畢業(yè)論文——太陽能光譜選擇性吸收薄膜原理與實驗設(shè)計

1、<p>　　太陽能光譜選擇性吸收薄膜原理與實驗設(shè)計</p><p>　　]摘要：太陽能光譜選擇性吸收薄膜的制備是太陽能集熱器高效吸收稀薄的太陽能的關(guān)鍵技術(shù)。要制備出高效優(yōu)良的選擇性吸收薄膜，必須根據(jù)選擇性吸收理論和選擇合適的制備工藝。本文將對太陽能光譜選擇性薄膜的原理，發(fā)展及前景做一綜述并介紹自己的實驗設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能，選擇性吸收，薄膜, 原理，實驗設(shè)

2、計</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　太陽能集熱器效率的高低主要由兩個因數(shù)決定，一是集熱器對太陽輻射的吸收能力；一是集熱器的散熱損失程度。提高其效率的總的原則是要盡可能的吸收太陽輻射能并盡量的減小熱損失，而光譜選擇性薄膜就是對太陽的短波輻射具有良好的吸收性而本身只有少量的輻射的表面，因而，使用太陽能光譜選擇性吸收薄膜便是提高集熱器效率的最為

3、有效的措施之一。 </p><p>　　光譜選擇性吸收薄膜基本原理</p><p>　　光譜選擇性吸收薄膜的基本原理是由物質(zhì)的光譜選擇性輻射特性作為依據(jù)的。光譜的輻射特性表征著原子的輻射特性。當(dāng)原子獲得或失去能量時，電子就在不同的能量狀態(tài)之間躍遷，吸收或輻射出光子。因為不可能任意的兩個能量狀態(tài)之間都可能發(fā)生電子的躍遷，這樣便導(dǎo)致了物質(zhì)的光譜選擇性輻射。1860年基爾霍夫根據(jù)熱力學(xué)第二定律推

4、出基爾霍夫定律：對于給定的溫度和波長，所有表面的發(fā)射率與吸收率之比是相同的，且與黑體的相同，即αλ，T=ελ，T ，或αλ1，T≠ελ2，T（λ1≠λ2），即同一溫度下，同一物體對不同波長的輻射的單色吸收率和單色發(fā)射率是不同的，這就是太陽能光譜選擇性吸收表面的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　要高效地利用太陽能，就是希望集熱器表面的能量進的多出的少，具體地說要找到這樣的一種材料或設(shè)計一個系統(tǒng)，使它可以盡可能的吸收太

5、陽輻射而本身盡可能少的發(fā)射熱輻射，而利用光譜選擇性吸收薄膜就可以實現(xiàn)這樣的要求。在此考慮的是兩種物質(zhì)輻射，即地球表面的太陽輻射和集熱器表面的熱輻射，就是要盡可能多的吸收太陽輻射并盡可能減少集熱器表面的熱輻射。太陽輻射是可近似為6000K的高溫黑體輻射，而集熱器表面的只是幾百K的熱輻射，由普朗克定律可以得到半球方向光譜輻射密度與波長及溫度的關(guān)系，顯然高溫黑體的輻射能量分布曲線總是位于低溫黑體的能量分布曲線之上。太陽輻射的最大光譜輻射密度下

6、的波長可以根據(jù)維恩位移定律得到，λmT=2898μm·K, λm=2898/6000=0.483μm，可以根據(jù)普朗克得到在各個波長范圍內(nèi)輻射密度的比例。但投射到地球表面的太陽輻射由于大氣層的影響，使得照射密度和光譜組成都有所不同?？偟膩碚f，地球表面接受的太陽輻射主要分布在0.25~2.5μm的范圍內(nèi)。而集熱器表面的熱輻射是物質(zhì)運動的一種形式，是物質(zhì)分子無規(guī)則運動的結(jié)果，溫度范圍40~300℃，為長波輻射。按黑體輻射計算的話，可

7、以根據(jù)</p><p>　　從傳熱學(xué)的角度，可考察光譜選擇性吸收薄膜要滿足的條件。如對于一個太陽能的吸收表面，不考慮對流的情況下，當(dāng)吸收表面達到熱平衡時，則太陽對吸收表面的熱輻射與吸收表面的熱輻射達到平衡，可得到：</p><p>　　IAαs=εTσAT4 （1）</p><p>　　進一步變換為： T4=（αs/ε

