Al-AlN選擇性吸收涂層性能分析及光學(xué)模擬

常州博士新能源科技有限公司 ■ 楊沐暉 夏建業(yè)

常州龍騰太陽能熱電設(shè)備有限公司 ■ 郭廷偉 黃健

一 引言

太陽能選擇性吸收涂層是一種高效吸收太陽能熱輻射的薄膜材料，屬于太陽能熱利用技術(shù)。目前，國內(nèi)用于太陽能熱水器上的選擇性吸收材料很多，有Al-AlN、SS-AlN等復(fù)合材料。Al-AlN選擇性吸收涂層是目前應(yīng)用最為廣泛的吸熱材料之一。這種傳統(tǒng)漸變結(jié)構(gòu)膜系的選擇性吸收涂層吸收率良好，但發(fā)射率也較高[1]。章其初等人[2]提出雙金屬－介質(zhì)選擇性吸收膜系結(jié)構(gòu)，這種涂層由金屬層、兩層金屬－介質(zhì)吸收層和減反射層構(gòu)成。使用的金屬材料主要有Au、Ag、Cu、Al、Ni等，用以提高膜層的紅外光譜反射率，降低膜層發(fā)射率；電介質(zhì)－金屬吸收層由金屬含量不同的高、低金屬填充因子金屬－介質(zhì)層組成；減反射層有AlN、Al2O3、SiO2等。

本文采用雙金屬－介質(zhì)選擇性吸收膜系結(jié)構(gòu)，研究了Al-AlN選擇性吸收涂層材料的光熱性能。選擇性吸收涂層金屬－介質(zhì)層是主要的吸熱層，對Al-AlN單層膜的反射率光譜進(jìn)行模擬分析，得到膜厚及填充因子。實驗以模擬的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過多次優(yōu)化實驗，得到高吸收率和低發(fā)射率的Al-AlN選擇性吸收涂層。

二 實驗方法

本實驗采用衡陽SCS-850型鍍膜機(jī)。膜層結(jié)構(gòu)是Al/Al-AlN(H)/Al-AlN(L)/AlN：其中Al為紅外反射層；Al-AlN(H)、Al-AlN(L)分別為高、低不同金屬填充因子(體積分?jǐn)?shù))的金屬－陶瓷復(fù)合層；AlN為減反射層。所用Al圓柱靶材采用直流電源濺射沉積?；追謩e是不銹鋼和玻璃。其中不銹鋼樣品鍍上選擇性吸收涂層，用來分析材料的光學(xué)性能(吸收率和發(fā)射率)。玻璃樣品上沉積不同N2流量的Al-AlN單層膜，用來分析金屬－陶瓷復(fù)合材料的填充因子f和膜厚d。鍍膜前，樣品均經(jīng)過超聲波清洗、烘干。實際鍍膜工藝參數(shù)如表1所示。

玻璃樣品采用美國Veeco表面輪廓儀測量膜厚，不銹鋼鍍膜樣品采用德國吸收率、發(fā)射率測試儀測量涂層的吸收率和發(fā)射率。

表1 直流磁控濺射沉積工藝

三 理論基礎(chǔ)

1 等效介質(zhì)理論

常見的用來計算金屬－陶瓷復(fù)合薄膜的等效介質(zhì)理論有：Maxwell-Garnett(MG)彌散微結(jié)構(gòu)理論、Bruggeman(Br)聚集微結(jié)構(gòu)理論和Ping Sheng雙團(tuán)簇微結(jié)構(gòu)理論[3]等。其中Br理論是最常用的一種理論，其結(jié)構(gòu)表達(dá)式為：

其中，εA、εB、ε分別為金屬、介質(zhì)和復(fù)合金屬介質(zhì)的介電函數(shù)；fA為金屬體積分?jǐn)?shù)。

已知金屬和陶瓷不同波長下的光學(xué)常數(shù)，就可得到不同金屬填充因子金屬－陶瓷復(fù)合材料的光學(xué)常數(shù)。

實際沉積選擇性吸收涂層金屬－陶瓷復(fù)合層時，一般采用金屬層和陶瓷層沉積速率來確定金屬－陶瓷復(fù)合層的金屬填充因子[4]。但鍍膜時兩種材料交替沉積，材料沉積速率不再是單獨沉積時的速率，且膜厚測量重復(fù)性較差。國外Nejati等人[5]利用CODE軟件對不同工藝制備的金屬－陶瓷膜層的光學(xué)常數(shù)進(jìn)行了模擬和分析。

2 光學(xué)性能計算

確定了金屬、金屬－陶瓷復(fù)合層和陶瓷減反射層光學(xué)常數(shù)后，就可計算得到金屬/金屬－陶瓷/減反射層的光學(xué)性能，包括吸收率α、發(fā)射率ε和光熱轉(zhuǎn)換效率η。其表達(dá)式為：

