太陽能選擇吸收薄膜是太陽能集熱器的關鍵部分, 本文提出基于Al2O3 介質和金屬Cr 的多層結構的選擇吸收膜系, 首先采用電子束熱蒸發(fā)在硅基底上沉積了單層Cr 薄膜, 通過橢偏儀測試并分析了Cr 薄膜的光學常數(shù)。在此基礎上分別設計了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, 對六層結構的選擇吸收膜系進行了允差分析, 給出了最敏感層厚度相對誤差為20%時, 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)技術在玻璃基底上制備了六層結構的選擇吸收膜, 測試結果表明, 該膜系在常溫下的吸收率可以到達0.96, 發(fā)射率為0.043。并通過計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, 人們對光-熱轉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。真空技術網(http://smsksx.com/)認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) 內具有最大的吸收率, 同時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, 三個溫度下的黑體輻射和太陽能選擇吸收光譜

　　中國從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、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,適合應用在工作溫度較高的真空集熱管上。近來國內外在制備工藝上主要利用電化學和磁控濺射方法, 所研制的選擇性吸收涂層材料向多層化, 梯度化發(fā)展。國外, 以色列、葡萄牙和澳大利亞等國在這方面都有較大的發(fā)展。從目前已達到的水平來看,光熱轉換材料的性能還可進一步提高, 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)可進一步提高人類利用太陽能的水平。目前, 文獻上發(fā)表的有關選擇吸收薄膜系統(tǒng)相當多, 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; 制備工藝也由簡單的噴涂、金屬氧化處理、化學轉換、電化學沉積等發(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, 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 介質和金屬Cr 兩種材料, 設計并制備了Al2O3-Cr 多層選擇吸收薄膜, 通過對膜系結構以及膜系的敏感層的允差分析, 給出了最敏感層厚度相對誤差為20% 時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構的太陽能選擇吸收薄膜。

　　通過電子束熱蒸發(fā)技術所獲得的金屬Cr 薄膜的光學常數(shù)( 折射率和消光系數(shù)) , 采用Al2O3 介質和金屬Cr 兩種薄膜材料設計了多層太陽能選擇吸收薄膜, 比較了四層結構和六層結構太陽能選擇吸收薄膜的理論反射率光譜曲線以及兩種結構選擇吸收膜系的吸收率和反射率。對最終選用的六層結構的太陽能選擇吸收膜的膜系進行了敏感層分析和允差分析, 計算了最敏感層厚度相對誤差為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, 從而對該膜系的實際鍍制提供了理論依據(jù)。通過電子束熱蒸發(fā)技術實際鍍制了該六層結構的選擇吸收膜系, 從測試及計算的結果可以看出, 該六層結構的選擇吸收膜的室溫吸收率高達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計和制備提供了理論和實踐基礎。