8、T）（I/σ） （2）</p><p>　　其中： I：太陽輻射強度；</p><p><b>　　A：吸收表面面積；</b></p><p>　　αs：吸收表面對太陽輻射的吸收率；</p><p>　　εT：吸收表面的輻射率；</p><p>

9、　　σ：斯蒂分-波爾茲曼常數(shù)。</p><p>　　由（2）式可以看出，平衡溫度T與αs/εT的比值有關(guān)，其他條件不變的情況下，要提高平衡溫度T，就要有高的吸收率和發(fā)射率的比值。但是物體的單色吸收率和單色發(fā)射率是對應(yīng)的，即所謂的“善于發(fā)射的物體必善于吸收”。所以光譜選擇性吸收薄膜要求的吸收率是單色吸收率在太陽輻射波長范圍內(nèi)的積分，而其發(fā)射率是在集熱器表面的熱輻射波長范圍內(nèi)的單色發(fā)射率的積分，而根據(jù)已知的光譜選擇性

10、薄膜的理論基礎(chǔ)，同一溫度下，同一物體對不同波長的輻射的單色吸收率和單色發(fā)射率是不同的，選擇在短波區(qū)有高的發(fā)射率而在長波有低的發(fā)射率的材料，從而獲得太陽吸收率大而本身發(fā)射率小的表面是可能的。</p><p>　　再考察一束投射到集熱器表面的太陽光，一部分被吸收，一部分被反射，剩下的透射表面。即吸收率α、反射率γ和透射率τ滿足：α+γ+τ=1。對于不透明的材料，有τ=0。實際上，具有顯著太陽光譜選擇性的材料是不多的，

11、但可利用的選擇性吸收表面應(yīng)有盡量高的太陽輻射吸收率和盡量低的熱輻射率。把集熱器表面看成一個系統(tǒng)的話，要使這個系統(tǒng)的吸收率高而發(fā)射率低，光譜選擇性薄膜的設(shè)計是有重要作用的。要達到吸收表面系統(tǒng)即薄膜系統(tǒng)高的吸收率和低的發(fā)射率，最基本的吸收形式有兩種：一是可以設(shè)計薄膜的外層為能透射太陽輻射并且反射長波輻射的材料，稱之為熱鏡，顧名思義，是對熱輻射的作用像鏡子一樣，這樣在長波熱輻射范圍內(nèi)，根據(jù)α+γ+τ=1，τ為零的情況下，γ增加了，則吸收率α降

12、低了，相應(yīng)的發(fā)射率也降低了，同時也把內(nèi)部的長波熱輻射反射回去，從而也起到降低系統(tǒng)發(fā)射率的效果。而下一層為太陽輻射的吸收層，對太陽輻射的吸收率高而發(fā)射率低，這種吸收形式稱為反射-吸收型。也可以把對太陽輻射吸收率高而對長波熱輻射透過率也高的材料制備在對長波熱輻射有很高反射率的材料上，一般就是光潔的金屬，銅就是相當(dāng)優(yōu)良的一種紅外反射層材料，這種吸收形式稱為吸</p><p>　　從光學(xué)的角度看，干涉型選擇性吸收薄膜的吸

13、收效應(yīng)是由于可見——近紅外光在薄膜中的吸收和干涉作用共同形成的。它利用光干涉效應(yīng)使太陽入射峰值附近產(chǎn)生強烈的吸收，而在紅外波段自由透過，并借助與襯底材料的紅外反射特性制成干涉濾波型光譜選擇性薄膜。設(shè)計計算是從光學(xué)中的菲涅爾方程出發(fā)，對薄膜在可見——紅外的波長范圍內(nèi)形成零反射率的干涉條件進行推導(dǎo)，當(dāng)然由于實際薄膜和實際情況要復(fù)雜的多，但在設(shè)計光譜選擇性薄膜時，膜系零反射率條件的求解對我們的實驗工作有很大的實際指導(dǎo)意義。</p>

