前言：由絕緣材料組成的光學鍍膜材料在光學和玻璃行業(yè)中早已屢見不鮮。例如，在激光腔中由高和低折射率的片層交替堆棧形成布拉格鏡，氟化鎂在顯示屏上用作防反涂層。然而，在過去的二十年中，由于出現(xiàn)的新材料滿足了新應用的要求，光學涂層的可用范圍已被廣泛地擴展。這些涂層不一定是全致密的平面——導致光散射——并且它們可以被設計成非垂直入射條件下的功能性涂層。在這種情況下S和P偏振光具有不同的光學行為。太陽能工業(yè)提供了一些很好的例子：由化學氣相沉降法而自然形成的金字塔形表面質(zhì)地的氧化鋅涂層已在薄膜太陽能電池領域被用于散射太陽光。由一種高分子材料折光系數(shù)而成圖的全息濾光鏡將太陽光在空間上分成不同顏色的色帶（相棱鏡一樣），并且光伏電池被調(diào)到每個波長的焦距處而形成一種新型的多結(jié)太陽能電池。位于硅太陽能電池前部的納米圓柱形硅涂層起米氏散射的作用，因此增加了在更寬入射角范圍和偏振情況下光被太陽能電池的吸收。對于所有的光學涂層——特別是那些非垂直角度接收陽光或者陽光入射的涂層，表征波長、角度和偏振測定的反射和入射就尤為關鍵。PerkinElmer公司的自動化反射/透射分析模塊為LAMBDA 950和LAMBDA 1050紫外/可見/近紅外光譜儀的插入式附件，其用一個測角儀來將樣品相對于入射光（不同入射角）的角度進行旋轉(zhuǎn)并且相對于樣品位置（不同檢測角）獨立旋轉(zhuǎn)積分球檢測器。對于任何入射角/配對的檢測角，S和P偏振光的譜圖都能在250-2500 nm的范圍內(nèi)被測定。
ARTA自動運行用戶這些測量任務表，允許用戶有效地回答這個問題：“所有的入射光都去了哪兒？"
在此應用中，我們研究了由3M®制造的長通光學薄膜（“可見光鏡面膜"）的性能。3M®推出了各式各樣的這些類的塑料薄膜。這些產(chǎn)品由數(shù)百層不同厚度和折射率的高分子材料組成，共同反射和透射諸如低發(fā)射窗戶玻璃這些特定部件的太陽光譜。本研究選用的可見光鏡膜吸收紫外光（<350 nm），反射可見光并透過紅外光（>750 nm）。我們對如圖2所示集成到曲面形硅光伏組件中的這類薄膜很感興趣，因為這種硅太陽能電池以40%的效率將其帶隙（700-1100nm）波長附近的光轉(zhuǎn)換為電，但是更短波長的部分大部分生成無用的熱并以低得多的效率轉(zhuǎn)換為電。通過將3M®薄膜放置于太陽能電池的前面，紅外波長部分的光將被透射進電池中，而利用率極低的短波長部分將被安放有另外一個太陽能收集器（光伏、熱或者化學收集器）的聚焦位置，該位置通過可見光來進行調(diào)整。凹面光伏模塊專為安放在一個單軸跟蹤器上，其隨太陽而自西向東運動，但是3M®光學薄膜在一年過程中都可以以0-60?的入射角接收太陽光（在亞利桑那州的鳳凰城）。因此，為了得到整個太陽能收集器的年功率輸出量，我們必須首先表征3M®光學薄膜的波長、角度、偏振分辨性能。
實驗部分PerkinElmer公司的LAMBDA 950/1050紫外/可見/近紅外分光光度計為配備可選150 mm積分球的雙光路、雙分束器儀器。Spectralon涂層積分球包含硅和InGaAs檢測器，以便從200-2500 nm的范圍內(nèi)譜圖能被精確采集。通過將樣品固定在積分球的入口或者出口、漫射測量時移除掉鏡反射口，薄膜、基材或者液體（裝在比色皿中）的總反射、總透射、漫反射和漫透射都可被進行測量。對于任意入射角的反射和透射的角度依賴性的更詳細分析，積分球附件可在大約10分鐘的時間內(nèi)被ARTA附件（圖3所示）所更替。ARTA也采用了一個配備PMT和InGaAs檢測器的積分球（60 mm），但是這個積分球被固定在測角儀上，使其能在水平面上圍繞樣品旋轉(zhuǎn)340?以收集進入其寬度可調(diào)的狹縫內(nèi)的光。又可能為薄膜、基材和液體的樣品也被固定在測角儀上并且可以獨立于檢測器進行旋轉(zhuǎn)——以便用戶能選擇任意的入射角（相對于固定的光源）和檢測器。ARTA的控制部分集成到UV Winlab軟件中以方便用戶用于自動執(zhí)行的運行表。在當前的實驗中，3M®可見光鏡膜的總和角度分辨反射和透射譜由LAMBDA 950分光光度計所采集。為了測定總反射和透射譜，薄膜被放置在150 mm積分球附件的入口（0?入射角）或者出口（8?入射角），并且譜圖在250-2500 nm的范圍內(nèi)用非偏振光進行采集。進行角度分辨測量時，薄膜被固定在ARTA附件的測角儀支架上，并且譜圖在250-2500 nm的范圍內(nèi)分別用s-和p-偏振光進行采集（圖3所示）。在一些測量中，入射角在5-85?之間以5?的步長進行變化，并且檢測器的移動被進行了整合以便檢測器位置總是與鏡反射光束（10?步長）協(xié)調(diào)一致。在其它測量中，當檢測器圍繞樣品以1?的步長掃描一整圈時樣品入射光的角度都固定不變。隨后的實驗將不同寬度的狹縫置于檢測器的前面來進行以便改變測量的角度分辨率。
