金属陶瓷太阳光谱选择性吸收薄膜的优化设计

【作者】 余丽娜； 江绍基；

【机构】 中山大学 光电材料与技术国家重点实验室；

【摘要】 20世纪70年代以来,世界能源危机问题突出,寻找新能源成为日渐紧迫的问题,而太阳能作为一种既清洁又可持续发展的能源,备受世界各国关注。太阳光谱选择性吸收薄膜可实现对太阳辐射可见光和近红外范围的高吸收,同时对红外波段具有高反射率即较低的热发射率,其作为太阳能平板集热器的核心部件,一直是太阳能热利用领域的重要研究课题。本课题组从太阳光谱选择性吸收薄膜的基本理论、工作原理及其种类特点出发,根据太阳光谱选择性吸收薄膜的膜系设计要求,在理论上计算出了理想选择性吸收表面截止波长与膜系工作温度的关系,为后续膜系的设计提供了一个红外吸收限的标准。复合材料、具有粗糙表面和多孔结构的吸收膜以及多层结构的薄膜都是实用性很强的太阳光谱选择性吸收薄膜。而在众多吸收膜材料中,金属陶瓷膜由于其高度的热稳定性,从而特别适用于中高温的太阳能光热转换系统。本课题组选取了金属陶瓷材料W-A1203作为吸收层材料,根据等效媒质理论Bruggeman理论计算出金属陶瓷材料的光学常数,并利用光学设计软件Essential Macleod进行了膜层设计及优化计算,设计得出膜系结构为:Al₂O₃-W-Al₂O₃（f=0.1）-W-Al₂O₃（low f,f>0.1）-W-Al₂O₃（high f）-W,其中f为金属填充因子。本课题组同时探讨了金属陶瓷吸收层中高低填充因子及膜层厚度对于膜系性能的影响,通过编程模拟发现高填充因子、膜层厚度变化可对膜系红外反射产生一定影响,而低填充因子对膜系性能的影响则主要体现在近紫外和可见光区的干涉峰上。本课题组所设计的金属陶瓷太阳光谱选择性吸收薄膜在工作温度为300摄氏度时,具有高吸收率92%和低发射率5%。此外,当金属填充因子f在一定范围内变化时,通过膜厚的调整,可获得性能优异的拥有不同填充因子吸收层的膜系。以上研究成果可为金属陶瓷太阳光谱选择性吸收薄膜的实验制备提供一定的理论指导。更多还原