专利名称：一种多层膜系统光能分布测量方法
技术领域：
本发明属于光学测量领域，特别涉及一种多层膜系统光能分布测量方法。
背景技术：
多层膜系统中的光能分布是了解器件中的光损耗，优化器件中的光传输的重要依据。多层膜系统光能分布研究包括各层膜中的光吸收研究和各界面对光能分布影响研究两个重要方面，是光电技术领域中极为重要的研究课题，在太阳能光伏电池、光电探测器和光发射二极管(简称LED)等领域有着极其重要的应用价值。现代光学技术中常采用光谱椭偏仪测量薄膜材料光学常数，采用分光光度计测量多层膜系统的反射率、透射率和吸收率，采用等效界面技术计算多层膜系统的反射、透射和吸收率。但是，光谱椭偏仪无法测量多层膜系统反射、透射和吸收率，分光光度计和等效界 面技术无法测量或计算各层膜中的光吸收及各界面对光能分布的影响。这在很大程度上制约了器件中光传输和光损耗的研究，给器件结构研究和性能优化研究带来一定的难度。
发明内容
本发明的目的是解决多层膜系统中无法有效测量各层膜中的光吸收及各界面对光能分布的影响，而提出一种多层膜系统光能分布的测量方法。本发明解决了现代光学手段无法测量多层膜系统中光能分布的问题，为研究入射光在多层膜系统中的分布及各界面对光能分布的影响提供了可靠的技术手段。一种多层膜系统光能分布测量方法，用于测量多层膜系统中各界面及各层膜对光能分布的影响，所述方法包括以下步骤(I)分别测量入射介质、各层膜及基底的光学常数和薄膜厚度；(2)对每一界面，测量入射光无限接近该界面时的反射率、透射率和吸收率；(3)对每一界面，测量入射光刚刚跨过该界面时的反射率、透射率和吸收率；(4)按照从顶膜表面到膜基界面的顺序排列获得的光能分布信息，比较相邻两个测量结果，得到各界面及各层膜对光能分布的影响结果。所述步骤(I)进一步包括(I. I)采用光谱椭偏仪测量基底折射率和消光系数；(I. 2)在基底上逐层制备单层膜，测量每一层膜的折射率、消光系数和薄膜厚度。所述步骤(2)进一步包括(2. I)读取与该界面相邻的入射侧薄膜的光学常数；(2. 2)用与该界面相邻的入射侧薄膜的光学常数构造虚拟基底，取代出射侧所有薄膜与基底，构建虚拟多层膜系统；(2. 3)采用等效界面方法得到所述虚拟多层膜系统的反射率和透射率，然后计算出吸收率。所述步骤(3)进一步包括
(3. I)读取与该界面相邻的出射侧薄膜的光学常数；(3. 2)用与该界面相邻的出射侧薄膜的光学常数构造虚拟基底，取代出射侧所有薄膜与基底，构建虚拟多层膜系统；(3. 3)采用等效界面方法得到所述虚拟多层膜系统的反射率和透射率，然后计算出吸收率。所述按照从顶膜表面到膜基界面的顺序排列获得的光能分布信息，比较相邻两个测量结果，得到各界面及各层膜对光能分布的影响结果，包括对比入射光无限接近某界面和刚刚跨过该界面的反射、透射和吸收率，获得该界面对光能分布的影响；对比刚刚跨过某界面和无限接近下一界面的反射、透射和吸收率获得该层膜对光能分布的影响。
进一步地，所述吸收率的计算公式如下A = I-R-T其中A为吸收率，R为反射率，T为透射率。进一步地，所述各界面包括顶膜表面、膜间界面及膜基界面。本发明的一种多层膜系统光能分布测量方法，采用光谱椭偏仪和台阶仪分别测量基底及各层膜的折射率、消光系数以及各层膜的厚度，然后构建虚拟的多层膜系统，分别通过等效界面方法计算各个界面上、下的光能分布情况，从而通过比较各个界面和各层膜上、下的光能分布情况，就能得到各界面和各层膜对光能分布的影响。测量方法简单方便，测量结果稳定可靠。特别地，步骤202，203均可以通过计算机程序实现，可以植入光谱椭偏仪的软件系统，作为光谱椭偏仪的数据分析模块，拓宽光谱椭偏仪的应用领域，也可以单独使用，适用范围广泛。
图I为多层膜系统结构示意图；图2为本发明多层膜系统光能分布测量方法流程图；图3为Cu (In，Ga) Se2太阳能电池结构示意图；图4a为Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中跨过各界面处的反射率分布曲线；图4b为Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中跨过各界面处的透射率分布曲线；图4c为Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中跨过各界面处的吸收率分布曲线；图5a为Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中逼近各界面处的反射率分布曲线；图5b为Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中逼近各界面处的透射率分布曲线；图5c为Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中逼近各界面处的吸收率分布曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。