結(jié)果在采用ARTA附件對3M®薄膜進行深入分析前，無支撐薄膜在名義垂直入射情況下的總（鏡+漫）反射和透射也被用LAMBDA950的積分球附件進行了測量。如圖4所示的結(jié)果表明薄膜在750 nm附近具有預期的突變，在此處具有將近100%的可見光反射率和約90%的紅外光透射率。這種同樣的薄膜由3M®用已知厚度和折射率的高分子層模塑制得，并且在大部分波長位置模擬譜圖對測量譜圖的匹配度在2%以內(nèi)。
當薄膜為具有低表面粗糙度的平面時，圖4中的總反射圖應該和用ARTA附件在8?入射角下測量的鏡面反射譜基本一致。依據(jù)入射角和偏振光來分解的鏡面反射以等高線圖顯示于圖5中。跟預期的一樣，在x軸以上提取的一張水平曲線跟圖4中的反射曲線看起來一樣。需要注意的是檢測角始終是入射角的兩倍——也就是說，對于這些測試檢測角和鏡反射光束相關聯(lián)。對于所有的偏振情況，直至50?的范圍內(nèi)反射到透射的轉(zhuǎn)變都很急劇，但是有輕微的藍移。在預期的太陽能轉(zhuǎn)換應用中，這會在整個一年的過程中對進入到曲面型光電模塊中和位于其焦點位置的太陽能收集器中光的份數(shù)有影響——雖不便利但通過適當?shù)墓こ淘O計以后還可以接受的。然而，對于入射角在約50?以上的情況，s偏振光的轉(zhuǎn)換終止并且薄膜開始失去對光譜的分光功能。這種情況的一個明顯后果就是在冬天或者緯度高于30?的區(qū)域的夏季月份，曲面型光電鏡片的工作效率都很低。
在無支撐薄膜的光學性能被表征后，薄膜樣品被用不同的封裝劑層壓到硅片和玻璃基材之間以靠近曲面型頻譜分裂光電模塊成品。圖6a為三種此類層壓品的照片，其表明薄膜或者保持平坦或者在層壓過程中產(chǎn)生不同程度的褶皺，這取決于加工細節(jié)和所用的塑封劑。如果曲面型光電模塊將反射的可見光聚焦到其焦點上，薄膜一定保持平坦狀并且與玻璃表面共形。通過ARTA的測角性能及配合具有不同接受角的檢測器狹縫，散射光的角度分布函數(shù)可以以透射和反射的方式被快速測量出來。下一頁中所示的圖6b-d顯示了另外兩種層壓材料在無支撐情況下的測試數(shù)據(jù)——一種為可見光平層，而另一種為輕微褶皺的可見光層狀材料。位于反射帶中間部分的600nm波長的光用于所有樣品的測試。無支撐薄膜也在1100nm波長處進行了透射測試以用于參考（該波長不可能用于層壓材料，因為硅片吸收此波長的光）。為了進行這些測試，當檢測器自動圍繞樣品做圓形運動時，入射角保持30?不變。即使當檢測器狹縫關閉到5?的接受角，無支撐薄膜和平坦層壓材料在一定的反射角下也和圖5一樣表現(xiàn)出近乎相近的反射性能。也就是說，所有的光被反射到一個以反射角為中心的2.5?半角錐形范圍內(nèi)。褶皺樣品也在10?半角錐形范圍內(nèi)反射所有的光，但是僅有89%在光位于2.5?半角錐形范圍內(nèi)。褶皺部分明顯降低了鏡面反射部分的光。被散射的光將不會匯聚到曲面型光電模塊的焦點，本質(zhì)上減少了位于該位置的太陽能收集器的光強度。
結(jié)論我們用配備ARTA附件的LAMBDA950分光光度計評估了一種3M®可見光鏡膜在新型曲面型光電模塊中的潛在用途。在此應用中，3M®薄膜必須透射近紅外光子到底層的硅太陽能電池上（它們在此位置直接被轉(zhuǎn)換成電能），同時反射可見光子到在該位置其可能能被吸收的模塊的焦點上，例如一種與波長無關的熱吸收體用于驅(qū)動熱引擎。用ARTA附件進行的角度分辨反射和透射測量表明入射角上升到約50?時，3M®薄膜對s和p偏振光都是一種有效的光學濾波器。當薄膜被層壓到所用模塊的曲面玻璃上時，為了維持其性能，薄膜必須被緊貼到玻璃上（沒有褶皺），并且配備一個窄檢測器狹縫的ARTA測量結(jié)果揭示了每一個層壓過程所生成產(chǎn)品的匹配度。在考慮太陽的日常和年度運行情況以及由此造成的太陽光在光電模塊上入射角的變化，我們當前用ARTA采集的光譜來評估采用了這種在其焦點處配置有熱接收器的曲面型光電模塊的發(fā)電站的年電輸出量。我們也正在繼續(xù)研究同時反射可見和紅外光的濾光片（在透過近紅外光的同時），并且其性能采用積分球和ARTA附件進行研究
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