太陽(yáng)能選擇性吸收薄膜材料選擇與吸收機(jī)理
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的科學(xué)研究，太陽(yáng)能選擇性吸收薄膜材料在選用及吸收表面的結(jié)構(gòu)研究等方面有了很大的發(fā)展。當(dāng)輻射通過(guò)物質(zhì)時(shí)，其中某些頻率的輻射被組成物質(zhì)的粒子(原子、離子或分子等) 選擇性地吸收從而使輻射強(qiáng)度減弱，這就是輻射的吸收。其吸收的實(shí)質(zhì)，在于吸收使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級(jí)向高能級(jí)的躍遷。被選擇性吸收的輻射光子能量，應(yīng)為躍遷后與躍遷前兩個(gè)能級(jí)間的能量差，光子的能量相對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷，才具有好的選擇吸收性。表1 給出了幾種金屬及其硫化物和氧化物的能級(jí)躍遷值。
從表1 可以看出，由于其自身的電子躍遷能級(jí)與可見(jiàn)光譜區(qū)的光子能量較為匹配的材料性能，金屬、金屬氧化物、金屬硫化物和半導(dǎo)體等成為制備太陽(yáng)能選擇性薄膜的主要材質(zhì)，形成了以本征吸收型、半導(dǎo)體吸收- 反射金屬串列型、表面微不平型、電介質(zhì)- 金屬干涉疊層型、電介質(zhì)- 金屬?gòu)?fù)合型和上述幾種類型的綜合應(yīng)用為主要類型的多種選擇性吸收薄膜。
表1 一些物質(zhì)的能級(jí)躍遷值
(a)本征吸收膜
又稱體吸收型膜，此種類型的材料包括半導(dǎo)體材料和一些過(guò)渡族金屬以及它們的氮化物、硼化物、碳化物。半導(dǎo)體的本征吸收是指價(jià)帶電子吸收光子能量后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所形成的吸收過(guò)程。式hν0≤Eg ( h 是普朗克常數(shù)，ν0 是光的頻率，Eg 是禁帶寬度)即表示光子的能量不得小于半導(dǎo)體的禁帶寬度，這是產(chǎn)生本征吸收所要具備的條件。波長(zhǎng)λ>λc 的紅外光因?yàn)槟芰康筒槐晃斩高^(guò)膜層, 利用金屬基體的高反射特性, 構(gòu)成了半導(dǎo)體膜的光譜選擇性吸收作用。一些過(guò)渡族金屬以及它們的氮化物、硼化物、碳化物，其吸收機(jī)理類似于半導(dǎo)體，故成為制備本征吸收膜的主要材料。
(b) 電介質(zhì)- 金屬?gòu)?fù)合材料膜
金屬陶瓷膜即屬于此類薄膜。這是一種在電介質(zhì)基體中嵌入極細(xì)的金屬粒子所形成的新材料。這種膜由于金屬的帶間躍遷和小顆粒的共振使涂層對(duì)太陽(yáng)光譜有很強(qiáng)的吸收作用, 但在紅外光區(qū)它們是透明的。金屬粒子嵌在電介質(zhì)基體的體積百分?jǐn)?shù)稱作金屬填充因子，在復(fù)合材料中，金屬粒子“懸浮”在基體中，結(jié)構(gòu)和特性較為穩(wěn)定。性能漸變的復(fù)合材料可構(gòu)成漸變選擇性吸收。由于制備方便，成分容易控制，因此其在太陽(yáng)能選擇性吸收薄膜中應(yīng)用最為廣泛。
(c)多層漸變膜
指從表層到底層折射率n、消光系數(shù)k 逐漸增加的若干層光學(xué)薄膜構(gòu)成的膜系。漸變吸收層從緊靠底層金屬處純度極高的金屬逐漸變化到緊靠減反射層的不含金屬的介質(zhì)層。膜系化學(xué)成分的濃度或者含量呈梯度變化。它對(duì)入射光線逐層吸收，以達(dá)到較高的太陽(yáng)光譜吸收率兼顧盡可能低的發(fā)射率。
(d)微不平膜
又稱光學(xué)陷阱膜。該膜采用物理或者化學(xué)方法使表面粗糙化，表面形成許多類似圓柱形空洞、蜂窩結(jié)構(gòu)、“V”形溝或者形成樹(shù)枝狀的、微觀上不平整、宏觀上平整的顯微表面。當(dāng)光束入射到表面時(shí)，在這種表面進(jìn)行多次反射，每反射一次，就實(shí)現(xiàn)一次吸收。雖然單次吸收比不高，但多次反射后總的吸收比卻相當(dāng)高。
(e) 光干涉膜
1972 年Seraphin 設(shè)計(jì)了一種四層結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)- 金屬干涉疊堆型選擇性吸收膜。這種結(jié)構(gòu)巧妙地應(yīng)用了薄膜干涉現(xiàn)象，這類吸收表面具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，即使在高溫下其發(fā)射率都很低。干涉- 增強(qiáng)選擇性吸收疊堆膜又稱為電介質(zhì)層- 吸收層- 電介質(zhì)層疊堆膜，簡(jiǎn)稱D-A-D膜堆。這種結(jié)構(gòu)中，最底層是反射層，半透明金屬上、下都是沒(méi)有吸收(消光系數(shù)k=0)的純電介質(zhì)層。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證電介質(zhì)層光學(xué)膜厚在中心波長(zhǎng)(如500 nm)處實(shí)現(xiàn)相消干涉，以降低表面反射，增加吸收。
上述五類選擇性吸收膜結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 五類選擇性吸收薄膜
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