激光辐照对多晶硅太阳能电池散射光谱的影响_吴强

2017 年第 1 期 科 技 创 新科技创新与应用图 4 多晶硅太阳能电池损伤前后的反射率曲线激光辐照对多晶硅太阳能电池散射光谱的影响吴 强 李星辰 孙鹏飞 辛敏思 *（ 长春理工大学， 吉林 长春 130000）双向反射分布函数 （ BRDF） 有效地描述了目标表面与环境背景的空间反射特性和光谱特性 ,其定义是由 Nicodemus 于 1970 年正式提出 [1]。 随着科技的发展和对 BRDF 的深入研究， 双向反射分布函数的理论及应用在各个研究领域都占有很大的比重 。 例如地物遥感 、 航空 、 航天等领域 [2]。 这说明， 光谱探测， 尤其是 BRDF 领域的研究具有很重要意义， 不仅具有广泛性， 在很多领域都有重要的应用价值，研究结果可以应用于各个领域的检测以及分析，促使 BRDF领域的研究得到越来越多的学者的认可， 并取得了快速的发展和突破 。1 实验装置实验装置如图 1 所示： 主要装置为太阳模拟器， 五维旋转台， 探测器， 光纤， QE65Pro 海洋光谱仪， 计算机 。 实验前需要确定样品姿态 、 探测距离 、 探测角度以及自动采集系统内各项参数， 确定无误后对样品全空间范围内的散射光谱进行采集并记录 。图 1 实验装置图为了保证实验条件的一致性， 材料散射光谱测量完成后即开始激光辐照实验 。 通过 Nd3+:YAG 固体脉冲调 Q 激光器 ,在 800V 电压10ns 脉宽下辐照硅太阳能电池板 。 将辐照后的太阳能电池再次进行光谱采集实验， 探测的角度及范围， 与之前一致， 将辐照前的散射光谱数据与辐照后的散射光谱数据进行对比 。2 测量方法本文采用单一比较测量法 [3]测量目标样片表面的双向反射分布函数 。 实验中的标准参考板是用聚四氟乙烯 (F4)粉压制的白板， 其半球反射率为 ρ （ λ ） ， 用于光谱 BRDF 测量的公式为： 以聚四氟乙烯标准白板作为参考板， ρ（ λ ） 是标准白板的半球反射率 ,可通过计量定标或者用分光光度计加积分球附件测量获得 .用于光谱 BRDF 测量的公式为：式中： （ θ ， φ ） 分别是球坐标下的天顶角和方位角， 下标 i,r 分别代表入射量和反射量； 波长 λ 时目标样片的 BRDF ；为入射光沿 （ θ i， φ i） 方向入射到待测样片上， 沿 （ θ r， φ r）方向出射的谱辐射亮度； 为入射光沿 （ 20° ， φ i） 方向入射到标准板上， 沿 （ θ r， φ r） 出射的谱辐射亮度 。 特别是对于各向同性的表面， 可以设 φ i=0， φ =φ r- φ i=φ r， 则双向反射分布函数可以降为关于 θ i， θ r， φ r 的函数 fr（ θ i， θ r， φ r） 。 这样只需要对标准测量入射角度为20° 时的一组数据，就可以由上式求得待测样片在波长范围内的光谱 BRDF。3 实验数据分析选取入射角 10° 方位角 0° 时损伤前后的单帧光谱 （ 图 2） 。 可以看到损伤前的光谱在出现最高值时曲线开始缓慢下降而损伤后的光谱曲线是呈现一个平缓的上升趋势，一直到 590nm 处才开始下降， 而在 580~800nm 波段内光谱线型并没发生变化， 只是光谱强度发生了改变， 说明损伤后的材料吸收率明显的降低， 导致光谱曲线强于损伤前的光谱 。4 BRDF 数据分析光谱对于表面结构的分析仅限于强度分析， 为了更好反映表面结构对材料本身光学特性的改变， 所以本文进一步处理 。利用 BRDF 对多晶硅太阳能电池进行表征 。 图 3 为入射角 10°的损伤前后的光谱 BRDF。 多晶硅太阳能电池的损伤前后变化很明显，从图中可以看出多晶硅太阳能电池的光谱在 400~530nm 范围内， 材料损伤后的光谱 BRDF 会低于损伤前的 BRDF， 这是因为损伤后的原始光谱同样弱与损伤前的原始光谱， 因为材料损伤后表面遭到了破坏， 材料表面变得凹凸不均， 导致材料由之前的镜反射变成了漫反射 。为了验证两种材料的散射光谱变化与材料的反射率是否存在直接关系，用分光光度计测量了两种太阳能电池损伤前后的反射率 。 如图 4 所示， 截取 400~800nm 有效波段， 从图中可以直观看出损伤后的太阳能电池反射率明显弱于损伤前， 黑色曲线在 400~550nm处下降幅度很大， 而 550nm 之后反射率又呈缓慢的上升趋势， 相对于损伤前的材料反射率， 损伤后的反射率随波长的变化并不大 。 也就是说激光辐照太阳能电池导致材料的反射率发生了变化， 因此改变了材料的光谱强度 。