射光線是如何進(jìn)入積分球的。漫反射光線可以照射到積分球內(nèi)部的整個(gè)區(qū)域。鏡面反射光線只會(huì)到達(dá)透射窗口附近沿積分球中線的一個(gè)區(qū)域。通過插入積分球內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲得的該區(qū)域的照片如圖4B、4C和4D所示。圖4B中的照片顯示了一個(gè)100%漫反射樣品的反射光線對(duì)積分球內(nèi)部的均勻照明。但是，將一個(gè)鏡面反射樣品放置在樣品窗口時(shí)，積分球內(nèi)壁上會(huì)形成一個(gè)“熱點(diǎn)區(qū)域”。圖4C和4D分別顯示了樣品鏡面反射率為10%R和90%R時(shí)的熱點(diǎn)區(qū)域的照片。注意，積分球內(nèi)壁的輻照強(qiáng)度很低，而且

結(jié)論為了獲得準(zhǔn)確、沒有干擾的數(shù)據(jù)，鏡面反射非常強(qiáng)或者是鏡面反射的樣品需要使用URA、VN或者VW等絕對(duì)鏡面反射率附件進(jìn)行測(cè)量。積分球只能提供近似的鏡面反射數(shù)據(jù)，誤差大小與樣品性質(zhì)及其反射強(qiáng)度有關(guān)。在太陽能行業(yè)中，必需對(duì)鏡面反射較強(qiáng)的樣品進(jìn)行總反射率測(cè)試。在這些情況中，積分球可以為漫反射樣品或者漫反射與鏡面反射都具備的樣品提供尚可接受的光譜。此外，絕大部分積分球都具備單獨(dú)測(cè)量漫反射或者總反射（漫反射加鏡面反射）的能力。在只測(cè)量漫反射時(shí)，積分球光路可以讓鏡面反射光線從開放窗口離開球體內(nèi)部。但是將樣品的總反射光譜與漫反射光譜相減是不可能得到絕對(duì)鏡面反射光譜的。因?yàn)樽岀R面反射光線得以離開積分球的開放窗口也會(huì)讓一小部分漫反射光線逃離，總反射光譜與漫反射光譜相減所得到的反射光譜是不正確的，反射率會(huì)高于預(yù)期值。漫反射測(cè)量模式的基本目的是消除漫反射樣品測(cè)試中的鏡面反射成分。顏色分析所使用的150 mm積分球是唯yi可以用不同儀器/積分球模塊獲得同樣準(zhǔn)確、可以相互比較的測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)積分球。60 mm積分球的窗口面積比例較大，而且檢測(cè)器缺乏擋板保護(hù)，因此測(cè)量結(jié)果的反射率偏低，而且光譜中存在突變干擾。太陽能行業(yè)的一些材料具有很強(qiáng)的鏡面反射，但是也含有少量的漫反射成分，這使得用絕對(duì)鏡面反射率附件對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量成為一個(gè)問題。對(duì)于這種類型的樣品，可以通過如下步驟使用150 mm積分球來測(cè)量。進(jìn)行背景校正時(shí)，在樣品窗口放置一面經(jīng)過校正的前表面鋁鏡，而不是使用Spectralon®白板。使用該參比鋁鏡的測(cè)量結(jié)果對(duì)樣品原始光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)校正（UV/WinLab™軟件的%RC模式可以自動(dòng)進(jìn)行這種校正計(jì)算），以獲得樣品的絕對(duì)反射率。鋁鏡可以復(fù)制鏡面反射樣品的熱點(diǎn)區(qū)域，從而消除熱點(diǎn)產(chǎn)生的光譜干擾，獲得可以接受的絕對(duì)反射率數(shù)據(jù)。如果樣品與參比鋁鏡的反射率比較接近，可以獲得最佳的測(cè)試結(jié)果。