太阳能选择性吸收薄膜材料选择与吸收机理
经过数十年的科学研究，太阳能选择性吸收薄膜材料在选用及吸收表面的结构研究等方面有了很大的发展。当辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子(原子、离子或分子等) 选择性地吸收从而使辐射强度减弱，这就是辐射的吸收。其吸收的实质，在于吸收使物质粒子发生由低能级向高能级的跃迁。被选择性吸收的辐射光子能量，应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差，光子的能量相对应的能级跃迁，才具有好的选择吸收性。表1 给出了几种金属及其硫化物和氧化物的能级跃迁值。
从表1 可以看出，由于其自身的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹配的材料性能，金属、金属氧化物、金属硫化物和半导体等成为制备太阳能选择性薄膜的主要材质，形成了以本征吸收型、半导体吸收- 反射金属串列型、表面微不平型、电介质- 金属干涉叠层型、电介质- 金属复合型和上述几种类型的综合应用为主要类型的多种选择性吸收薄膜。
表1 一些物质的能级跃迁值
(a)本征吸收膜
又称体吸收型膜，此种类型的材料包括半导体材料和一些过渡族金属以及它们的氮化物、硼化物、碳化物。半导体的本征吸收是指价带电子吸收光子能量后，从价带跃迁到导带所形成的吸收过程。式hν0≤Eg ( h 是普朗克常数，ν0 是光的频率，Eg 是禁带宽度)即表示光子的能量不得小于半导体的禁带宽度，这是产生本征吸收所要具备的条件。波长λ>λc 的红外光因为能量低不被吸收而透过膜层, 利用金属基体的高反射特性, 构成了半导体膜的光谱选择性吸收作用。一些过渡族金属以及它们的氮化物、硼化物、碳化物，其吸收机理类似于半导体，故成为制备本征吸收膜的主要材料。
(b) 电介质- 金属复合材料膜
金属陶瓷膜即属于此类薄膜。这是一种在电介质基体中嵌入极细的金属粒子所形成的新材料。这种膜由于金属的带间跃迁和小颗粒的共振使涂层对太阳光谱有很强的吸收作用, 但在红外光区它们是透明的。金属粒子嵌在电介质基体的体积百分数称作金属填充因子，在复合材料中，金属粒子“悬浮”在基体中，结构和特性较为稳定。性能渐变的复合材料可构成渐变选择性吸收。由于制备方便，成分容易控制，因此其在太阳能选择性吸收薄膜中应用最为广泛。
(c)多层渐变膜
指从表层到底层折射率n、消光系数k 逐渐增加的若干层光学薄膜构成的膜系。渐变吸收层从紧靠底层金属处纯度极高的金属逐渐变化到紧靠减反射层的不含金属的介质层。膜系化学成分的浓度或者含量呈梯度变化。它对入射光线逐层吸收，以达到较高的太阳光谱吸收率兼顾尽可能低的发射率。
(d)微不平膜
又称光学陷阱膜。该膜采用物理或者化学方法使表面粗糙化，表面形成许多类似圆柱形空洞、蜂窝结构、“V”形沟或者形成树枝状的、微观上不平整、宏观上平整的显微表面。当光束入射到表面时，在这种表面进行多次反射，每反射一次，就实现一次吸收。虽然单次吸收比不高，但多次反射后总的吸收比却相当高。
(e) 光干涉膜
1972 年Seraphin 设计了一种四层结构的电介质- 金属干涉叠堆型选择性吸收膜。这种结构巧妙地应用了薄膜干涉现象，这类吸收表面具有相当好的稳定性，即使在高温下其发射率都很低。干涉- 增强选择性吸收叠堆膜又称为电介质层- 吸收层- 电介质层叠堆膜，简称D-A-D膜堆。这种结构中，最底层是反射层，半透明金属上、下都是没有吸收(消光系数k=0)的纯电介质层。设计时应保证电介质层光学膜厚在中心波长(如500 nm)处实现相消干涉，以降低表面反射，增加吸收。
上述五类选择性吸收膜结构如图2 所示。
图2 五类选择性吸收薄膜
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