5 结束语本文给出了多晶硅太阳能电池损伤前后的光谱对比可以直观的看到材料的光谱强度变化， 经过激光辐照之后使得材料表面结构发生了改变， 导致光谱强度发生了变化 。 又通过测量材料的反射率来证实材料光谱的变化， 结果证明损伤后的材料反射率明显低于损伤前的材料反射率， 可以得到材料的表面结构发生变化是导致材料摘 要 ： 文章基于 BRDF 理论， 测量了多晶硅太阳能电池在氙灯光源照射下的散射光谱， 并用纳秒激光器对太阳能电池进行了损伤， 对比分析了激光损伤前后多晶硅太阳能电池散射光谱特性的变化 。 实验结果表明： 损伤前后的材料光谱 BRDF 线型一致， 但损伤后的材料光谱 BRDF 线型波动很大， 为了论证材料反射率对光谱的影响， 通过分光光度计对多晶硅太阳能电池进行了测量，得到了多晶硅太阳能电池损伤前后的材料反射率 。 实验结果表面， 材料的损伤后表面结构发生了变化， 改变了材料的反射率， 导致材料的光谱强度发生了变化 。关键词 ： 双向反射分布函数； 多晶硅太阳能电池； 激光损伤； 光谱( , , , , )cos20( , , , , )(20 , , , , )cosá ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?LfL （ 3.2）图 2 多晶硅太阳能电池同角度损伤前后对比图 3 多晶硅太阳能电池损伤前后对比光谱 BRDF( , , , ; )á ? ? á áf( , , , ; )á ? ? ? ?L(20 , , , ; )á ? ? ?L24- -2017 年第 1 期科 技 创 新 科技创新与应用基于单片机的七彩广告灯条控制模块设计董绪哲 毕志伟 杨舒然（ 黑龙江八一农垦大学， 黑龙江 大庆 163319）21 世纪是一个各种高新技术快速更新的时代，尤其是在电子领域和自动化智能控制领域， 而传统的分立电子元件和以数字逻辑电路为主构成的控制系统， 正在以前所未有的速度被各种单片机智能控制系统所取代 。 广告灯条因其加工工艺更简便， 质量更容易控制， 寿命更长， 颜色和亮度更高而逐渐替代了较早的加工工艺， 逐渐成位发展趋势 。 所以用单片机来控制广告灯条就成为了一种受人青睐的方式，不仅大大降低了设计成本而且具有良好的广告宣传效应， 并且能很好的吸引广大消费者的眼球， 从而产生巨大的经济效益 。1 设计原理本设计在结合 STC89C52 单片机的基础上设计出七彩广告灯条控制模块， 它是结合单片机芯片的功能和一些基本原理， 运用 C 语言程序来实现七彩广告灯条灯的不同闪烁方式， 在由慢到快， 再由快到慢的循环往复变化中， 给人带来视觉的美感 。 灯条控制模块由电源适配器提供 12V 直流电源通过 7805 稳压到 5V 直流给单片机在经过开关电源变 换 ，输出 直 流工 作 电压 到 STC89C52，利 用STC89C52 单片机输出一定频率的 PWM 来驱动场效应管的开断， 调节输出电流的大小来调节灯的亮暗， 最终调出七种不同的颜色 。2 主控芯片的选择主控制器芯片主要是负责控制 LED 七彩灯带的不同变化速度快慢以及变化效果 。 主控制器作为整个系统的控制核心部分， 要求其功耗低 、 数据转换速率快 。 STC89C52 单片机是一种低功耗 、 可编程 、 高性能 8 位微控制处理器， 其内部包括微处理器 、 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 、 看门狗定时器 、 输入 /输出口 、 中断系统等，具有价格低廉 、 技术成熟 、 操作简单等特点， 满足本设计的要求 。3 稳压电源电路设计LM7805 稳压三极管， 可以支持 5V 到 12V 的电源输入， 经过降压之后， 稳定输出 5V 的直流电压 。 一般在输入电源的正负极之间并上两个 22uF 无极性陶瓷电容， 起到对电源滤波的作用 。 单片机要求在稳定的电源下才能正常工作， 本身单片机工作在晶振 12M 下， 产生的干扰信号也是大的 。 所以需要提供一个稳定的直流电源给单片机， 这样才能保证单片机的稳定工作 。4 灯条设计（ 1） 电压： 这是指 LED 灯条的输入电压， 一般常用的规格是直流 12V， 也有的是 24V。 工作电压 :DC12V ， 功率： 每米 14.3 瓦 /每米18.2 瓦可选 。（ 2） 色温： 是指将一标准黑体通过加热， 当温度逐步升高到一定程度时颜色开始慢慢的由深红 - 浅红 - 橙黄 - 白 - 蓝， 发生改变， 当某光源与标准黑体的颜色相同时， 我们将黑体当此时的绝对温度称为该光源之色温 。 