如图I所示，多层膜系统的结构包括入射介质U，薄膜LpL2'…、Lp和基底Lj+1。利用光谱椭偏仪和台阶仪对多层膜系统进行测量，获得入射介质、薄膜和基底的折射率IVn2>…、nj+1和消光系数kQ、kp k2、…、kj+1,以及各层薄膜的厚度屯、d2、…、d」。下面以图I为例，详细描述本发明多层膜系统的光能分布测量方法，其流程图如图2所示，包括步骤步骤201、分别测量入射介质、各层膜及基底的光学常数和薄膜厚度。具体地，材料光学常数包括折射率η和消光系数k，入射介质、各层膜及基底的光学常数和薄膜厚度可采用下述方法测量(I)采用光谱椭偏仪测量基底折射率η和消光系数k ；(2)在基底上逐层制备单层膜，测量每一层膜的折射率η、消光系数k和薄膜厚度CL具体地，如果该层膜为介质材料(k = O)，则可以利用光谱椭偏仪同时测量材料的折射率η和物理厚度d;如果该层膜为吸收材料(k古O)，则可以先通过该层膜的透明区(k=O)测出其物理厚度d，然后输入到光谱椭偏仪分析程序测出全光谱范围的折射率η和消光系数k ;如果该层膜在光谱椭偏仪的光谱范围均有吸收(k Φ O)，则可以先通过台阶仪测出其物理厚度d，然后输入到光谱椭偏仪分析程序，测出全光谱范围的折射率η和消光系数k。如果入射介质为空气，可令入射介质的折射率η = 1，消光系数k = O。如果入射介质为固体或液体材料，则可以直接利用光谱椭偏仪测试。步骤202、对每一界面，测量入射光无限接近该界面时的反射、透射和吸收率。具体地，多层膜系统由入射介质、多层膜、基底、多个界面(含顶膜表面、膜间界面及膜基界面)构成，对连续、均匀、各向同性的平面多层膜系统来说，薄膜对光的吸收只发生在薄膜内部，薄膜对光的反射只发生在表面和界面处，总入射光减去反射光和透射光可以得到膜基系统的吸收光。
入射光无限接近某界面时的反射、透射和吸收率的测量方法包括步骤(I)读取与该界面相邻的入射侧薄膜的光学常数；(2)用与该界面相邻的的入射侧薄膜的光学常数构造虚拟基底，取代出射侧所有薄膜与基底，构建虚拟多层膜系统；(3)采用等效界面方法计算上述虚拟多层膜系统的反射率和透射率，然后根据式(I)计算该系统的吸收率A = I-R-T (I)其中A为吸收率，R为反射率，T为透射率。需要说明的是等效界面方法，出自《现代光学薄膜技术》第一章20页至33页(书号ISBN 978-7-308-04977，出版日期2006年11月第I版)，属于现有技术，这里不再赘述。步骤203、对每一界面，测量入射光刚刚跨过某界面时的反射、透射和吸收率。具体地，入射光刚刚跨过某界面时的反射、透射和吸收率的测量方法包括步骤(I)读取与该界面相邻的出射侧薄膜的光学常数；(2)用与该界面相邻的出射侧薄膜的光学常数构造虚拟基底，取代出射侧所有薄膜与基底，构建虚拟多层膜系统；(3)采用等效界面方法计算上述虚拟多层膜系统的反射率和透过率，然后根据式(I)计算该系统的吸收率。步骤204、按照从顶膜表面到膜基界面的顺序排列获得的光能分布信息，比较相邻两个测量结果，得到各界面及各层膜对光能分布的影响结果把通过步骤202和步骤203得到的数据进行比较，即可得到该界面对光能分布的影响。具体地，多层膜系统表面和界面对光能分布影响的研究方法为(I)获得入射光刚刚跨过某界面时的反射、透射和吸收率；(2)获得入射光无限接近下一界面时的反射、透射和吸收率；(3)采用(I)、(2)所述方法对每层膜上、下两个界面处的光能分布进行计算，获取上、下界面处的光能分布信息；(4)按照从顶膜表面到膜基界面的顺序排列获得的光能分布信息，对比这些信息可以获得多层膜系统中的光能分布及各层膜和各界面对光能分布的影响。其中，对比入射光无限接近某界面和刚刚跨过该界面的反射、透射和吸收率，获得该 界面对光能分布的影响；对比刚刚跨过某界面和无限接近下一界面的反射、透射和吸收率获得该层膜对光能分布的影响。