高温选择性吸收涂层的研究现状

2022-09-14

近些年,随着能源及环境问题的日益突出,太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,由于其清洁、不会对环境产生污染等特点而受到广泛关注。因而各种利用太阳能的新材料、新设计、新技术都成为当今新能源领域的研究热点[1,2] 。

1 涂层的分类

根据涂层材料的工作机理可以将其分为本征吸收涂层、金属半导体吸收涂层、光干涉型涂层、金属电介质复合陶瓷涂层、表面微不平吸收涂层、热镜反射涂层等。制备方法主要有表面涂覆法、电化学法、真空蒸镀法、磁控溅射法等。常见的选择性涂层主要有以下三种:

(1)本征吸收涂层

是指利用材料本身对太阳光谱的选择性吸收来完成储能,典型材料有Hf C,Re O3等。此外,这类涂层中的吸收层多为过渡族金属或半导体,因此也常称为半导体型吸收涂层。太阳光谱波长主要集中在2.5um以下,相对应的半导体的禁带宽度为0.5e V,其截止波长为λc。根据半导体特点,半导体涂层只吸收禁带宽度大于0.5e V的光子,当入射波长为λ<λc时,电子发生跃迁,引起电子与晶格中质点碰撞,将光能转化为热能;而波长λ>λc时因为能量低不被吸收而透过膜层。同时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,其吸收比可达0.9以上。不过半导体薄膜在使用前须经多孔处理或覆盖一层减反层,因为多数半导体的折射系数都比较高,表面反射造成的能量损失相当可观。

(2)光干涉型涂层

是利用太阳光在不同膜层中的干涉和吸收效应,通过非吸收介质膜、吸收复合膜和金属基底膜来实现对可见光区的吸收。因此,光干涉涂层是由若干层有确定光学常数和规定厚度的光学薄膜交替组成。这类涂层有Al2O3-Mo Ox-Al2O3/Mo涂层、双层黑镍和双层黑铬、Al N-Al/Al与Ni/Ni O-Al N/Al2O3涂层等。

(3)金属电介质复合陶瓷涂层

是由小金属颗粒分散在电介质中形成的,金属的带间跃迁和小颗粒的共振使其对太阳光谱有很强的吸收作用,并对红外光区呈现透明。同时,金属粒子的存在使得金属陶瓷选择性吸收表面具有良好的热稳定性,具有制备工艺简单、光学性能好等特点,广泛应用于太阳能热利用领域。此外,在这类涂层结构中,电介质材料的选择也很重要。一般要求电介质材料具有更低的折射率和高的稳定性,从而大幅度降低陶瓷涂层最外层的反射。典型的涂层主要有以Al2O3为电介质材料,Pt、Ni、Mo、W等金属为基体材料制成的涂层,如Cr-Cr2O3、Ni-Al2O3、MoAl2O3、Fe-Al2O3、Co-Al2O3和Pt-A12O3等。

2 涂层的研究现状

近些年,关于高温选择性吸收涂层材料的研究受到广泛关注。研究发现许多过渡族金属和半导体材料都表现出对光的选择性吸收特性,同时也具有很好的耐高温性、抗氧化性以及光学性能。其中,金属电介质复合陶瓷涂层是一种应用潜力很大的涂层材料,具有制备工艺简单、光学性能好等多种特点,被广泛应用于太阳能热利用领域。典型的涂层主要有以Al2O3为电介质材料,Pt、Mo、Ni、W等金属为基体材料制成的涂层,如Cr-Cr2O3、Ni-Al2O3、Mo-Al2O3、Fe-Al2O3、Co-Al2O3和Pt-A12O3等。此外,Al N,Mg O,Si O2等材料作为新的电介质材料被大量研究。J.Wang等人研究了Mo-Si O2涂层,通过磁控溅射的方法在无定形基体上沉积而成,光学研究发现其吸收率为0.95,发射率为0.097(80℃),并在800℃的真空环境下保持热稳定状态,能够满足高温涂层的要求。

然而,金属电介质涂层材料存在金属过渡族元素和氧的扩散的问题,使其在高温空气中的性能下降比较明显。Mo-Al2O3涂层在高温退火后性能下降明显,表面形态观察发现Al2O3膜层随退火温度增加裂隙增大,导致吸收性能降低。Ti1-xAlxN和Ti N涂层经常表现出高硬度、高耐磨性、抗腐蚀和抗氧化性的特性。Si3N4/Si-Ge/Ag涂层的反射层是由低热辐射的Ag通过沉积的方式制得,研究发现Ag会在300℃以上发生结块现象。

3 结语

因此,对于高温光谱选择吸收涂层出现的以上问题,一般通过生成钝化层、难扩散层、构建合理的多层膜结构或在涂层中形成纳米晶、非晶等方式来改善光的吸收性能及稳定性。

摘要:从高温选择吸收涂层材料的分类、研究现状等方面简要阐述了高温选择性涂层的发展以及存在的问题。

关键词:选择性吸收涂层,分类,研究现状

参考文献

[1] KENNEDY C E.Review of mid to high temperature solar selective absorber materials[M].Golden Colorado:National Renewable Energy Laboratory,2002.

[2] GRANQVIST C G.Solar energy materials[J].Advanced Materials,2003,15(21):1789-1803.

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