其中，A(λ)為不同波長下的太陽輻射能強度；R(λ)為不同波長下涂層的反射率；E(T, λ)為溫度T時黑體在不同波長下的輻射密度[6]。

計算出材料的吸收率和發(fā)射率后，就可得到材料的光熱轉(zhuǎn)換效率η[7]，表達(dá)式為：

其中，α、ε分別為材料吸收率和發(fā)射率；C為聚光倍數(shù)；I為太陽能輻射強度；T為材料工作溫度；σ為波爾茲曼常數(shù)。

四 結(jié)果與分析

1 Al-AlN膜層制備

實驗制備Al-AlN是通過固定Al靶電流值，改變N2流量值得到不同Al填充因子的Al-AlN層。氣體流量越大，與金屬Al反應(yīng)越充分，金屬的填充因子就越小。反應(yīng)磁控濺射，靶電壓隨氣體流量增加而逐漸減小，即所謂的“靶中毒”曲線。圖1為Al靶中毒曲線。從圖1可以看出，隨著N2流量增加，靶電壓逐漸降低，在氣流達(dá)到70sccm時，電壓不再降低，此時靶已經(jīng)深度中毒。然后再逐漸減小氣體流量，電壓又逐漸上升，但在相同氣體流量下，靶電壓并不能回到之前的數(shù)值，只有再進(jìn)一步減小氣流，電壓才能回到原來的值，存在一定的“遲滯”效應(yīng)。

圖1 Al靶中毒曲線

2 Al-AlN復(fù)合層填充因子

根據(jù)靶中毒曲線，選擇不同流量，制備得到不同填充因子的Al-AlN膜層。利用等效介質(zhì)理論，對膜層反射光譜進(jìn)行模擬，得到膜厚和組分(金屬填充因子)。圖2為在Al靶電流35A、N2流量45sccm時模擬和測量的反射光譜，可以看出兩者基本重合。此時復(fù)合膜的填充因子為0.35，膜厚為68nm。而實際測量的膜厚是65nm。圖3為在Al靶電流35A、填充因子隨N2流量變化的曲線。

3 Al-AlN選擇性吸收涂層

在模擬得到Al-AlN復(fù)合膜厚度及填充因子后，就可制備得到不同結(jié)構(gòu)Al-AlN選擇性吸收涂層。良好性能的選擇性吸收涂層要求涂層在可見－近紅波段外產(chǎn)生強烈吸收，而在紅外波段(1500～2500nm)盡可能反射。圖4為不同結(jié)構(gòu)Al-AlN選擇性吸收涂層的光譜曲線。表2為三個樣品對應(yīng)的膜層厚度、填充因子和光學(xué)性能。其中光熱轉(zhuǎn)換效率可通過相關(guān)公式計算得到(聚光比為1)。其中樣品1膜層厚，選擇性吸收光譜不好，吸收率0.924，發(fā)射率為0.052，光熱轉(zhuǎn)換效率最低。樣品3截止波長偏小，因此影響其在整個太陽能光譜的吸收率(僅為0.914)，這種結(jié)構(gòu)涂層發(fā)射率最低，光熱轉(zhuǎn)換效率略高于樣品1。樣品2有著最佳的選擇性吸收光譜曲線，吸收率接近0.942，發(fā)射率為0.044，光熱轉(zhuǎn)換效率為0.89。

表2 不同結(jié)構(gòu)AI-AIN選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)與性能

五 結(jié)論

研究了雙金屬－介質(zhì)Al-AlN選擇性吸收涂層，采用光學(xué)模擬方法分析單層Al-AlN膜層，模擬的膜厚與臺階儀測試結(jié)果接近。工藝實驗優(yōu)化得到最佳的涂層，其吸收率為0.942，發(fā)射率為0.044(100℃)，光熱轉(zhuǎn)換效率最佳，達(dá)到0.89。

[1] 楊曉繼, 殷志強, 史月艷. 干涉型太陽選擇性吸收涂層的光學(xué)性能設(shè)計[J] . 太陽能學(xué)報, 1997, 18(1): 7－12.

[2] Zhang Q C, Yin Y B, Mills D R. High efficiency Mo-Al2O3cermet selective surfaces forhigh-temperature application[J] . Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, 40(1) :43－53.

[3] 葛新石. 太陽能利用中的光譜選擇性涂層[M] . 北京：科學(xué)出版社, 1980.

[4] 劉勝峰. 太陽光譜選擇性吸收涂層新型顏料的合成研究[J] . 太陽能學(xué)報, 1994 , 15(3)：300－304.

[5] Nejati M R , Fathollahi V, Khalaji Asadi M. Computer simulation of the optical properties of high-temperature cermet solar selective coatings[J] . Solar Energy, 2005, 78(2):235－241.

[6] 黃群武, 王一平, 李金華. 中溫太陽光譜選擇性吸收CuO涂層的研制[J] . 天津大學(xué)學(xué)報, 2006, 39(12):1485－1489.

[7] 曹韞真, 胡行方. 太陽選擇性吸收薄膜中干涉條件的近似計算[J] . 太陽能學(xué)報, 2000, 21(3) :279－284.