为进一步阐明本发明，下面将以&1(111，6&)562(简称(165)太阳能电池为例，测量其中各界面附近的光能分布情况。Cu(In，Ga) Se2电池结构如图3所示，玻璃基底上依次生长 Mo、Cu (In, Ga) Se2> CdS、本征 ZnO (简称 i-ZnO)、Al 掺杂 ZnO (简称 ZnO: Al)五层薄膜，入射介质为空气。Cu (In，Ga) Se2电池中各薄膜层和玻璃基底的折射率和消光吸收，以及各薄膜层的厚度通过光谱椭偏仪和台阶仪测量而得。利用测得的光学常数和薄膜厚度数据，对Cu(In，Ga) Se2太阳能电池中各界面附近的光能分布进行计算，得到跨过空气/Ζη0:Α1、ZnO: ΑΙ/i-ZnO、i-ZnO/CdS、CdS/Cu (In, Ga) Se2、Cu (In, Ga) Se2/Mo 和 Mo/ 玻璃各界面处的光能分布，以及逼近 Zn0:Al/i-Zn0、i-ZnO/CdS、CdS/Cu (In, Ga) Se2, Cu (In, Ga) Se2/Mo 和 Mo/玻璃各界面处的光能分布，详细结果如图4和图5所示。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种多层膜系统光能分布测量方法，用于测量多层膜系统中各界面及各层膜对光能分布的影响，其特征在于，所述方法包括步骤 (1)分别测量入射介质、各层膜及基底的光学常数和薄膜厚度； (2)对每一界面，测量入射光无限接近该界面时的反射率、透射率和吸收率； (3)对每一界面，测量入射光刚刚跨过该界面时的反射率、透射率和吸收率； (4)按照从顶膜表面到膜基界面的顺序排列获得的光能分布信息，比较相邻两个测量结果，得到各界面及各层膜对光能分布的影响结果。
2.如权利要求I所述的光能分布测量方法，其特征在于，所述步骤(I)进一步包括 (I. D测量基底折射率和消光系数； (I. 2)在基底上逐层制备单层膜，测量每一层膜的折射率、消光系数和薄膜厚度。
3.如权利要求I所述的光能分布测量方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步包括 (2. I)读取与该界面相邻的入射侧薄膜的光学常数； (2. 2)用与该界面相邻的入射侧薄膜的光学常数构造虚拟基底，取代出射侧所有薄膜与基底，构建虚拟多层膜系统； (2. 3)采用等效界面方法得到所述虚拟多层膜系统的反射率和透射率，然后计算出吸收率。
4.如权利要求I所述的光能分布测量方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括 (3. I)读取与该界面相邻的出射侧薄膜的光学常数； (3. 2)用与该界面相邻的出射侧薄膜的光学常数构造虚拟基底，取代出射侧所有薄膜与基底，构建虚拟多层膜系统； (3. 3)采用等效界面方法得到所述虚拟多层膜系统的反射率和透射率，然后计算出吸收率。
5.如权利要求I所述的光能分布测量方法，其特征在于，对比入射光无限接近某界面和刚刚跨过该界面的反射、透射和吸收率，获得该界面对光能分布的影响。
6.如权利要求I所述的光能分布测量方法，其特征在于，对比刚刚跨过某界面和无限接近下一界面的反射、透射和吸收率获得该层膜对光能分布的影响。
7.如权利要求3或4所述的光能分布测量方法，其特征在于，所述吸收率的计算公式如下A = I-R-T 其中A为吸收率，R为反射率，T为透射率。
8.如权利要求1-6任一权利要求所述的光能分布测量方法，其特征在于，所述各界面包括顶膜表面、膜间界面及膜基界面。
全文摘要
本发明公开了一种多层膜系统光能分布测量方法，采用光谱椭偏仪和台阶仪分别测量基底及各层膜的折射率、消光系数以及各层膜的厚度，然后构建虚拟的多层膜系统，分别通过等效界面方法计算各个界面上、下的光能分布情况，从而通过比较各个界面和各层膜上、下的光能分布情况，就能得到各界面和各层膜对光能分布的影响。本发明测量方法简单方便，测量结果稳定可靠，适用范围广泛。
文档编号G01N21/17GK102830068SQ201210274398
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者张晓勇, 毛启楠, 王东, 于平荣 申请人:北京大学