Al-AlN選擇性吸收涂層性能分析及光學模擬

常州博士新能源科技有限公司 ■ 楊沐暉 夏建業

常州龍騰太陽能熱電設備有限公司 ■ 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。目前，國內用于太陽能熱水器上的選擇性吸收材料很多，有Al-AlN、SS-AlN等復合材料。Al-AlN選擇性吸收涂層是目前應用最為廣泛的吸熱材料之一。這種傳統漸變結構膜系的選擇性吸收涂層吸收率良好，但發射率也較高[1]。章其初等人[2]提出雙金屬－介質選擇性吸收膜系結構，這種涂層由金屬層、兩層金屬－介質吸收層和減反射層構成。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，降低膜層發射率；電介質－金屬吸收層由金屬含量不同的高、低金屬填充因子金屬－介質層組成；減反射層有AlN、Al2O3、SiO2等。

本文采用雙金屬－介質選擇性吸收膜系結構，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－介質層是主要的吸熱層，對Al-AlN單層膜的反射率光譜進行模擬分析，得到膜厚及填充因子。實驗以模擬的數據為標準，通過多次優化實驗，得到高吸收率和低發射率的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。膜層結構是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(體積分數)的金屬－陶瓷復合層；AlN為減反射層。所用Al圓柱靶材采用直流電源濺射沉積。基底分別是不銹鋼和玻璃。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性能(吸收率和發射率)。玻璃樣品上沉積不同N2流量的Al-AlN單層膜，用來分析金屬－陶瓷復合材料的填充因子f和膜厚d。鍍膜前，樣品均經過超聲波清洗、烘干。實際鍍膜工藝參數如表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、發射率測試儀測量涂層的吸收率和發射率。

表1 直流磁控濺射沉積工藝

三 理論基礎

1 等效介質理論

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

其中，εA、εB、ε分別為金屬、介質和復合金屬介質的介電函數；fA為金屬體積分數。

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

實際沉積選擇性吸收涂層金屬－陶瓷復合層時，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－陶瓷膜層的光學常數進行了模擬和分析。

2 光學性能計算

確定了金屬、金屬－陶瓷復合層和陶瓷減反射層光學常數后，就可計算得到金屬/金屬－陶瓷/減反射層的光學性能，包括吸收率α、發射率ε和光熱轉換效率η。其表達式為：

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射率后，就可得到材料的光熱轉換效率η[7]，表達式為：

其中，α、ε分別為材料吸收率和發射率；C為聚光倍數；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。

四 結果與分析

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反應越充分，金屬的填充因子就越小。反應磁控濺射，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，在氣流達到70sccm時，電壓不再降低，此時靶已經深度中毒。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值，只有再進一步減小氣流，電壓才能回到原來的值，存在一定的“遲滯”效應。

圖1 Al靶中毒曲線

2 Al-AlN復合層填充因子

根據靶中毒曲線，選擇不同流量，制備得到不同填充因子的Al-AlN膜層。利用等效介質理論，對膜層反射光譜進行模擬，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復合膜厚度及填充因子后，就可制備得到不同結構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－近紅波段外產生強烈吸收，而在紅外波段(1500～2500nm)盡可能反射。圖4為不同結構Al-AlN選擇性吸收涂層的光譜曲線。表2為三個樣品對應的膜層厚度、填充因子和光學性能。其中光熱轉換效率可通過相關公式計算得到(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，發射率為0.052，光熱轉換效率最低。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)，這種結構涂層發射率最低，光熱轉換效率略高于樣品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，發射率為0.044，光熱轉換效率為0.89。

表2 不同結構AI-AIN選擇性吸收涂層結構與性能

五 結論

研究了雙金屬－介質Al-AlN選擇性吸收涂層，采用光學模擬方法分析單層Al-AlN膜層，模擬的膜厚與臺階儀測試結果接近。工藝實驗優化得到最佳的涂層，其吸收率為0.942，發射率為0.044(100℃)，光熱轉換效率最佳，達到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性能設計[J] . 太陽能學報, 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] . 天津大學學報, 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] . 太陽能學報, 2000, 21(3) :279－284.