一般来说色温不作为考核 LED 灯条的一个指标， 但是国外很多客户因为对其使用环境的要求，会做出一个特别的要求 。（ 3） 亮度： 发光强度的最基本单位， 坎德拉是国际单位制的基本单位之一 。一般 LED 灯条不同的颜色会有不同的发光强度，常用单位是mcd， 即毫坎德拉 。 其数值越高， 说明发光强度越大， 也就是说灯条发出的光越亮 。（ 4） 发光角度： 这是指 LED 灯条上 LED 元件的发光角度， 一般通用的贴片 LED 的发光角度都是 120 度 。 发光角度越大， 其散光效果越好， 但这都是相对的， 其发光的亮度也就相应减小了 。 如果灯条的发光角度小， 光的强度是上去了， 但照射的范围又会缩小 。5 系统程序流程开始时， 先检测电源有没有接好， 如果接好了， 就提供 12V 的电压， 通过 7805 稳压到 5V 的直流电压的开关， 给单片机提供电源 。 如果没好， 就处于等待阶段 。 如果有电源输入， N 沟道场效应管就会根据编号的程序， 导通或者截止来控制灯条的亮灭， 先产生彩灯模式1。 再产生彩灯模式 2。 接着会产生彩灯模式 3、 彩灯模式 4、 彩灯模式5， 最后会产生彩灯模式 6。 当按下复位键时， 会回到彩灯模式 1。 当不去按复位键键时， 彩灯会不断地从模式 1 到模式 6 重复循环 。6 硬件调试焊接好的电路板先目测进行检查， 看是否有漏焊， 虚焊的地方 。对照 PCB 图， 检查元件的焊接是否无误， 正负极的接法有没有错误等； 用万用表测量印刷电路板的导线是不是都很好的接通， 靠得很近的导线是否有连在一起的现象等， 有断的就马上用锡补上， 太远的或者是断的太离谱的就只能用导线代替 。 检查每一根导线都无误后可进行下一步调试； 插上电源， 看电路板有什么反应， 5V 电源的指示灯是否点亮， 电源输出端电压是否在 4.8V~5V 左右， 以上都达到要求可将电源接到主板去， 查看 LED 灯是否正常工作 。7 结束语广告灯条多用于广告匾， 楼宇装饰和户外装潢的灯具， 近年来随着国家经济的迅速发展， 人民对物质文化生活水平的要求也不断提高， 对于装饰的美化美观的要求也越来越高， 广告灯越来越多的出现在个人们的视野中 。 本设计使用了 STC89C52 单片机与 N 沟道场效应管相结合的设计方案， 充分利用 N 沟道场效应管的开断来控制三种颜色的亮度最终调节出七种颜色，实现了 5050RGB 灯条的各种模式的点亮， 降低了设计成本并且具有良好的广告宣传效应 。参考文献[1]康华光 .电子技术基础数字部分 （第五版 ） [M]. 北京 .高等教育出版社， 2005.[2] 张灿 . 单片机在舞台灯光控制系统中的应用 [J]. 电子测量技术 .2003.[3]王硕 .多媒体机房温度调节系统设计 [J].信息通信， 2014.作者简介 ： 董绪哲 （ 1998， 4-） ， 男， 山东省东平县人， 黑龙江八一农垦大学本科在读， 研究方向： 电气工程及其自动化 、 单片机应用以及开发 。摘 要 ： 个人企业为宣传自己的形象和产品， 大多采用广告灯条来实现这一目的 。 本设计采用 STC89C52 单片机设计七彩广告灯条控制模块， 从设计原理入手， 详细的介绍了主控芯片的选择 、 稳压电源电路设计 、 灯条设计 、 系统程序设计和硬件调试， 采用软灯带和硬灯带做成的各种形状和多种彩色的灯条达到广告宣传的效果 。关键词 ： 广告灯条； STC89C52 单片机； 程序设计； 控制反射率发生了改变的原因，使材料由原来的镜反射变成了漫反射 。太阳能电池是一种吸收光强效率很高的材料， 经过辐照的太阳能电池表面结构发生了改变， 同时也降低了材料的吸收系数， 使吸收率降低 。 从根本上改变了材料的光谱 。参考文献[1]Nicodemus F E.Refelectance Nomenclature and directional Reflectance and Emissivity, Applied Optics,1970,9(6):1474-1475.[2]潘永强， 吴振森， 杭凌侠 .光学薄膜界面粗糙度互相关特性与光散射 [J].中国激光 .2008， 35(6):916-919.[3]王明军， 董雁冰， 吴振森， 等 .粗糙表面光散射特性研究与光学常数反演 [J].红外与激光工程， 2004， 05:549-552.作者简介 ： 吴强 （ 1990， 08-） ， 男， 长春理工大学， 硕士研究生， 研究方向： 激光与物质相互作用 。* 通讯作者 ： 辛敏思 。25- -