14、<p>　　在進行光譜選擇性薄膜設(shè)計的時候，可從以下幾個方面考慮：有的材料固有的光學(xué)特性中就有較好的光譜選擇性，例如Ti, Zr的碳化物，可以通過某些工藝方法直接制備出光譜選擇性薄膜表面；采用表面技術(shù)處理工藝，例如CVD、等離子刻蝕，使接受太陽輻射的表面呈凹凸不平，其凹凸間距要接近太陽輻射光譜范圍，即0.25-2.5μm，可以使入射的太陽輻射經(jīng)多次反射而被吸收；半導(dǎo)體-金屬的結(jié)構(gòu)，利用半導(dǎo)體受照時吸收波長小于能隙的光子，借

15、助電子在價帶和導(dǎo)帶間的躍遷實現(xiàn)光能和熱能的轉(zhuǎn)換，一般半導(dǎo)體能帶間隙Eg約為0.5eV(2.5μm)到1.24eV(1.0μm)(能帶間隙的換算用 λ（微米）=1.24/Eg（電子伏）)，以便最大限度地吸收太陽輻射，高反射率的金屬作為底層；另外金屬-介質(zhì)復(fù)合材料也容易得到較好的光譜選擇性吸收性能，因為納米尺寸的金屬粒子在介質(zhì)基體內(nèi)，其光學(xué)性質(zhì)可以通過化學(xué)成分、薄膜厚度等參數(shù)加以控制，從而得到需要的光學(xué)性能。</p><

16、p>　　2.光譜選擇性吸收薄膜的發(fā)展</p><p>　　由于光譜選擇性薄膜是高效吸收稀薄的太陽入射能的關(guān)鍵技術(shù)，因此較早就有人進行了實驗和理論研究。光譜選擇性薄膜的基礎(chǔ)理論的提出是在1955年，以色列專家Tabor等人論證了制作高吸收率和低輻射率選擇性吸收面的實際可能性，并在首次的國際太陽能會議上發(fā)表了這一理論，同時提出了黑鎳和氧化銅黑兩種選擇性吸收面。雖然在這之前，美國的Cabot早在四十年代就提出了選

17、擇性吸收膜的概念并制備了選擇性吸收膜，還有一些研究人員也研究并制備幾種選擇性膜，但是由于缺乏理論的指導(dǎo)，他們制備的選擇性薄膜不是不能使用就是達不到使用要求，但是他們的研究和實踐還是很有價值的，為后來的研究者提供了經(jīng)驗和借鑒。在Tabor之后，人們對提高吸熱材料效率的問題進行了分析，從理論上探討了如何提高陽光吸收率，把太陽能最大限度地轉(zhuǎn)換成有用功，以及與選擇選擇性吸收涂層有關(guān)的各種理論因素。自從選擇性吸收膜的基礎(chǔ)理論提出以后，光譜選擇性薄

18、膜的發(fā)展還是比較迅速的，許多國家在這方面進行了大量的研究，僅到七十年代末就提出了近百種光譜選擇性吸收薄膜，雖大部分還處于研究階段，但由于世界能源危機，許多國家都提出了太陽能研究計劃，太陽能研究包括光譜選擇性吸</p><p>　　早期的選擇性吸收表面往往被稱為選擇性吸收涂層，并一直延續(xù)到現(xiàn)在，這可能與早期的工藝有關(guān)系，人們經(jīng)常用噴涂和涂刷等方法制備選擇性吸收表面比如Tabor把黑色的硫化物涂在金屬上制成選擇性吸收

19、面。而選擇性吸收薄膜和選擇性吸收涂層并沒有嚴格的區(qū)別，一般選擇性薄膜的厚度在幾個微米以下，而選擇性吸收涂層的厚度沒有規(guī)定，有的涂層則厚度達上百微米。在選擇性吸收表面的發(fā)展過程中，人們找到了多種制備選擇性吸收表面的方法，主要有噴涂法、電化學(xué)處理法、化學(xué)處理法、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法包括真空沉積法和磁控濺射方法等等。但是這些方法都有著各自的局限或者使用的限制。</p><p>　　隨著世界各國能源和環(huán)境的問題

