Al2O3-Cr多层中高温选择吸收薄膜的研究

　　太阳能选择吸收薄膜是太阳能集热器的关键部分, 本文提出基于Al2O3 介质和金属Cr 的多层结构的选择吸收膜系, 首先采用电子束热蒸发在硅基底上沉积了单层Cr 薄膜, 通过椭偏仪测试并分析了Cr 薄膜的光学常数。在此基础上分别设计了Al2O3-Cr 四层和六层选择吸收膜系, 比较了两种膜系的吸收率和发射率。其次, 对六层结构的选择吸收膜系进行了允差分析, 给出了最敏感层厚度相对误差为20%时, 选择吸收膜的吸收率和发射率。最后, 采用电子束热蒸发技术在玻璃基底上制备了六层结构的选择吸收膜, 测试结果表明, 该膜系在常温下的吸收率可以到达0.96, 发射率为0.043。并通过计算给出了制备的六层选择吸收膜在100, 200, 300, 400, 500℃下的发射率分别为0.045, 0.052, 0.063, 0.071 和0.092。

　　随着太阳能利用的日益增长, 人们对光-热转换的太阳能集热器的利用率要求愈来愈高, 特别是随着近年来光热发电的迅速发展, 使集热器的工质温度从以前的100~ 200 ℃向300℃ , 甚至更高的温度范围发展。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为为此必须研制出高性能的太阳能选择吸收薄膜以满足日益发展的需要。

　　理想的太阳能选择吸收薄膜必须具备在太阳辐射光谱范围( 0.3~ 2.5 um) 内具有最大的吸收率, 同时为了减少吸收热板的热辐射损失, 又必须具备在2.5~ 25 um 光谱范围内具有最小的热辐射率, 即最小的发射率。通常, 把能获得这种效果的表面涂层或薄膜就称为太阳能选择吸收薄膜。图1 给出了AM1. 5 太阳光谱的辐射出射度, 以及100, 300 和400 ℃ 三种不同温度下黑体的辐射光谱曲线。图1中, 倒Z型的反射率光谱曲线是理想的选择吸收薄膜的反射率光谱曲线。

图1 太阳辐射光谱, 三个温度下的黑体辐射和太阳能选择吸收光谱

　　中国从80 年代开始加快了在太阳能选择吸热材料方面的研究, 清华大学、北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层薄膜。所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性,适合应用在工作温度较高的真空集热管上。近来国内外在制备工艺上主要利用电化学和磁控溅射方法, 所研制的选择性吸收涂层材料向多层化, 梯度化发展。国外, 以色列、葡萄牙和澳大利亚等国在这方面都有较大的发展。从目前已达到的水平来看,光热转换材料的性能还可进一步提高, 这就需要人们不断探索新的材料体系和制备工艺, 新材料、新工艺的出现可进一步提高人类利用太阳能的水平。目前, 文献上发表的有关选择吸收薄膜系统相当多, 其中包括金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近年来出现的金属陶瓷等诸多复合材料; 膜系也由最基本的干涉滤波型、体吸收型发展到多层渐变型和干涉吸收型; 制备工艺也由简单的喷涂、金属氧化处理、化学转换、电化学沉积等发展到真空蒸镀和磁控溅射等制备方法。

　　在用磁控溅射方法制备金属陶瓷型选择吸收膜时, 金属陶瓷中金属的含量受制备工艺参数的影响较大, 使得膜层的控制具有一定的困难, 且靶容易中毒。本文采用Al2O3 介质和金属Cr 两种材料, 设计并制备了Al2O3-Cr 多层选择吸收薄膜, 通过对膜系结构以及膜系的敏感层的允差分析, 给出了最敏感层厚度相对误差为20% 时的反射率光谱以及该薄膜的吸收率和反射率, 最后成功研制出六层结构的太阳能选择吸收薄膜。

　　通过电子束热蒸发技术所获得的金属Cr 薄膜的光学常数( 折射率和消光系数) , 采用Al2O3 介质和金属Cr 两种薄膜材料设计了多层太阳能选择吸收薄膜, 比较了四层结构和六层结构太阳能选择吸收薄膜的理论反射率光谱曲线以及两种结构选择吸收膜系的吸收率和反射率。对最终选用的六层结构的太阳能选择吸收膜的膜系进行了敏感层分析和允差分析, 计算了最敏感层厚度相对误差为20% 情况下膜系的反射率光谱曲线, 以及理论的吸收率和发射率, 从而对该膜系的实际镀制提供了理论依据。通过电子束热蒸发技术实际镀制了该六层结构的选择吸收膜系, 从测试及计算的结果可以看出, 该六层结构的选择吸收膜的室温吸收率高达0.96, 反射率低于0.043。给出了100, 200, 300, 400, 500 ℃下的发射率分别为0.045, 0.052, 0.063, 0.071 和0.092。为中高温太阳能选择吸收膜的设计和制备提供了理论和实践基础。