2 太阳能选择性吸收涂层的基本原理

研究者通过对光谱选择性吸收涂层的长期研究，已经制备出了吸收率高、热稳定性好、耐候性强、抗老化程度高的涂层[2]。光谱选择性吸收涂层按吸收机理可以分为金属-电介质复合吸收、本征吸收、光干涉吸收、微不平表面等。在实际应用中，为了达到较好的光学性能，通常是使用两种或两种以上的吸收机理。

（1）金属-电介质复合吸收涂层

金属-电介质复合吸收涂层也称作金属陶瓷薄膜，是一种通过物理或化学的手段将极细的金属纳米粒子嵌入到电介质基体中得到的材料涂层。这种材料在可见光谱区内由于粒子能带之间的跃迁以及金属小颗粒的共振作用，使得材料对太阳光具有很强的选择吸收性。当这种材料在高红外反射膜上沉积时，就可以形成一个在可见光光谱具有高吸收率而在中红外光谱上具有低发射率的光谱选择性吸收涂层。常用的金属有 Al、Cr、Ni 、Co、Cu 、Mo 、W 等，电介质有 AlN 、Al2O3、Cr2O3 、NiO 、Co2O3 等[[[] 蒋家兴，赵剑曦，姜蓉。太阳光热转换吸收薄膜制备方法:现状与发展[J]。材料导报，2011,22（11）：101-104。]]。一般的过渡金属（如Cu、Ag、W、Mo、Ni等）都具有较高的熔点，且红外反射率较高，多用于充当金属陶瓷中的金属粒子。而陶瓷材料多选用在红外区域吸收较低的Al2O3、SiO2等折射率较低的透明材料，这种材料在高温下的稳定性相当好。金属陶瓷中，金属粒子在电介质基体中的体积分数、形状结构和大小都会对涂层的光学性能产生影响。高红外反射金属基底材料可以选择金属 Al 、Cu、不锈钢（SS）等，也可以通过在石英玻璃或硅片上镀制一层高红外金属反射膜（>10 nm）。金属-电介质复合吸收涂层主要是通过不同结构之间的光干涉原理实现对光谱的选择性吸收。涂层越薄、涂层中粒子尺寸越小对太阳光的吸收率越高，随着粒子尺寸的增加，涂层对可见光的吸收逐渐转化成散射，导致涂层吸收率降低。涂层中金属粒子浓度、层厚度的增加均会造成热发射率的升高[[[] 高祥虎, 赵鑫, 耿庆芬, 等。 光谱选择性太阳能吸收涂层的研究进展[J]。 材料导报, 2012, 26(13): 26-31。]]。因此，对于金属陶瓷光学性能的优化可以从陶瓷的厚度、调节材料的体积分数、金属粒子大小和形状等方面着手。还可以通过选择一种合适的电介质并増加一层的电介质减反层来提高陶瓷的吸收率，而且减反层对金属涂层能够起到保护作用。

目前研究较多的金属-电介质涂层有Cr-Cr2O3、M(Ni、Co、Mo、Ag、W、Pt、Al)-Al2O3、W-AlN、Al-AlN、Cu-SiO2、Mo-SiO2、Au-SiO2、Ni-SiO2等[[[] Juang R C,Yeh Y C,Chang B H,et al。Preparation of solar selective absorbing coating by magetron sputtering from a single stainless steel target [J]。 Thin Solid  Files,2010,518(19):5501]]。另外王聪[7]等人设计了双吸收层结构的Mo-SiO2光谱选择性吸收薄膜，采用磁控溅射工艺制备后得到的金属陶瓷涂层的吸收率为0。91～0。93，热发射率为0。19～0。27，体现出较好的光学性能。王聪[[[] Zhang Q C。 Recent progress in high-temperature solar selective coatings[J]。 Solar Energy Materials and Solar Cells, 2000, 62(1): 63-74。]]等人还以Al2O3作为减反层，采用直流反应磁控溅射工艺制备的Nb-NbN双吸收层结构的选择性吸收膜，其光谱吸收率达到0。94，发射率约为0。16，优质系数达到0。75，经500 oC的真空退火1 h后，样品的光学性能下降很少，说明样品具有较好的耐高温性能。另一方面山东大学的王现洋[[[] 王现洋。耐候性太阳能选择性吸收涂层的磁控溅射制备[D]。山东：上东大学]]采用磁控溅射法，对TiNXOy/SiO2的光谱选择性吸收膜进行了耐候性研究，获得了优化的涂层结构。