20、越來越突出，人們對太陽能等新能源等的研究也愈加重視，對太陽能的利用，最簡單實際的方法就是光熱轉(zhuǎn)換，要高效利用稀薄的太陽能，提高光熱轉(zhuǎn)換效率，光譜選擇性吸收薄膜是關(guān)鍵手段，因此研究和發(fā)展光譜選擇性吸收薄膜始終是太陽能研究中的一個重要課題，其制備方法也要求不僅可以較快制備出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，而且也要符合環(huán)保要求。目前來看磁控濺射是制備性質(zhì)優(yōu)良的選擇性吸收薄膜材料的一種先進的工藝，是將來發(fā)展的一個方向，這種方法制備的薄膜具有與襯底的附著力比較強，薄膜

21、的厚度分布比較平均等特點，能以較快的速度在大面積基片上沉積薄膜，而且制備工藝環(huán)保，無毒，不污染環(huán)境。</p><p>　　3．光譜選擇性薄膜的設(shè)計與實驗</p><p>　　到達地面的太陽輻射能主要集中在0.3-2.5微米的波長范圍內(nèi)，而集熱器的吸收表面所發(fā)出的熱輻射則主要集中在2-30微米的波長范圍內(nèi)，這兩種輻射的能量處于不同的波長范圍內(nèi)，只有少部分的能量共處于很窄的波長范圍內(nèi)。對薄膜進

22、行初步三層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，即薄膜從下至上依次為紅外反射層，吸收層和減反射層。用銅片作為紅外反射層，Ni-Cr系金屬氮氧化物為吸收層，表面為氧化物減反層。借助現(xiàn)代分析儀器SEM(掃描電鏡)、TEM（透射電鏡）、XRD（X射線衍射）等對薄膜的結(jié)構(gòu)進行表征；這是通過儀器的使用達到對薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的掌握，區(qū)分不同工藝條件下制備得到的薄膜，進而可以探索形貌結(jié)構(gòu)對薄膜各種特性的影響。對薄膜的各種宏觀的特性，如力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)重點是光熱轉(zhuǎn)換性能測試，以掌

23、握不同的薄膜制備工藝條件下得到的選擇性薄膜的參數(shù)，進行比較，確定具有優(yōu)良特性的薄膜，從而作為確定優(yōu)化選擇性薄膜制備工藝方案的重要根據(jù)。獲得優(yōu)化的制備薄膜工藝后，可嘗試在薄膜的制備過程中加入氧化鎢成分，從而希望改變選擇性吸收薄膜的光學(xué)性質(zhì)，達到改變鎳鉻薄膜顏色的目的。需要研究在濺射制膜過程中氧化鎢含量的多少對顏色深淺改變的影響關(guān)系以及因為加入</p><p>　　圖1 Cu基片上SEM照片

24、 圖2 Cu基片上SEM照片</p><p>　?。▎挝婚L度20μm） （單位長度5μm）</p><p>　　采用磁控濺射的方法制備光譜選擇性吸收薄膜，以銅為基片，采用Ni-Cr合金靶材，在真空鍍膜室中通入N2和O2 ,靶材原子濺射出來的過程中與N2和O2發(fā)生反應(yīng)后,生成的NiCrNXOY沉積在高反射率襯底C

25、u上,其上再濺射一層減反射膜. 經(jīng)過多次實驗，在多種工藝條件下得到薄膜并進行了SEM和XRD的分析，外觀和表面形貌細節(jié)比較多，薄膜外觀呈比較均勻的藍黑色，厚度為比較平均，為150nm左右，圖1和圖2是同一塊樣品的低倍和高倍的SEM照片，從圖1看到薄膜表面不太連續(xù)，這主要是因為Cu基片表面表面狀況的原因，采用比較完善的表面處理工藝后應(yīng)該可以得到連續(xù)一致的薄膜表面，而從圖2看到結(jié)晶情況比較好，絕大多數(shù)島都連接起來，局部接近連續(xù)膜結(jié)構(gòu)，這與基

26、片的溫度有著一定的關(guān)系，同時，薄膜表面的有0.1到2.5μm的溝槽，有利于太陽輻射的吸收。我們研究光譜選擇性薄膜一方面是為提高光熱轉(zhuǎn)換的效率、制造更好的太陽能集熱器準備必要的條件，另一方面是考慮把這種光譜選擇性薄膜進行表面著色，使之具有裝飾效應(yīng)，可以直接用于作為功能建筑材料使用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1) O.P.Agni

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