非晶硅光电池光谱特性研究

周碧云 王辰泽 李菲 吴小杰 王岩

摘要：人眼对于不同颜色的光敏感度是不同的，当不同波长的外界光线对于人眼亮度感觉相同时，这些光线的实际亮暗程度是不同的[1-2]。可以用不同波长光辐射功率的倒数来衡量人眼对不同波长光明亮感觉的灵敏程度，我们将其定义为视觉函数[3-4]，在暗视觉情况下，人眼的视觉函数曲线会发生变化，此时人眼最敏感的波长变为505nm，相对视觉函数也会发生改变。因此，本文将非晶硅光电池作为视网膜假体感光单元，代替视网膜上的感光细胞，除了需要其对光亮度敏感，还需要对其光谱敏感特性进行测量。进一步，我们搭建了测量光路来测量非晶硅光电池的光谱敏感度曲线。

关键词：非晶硅;光电池;光谱

1.光谱敏感度曲线测量系统搭建

人眼的视觉与环境亮度密切相关。一般认为，环境亮度在10-3×104 cd/m2的视觉称为明视觉;当环境亮度在10-3 cd/m2以下时的视觉称为暗视觉。非晶硅光电池的光电效应已预示其具有很好的人眼明视觉效应。光源发出的光经透镜准直后，再经一半透半反镜分成两束，一束经过透镜汇聚到非晶硅光电池电极上，产生的电流信号由Keithley 6430數字源表（Tektronix， USA）接收，另一束经过透镜汇聚到PM100D功率计（Thorlabs， USA）监测功率变化。由于非晶硅光电池的光吸收谱线较宽，参考正常视觉的暗视和明视光谱敏感曲线，我们选择明暗视觉曲线焦点对应的波长，即532nm，也是人眼最为敏感的波长，作为测量光源。考虑到测量光源的功率要符合明视觉环境亮度，因此，在实验测量光路中采用衰减片来调节光源输出功率，以满足人眼明视觉环境亮度要求。测量光路如图1所示，整个装置可以分为三个部分：光源、光路单元和信号采集单元，下面对其依次进行介绍。

光源。实验采用的光源为日本HAMAMATSU公司生产的L10290紫外-可见光纤输出光源，为了得到在可见光波段范围分布的光源，本论文中我们采用卤钨灯，同时，利用功率计我们测量了该光源发出的光最终达到光电池上的光功率。视网膜的光密度约为[5-6]，通过对此光源的光功率进行测量，其最大功率约为13，而非晶硅光电池的感光面积为，可以计算出到达光电池的最大光密度为52，满足人眼视网膜的要求。

光路单元。光路部分包括透镜、光栅光谱仪以及透镜。其中透镜1选择直径25.4mm，焦距50mm的平凸透镜，由于出口处光斑的发散角大约为，则透镜的直径应大于，透镜的直径一般为25.4mm，因此焦距选择50mm，透镜在这里起到了准直的作用，即从光源处出来的光经过透镜变为了平行光，因此透镜选择平凸透镜，且透镜距离光源的距离等于f。但在实际过程中，光斑在出口处有一定的大小，不能当做点光源，因此其距离小于50mm。由图可知，在实际搭光路的过程中，其距离为45mm。光栅光谱仪的波长范围为200-900nm，最小扫描步长1nm，分辨率达到0.1nm。

信号采集单元。信号采集单元采用的是美国泰克公司生产的Keithley 6430数字源表，配有专用的远端前置放大器。样品信号经过信号采集线传输至放大器，再经放大器传输至数字源表主机上，然后输出显示。Keithley 6430最小量程为100nA，最小分辨率为50fA。为了提高测量的精度，远端前置放大器和样品均置于屏蔽室内，以此减少外界环境所产生的噪声。

2.非晶硅光电池光谱敏感度曲线

利用前面搭建的光路，我们测量了非晶硅光电池的光谱敏感度曲线，如图2所示。可以看出，非晶硅光电池只对可见光（300～750nm）敏感，对于波长大于750nm的近红外光，非晶硅光电池没有响应，这与我们前面理论计算出的非晶硅光电池的截止波长一致。同时，我们也可以看出，非晶硅光电池最敏感的波长为560nm，在560nm的两侧，随着波长的增加或减小，敏感度逐渐降低。

人眼的感光范围在300～750nm波段范围内，在明视觉情况下，人眼最敏感的波长为555nm，在555nm两侧，随着波长的增加或减小视觉函数值逐渐降低。当波长大于800nm时，视觉函数值降为0，说明对于红外光，人眼是不敏感的。对比标准人眼的视觉函数曲线与实验测得的非晶硅光电池光谱敏感度曲线，可以看出，在明视觉情况下二者非常相似，其最敏感波长相差5nm，同时曲线形状与相应范围都非常一致。传统的视网膜假体采用单晶硅作为主要材料，硅光电池的禁带宽度较小，在温度为300K时，其禁带宽度约为1.12ev，截止波长约为1100nm。因此硅MPDA视觉假体光响应的波段范围在400～1100nm，最敏感的波长位于900nm。在波长大于800nm的近红外光刺激下，硅仍能产生刺激电流对人眼进行电刺激，在这些干扰信号的作用下，会严重影响人眼对于正常物体的感知。利用非晶硅光电池则可以有效避免红外光等人眼不需要的杂散信号的干扰，只允许可见光对人眼进行电刺激，符合正常人眼的认知。

人眼的视网膜上有三种色敏细胞，它们各自的相对视觉函数曲线分布如图3（a）所示，其中代表红色，代表绿色，代表蓝色，它们的峰值分别位于580nm、540nm、440nm。由于对于蓝色的明暗程度太低，因此将图中曲线幅度放大了20倍。每一种色敏细胞感应波长都有交叉重叠的部分，很多单色光同时被两种色敏细胞感应。例如，对于波长为600nm的单色光，它同时处于红敏细胞和绿敏细胞的相对视觉函数曲线下，因此它同时刺激了红敏细胞和绿敏细胞，引起了混合的感觉。而当混合的感觉同时传递到视神经时，引起的视觉感觉就是黄色。正是由于这三种视敏细胞刺激的混合，才使我们看到五光十色的世界。对于非晶硅光电池，其对440nm、540nm、580nm三个波长的感度如图3（b）所示，可以看出，非晶硅光电池对这三个波长都具有较高的敏度度，其中对波长为540nm的绿光最敏感，对波长为440nm的蓝光敏感度最低，与人眼对于这三种波长的敏感度一致，因此，利用非晶硅光电池来代替视网膜的感光细胞，能够保证患者在假体植入后看见所有的颜色，最大程度的恢复患者的视觉。

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