太陽能選擇吸收薄膜是太陽能集熱器的關(guān)鍵部分, 本文提出基于Al2O3 介質(zhì)和金屬Cr 的多層結(jié)構(gòu)的選擇吸收膜系, 首先采用電子束熱蒸發(fā)在硅基底上沉積了單層Cr 薄膜, 通過橢偏儀測(cè)試并分析了Cr 薄膜的光學(xué)常數(shù)。在此基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了Al2O3-Cr 四層和六層選擇吸收膜系, 比較了兩種膜系的吸收率和發(fā)射率。其次, 對(duì)六層結(jié)構(gòu)的選擇吸收膜系進(jìn)行了允差分析, 給出了最敏感層厚度相對(duì)誤差為20%時(shí), 選擇吸收膜的吸收率和發(fā)射率。最后, 采用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)在玻璃基底上制備了六層結(jié)構(gòu)的選擇吸收膜, 測(cè)試結(jié)果表明, 該膜系在常溫下的吸收率可以到達(dá)0.96, 發(fā)射率為0.043。并通過計(jì)算給出了制備的六層選擇吸收膜在100, 200, 300, 400, 500℃下的發(fā)射率分別為0.045, 0.052, 0.063, 0.071 和0.092。

　　隨著太陽能利用的日益增長(zhǎng), 人們對(duì)光-熱轉(zhuǎn)換的太陽能集熱器的利用率要求愈來愈高, 特別是隨著近年來光熱發(fā)電的迅速發(fā)展, 使集熱器的工質(zhì)溫度從以前的100~ 200 ℃向300℃ , 甚至更高的溫度范圍發(fā)展。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為為此必須研制出高性能的太陽能選擇吸收薄膜以滿足日益發(fā)展的需要。

　　理想的太陽能選擇吸收薄膜必須具備在太陽輻射光譜范圍( 0.3~ 2.5 um) 內(nèi)具有最大的吸收率, 同時(shí)為了減少吸收熱板的熱輻射損失, 又必須具備在2.5~ 25 um 光譜范圍內(nèi)具有最小的熱輻射率, 即最小的發(fā)射率。通常, 把能獲得這種效果的表面涂層或薄膜就稱為太陽能選擇吸收薄膜。圖1 給出了AM1. 5 太陽光譜的輻射出射度, 以及100, 300 和400 ℃ 三種不同溫度下黑體的輻射光譜曲線。圖1中, 倒Z型的反射率光譜曲線是理想的選擇吸收薄膜的反射率光譜曲線。

圖1 太陽輻射光譜, 三個(gè)溫度下的黑體輻射和太陽能選擇吸收光譜

　　中國(guó)從80 年代開始加快了在太陽能選擇吸熱材料方面的研究, 清華大學(xué)、北京太陽能研究所等單位先后研制出一系列優(yōu)良的選擇性涂層薄膜。所研制的黑鈷選擇性吸收涂層具有良好的光譜選擇性,適合應(yīng)用在工作溫度較高的真空集熱管上。近來國(guó)內(nèi)外在制備工藝上主要利用電化學(xué)和磁控濺射方法, 所研制的選擇性吸收涂層材料向多層化, 梯度化發(fā)展。國(guó)外, 以色列、葡萄牙和澳大利亞等國(guó)在這方面都有較大的發(fā)展。從目前已達(dá)到的水平來看,光熱轉(zhuǎn)換材料的性能還可進(jìn)一步提高, 這就需要人們不斷探索新的材料體系和制備工藝, 新材料、新工藝的出現(xiàn)可進(jìn)一步提高人類利用太陽能的水平。目前, 文獻(xiàn)上發(fā)表的有關(guān)選擇吸收薄膜系統(tǒng)相當(dāng)多, 其中包括金屬氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近年來出現(xiàn)的金屬陶瓷等諸多復(fù)合材料; 膜系也由最基本的干涉濾波型、體吸收型發(fā)展到多層漸變型和干涉吸收型; 制備工藝也由簡(jiǎn)單的噴涂、金屬氧化處理、化學(xué)轉(zhuǎn)換、電化學(xué)沉積等發(fā)展到真空蒸鍍和磁控濺射等制備方法。

　　在用磁控濺射方法制備金屬陶瓷型選擇吸收膜時(shí), 金屬陶瓷中金屬的含量受制備工藝參數(shù)的影響較大, 使得膜層的控制具有一定的困難, 且靶容易中毒。本文采用Al2O3 介質(zhì)和金屬Cr 兩種材料, 設(shè)計(jì)并制備了Al2O3-Cr 多層選擇吸收薄膜, 通過對(duì)膜系結(jié)構(gòu)以及膜系的敏感層的允差分析, 給出了最敏感層厚度相對(duì)誤差為20% 時(shí)的反射率光譜以及該薄膜的吸收率和反射率, 最后成功研制出六層結(jié)構(gòu)的太陽能選擇吸收薄膜。

　　通過電子束熱蒸發(fā)技術(shù)所獲得的金屬Cr 薄膜的光學(xué)常數(shù)( 折射率和消光系數(shù)) , 采用Al2O3 介質(zhì)和金屬Cr 兩種薄膜材料設(shè)計(jì)了多層太陽能選擇吸收薄膜, 比較了四層結(jié)構(gòu)和六層結(jié)構(gòu)太陽能選擇吸收薄膜的理論反射率光譜曲線以及兩種結(jié)構(gòu)選擇吸收膜系的吸收率和反射率。對(duì)最終選用的六層結(jié)構(gòu)的太陽能選擇吸收膜的膜系進(jìn)行了敏感層分析和允差分析, 計(jì)算了最敏感層厚度相對(duì)誤差為20% 情況下膜系的反射率光譜曲線, 以及理論的吸收率和發(fā)射率, 從而對(duì)該膜系的實(shí)際鍍制提供了理論依據(jù)。通過電子束熱蒸發(fā)技術(shù)實(shí)際鍍制了該六層結(jié)構(gòu)的選擇吸收膜系, 從測(cè)試及計(jì)算的結(jié)果可以看出, 該六層結(jié)構(gòu)的選擇吸收膜的室溫吸收率高達(dá)0.96, 反射率低于0.043。給出了100, 200, 300, 400, 500 ℃下的發(fā)射率分別為0.045, 0.052, 0.063, 0.071 和0.092。為中高溫太陽能選擇吸收膜的設(shè)計(jì)和制備提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。