太阳光谱选择性吸收薄膜研究综述

第 14卷第 3期 2009年 6月
新 余 高 专 学 报 JOURNAL OF X INYU COLLEGE
Vol. 14, NO. 3 Jun. 2009
太阳光谱选择性吸收薄膜研究综述
● 付淑英 a ,柳碧清 b ,李 荣 a
(新余高等专科学校 a. 太阳能科学与工程系 ; b. 数学与信息科学系 , 江西 新余 338000)
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2009 (第 14卷 )
付淑英 ,柳碧清 ,李 荣 :太阳光谱选择性吸收薄膜研究综述
第 3期
大 [8]。
图 1 世界和中国主要常规能源储备状况预测 [2 ]
2 太阳光谱选择性吸收薄膜 近年来 ,太阳光谱选择性吸收薄膜的研究及其在工业上
的应用成为人们日益关注的焦点 。太阳光谱选择性吸收薄膜 是中高温太阳能集热器的核心部件 ,世界上许多国家都在积 极研究工艺简单 、成本低廉 、性能优良 、稳定的中高温太阳光 谱选择性吸收薄膜 。较早使用的各类太阳能集热器大都是用 没有光谱选择性的黑色涂料或油漆作为吸热表面涂层 ,这些 涂层其耐蚀性和耐候性较差 ,无光谱选择性 ,在环境温度较低 或运行温度较高的情况下 ,转换效能低 。1954年以色列专家 泰勒和美国专家吉尔顿柯尔首次分别提出黑镍和黑铬两种表 面涂层 [9 ] ,此后一系列的涂层系统被开发出来 。我国太阳能 选择性吸收表面的研究也较早 ,上世纪 50年代葛新石教授就 开展了选择性吸收涂层的研究工作 [10 ] 。从上世纪 80年代开 始 ,我国加快了在太阳能吸热材料方面的研究 。清华大学 、北 京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层 材料 ,所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性 , 适合应用在工作温度较高的真空集热管上 [6 ] 。
目前常见选择性吸收薄膜 ,依据其作用机理和薄膜 (涂 层 )构造不同 ,大体可分为半导体膜 、光干涉膜 、金属陶瓷膜和 光学陷阱膜四类 ;而根据制备工艺的不同 ,又可将其分为电镀 膜 、电化学转化膜 、真空镀膜和涂料镀层四类 [11 ] 。 2. 1 吸收 、反射和透射
当辐射投落在一个物体表面时 ,部分能量被吸收 ,部分能 量被反射 ,余下的通过物体 。设物体所吸收 、反射和透过的辐 射在投射辐射中所占的份额分别为 α、ρ、τ,则有 :α +ρ+τ= 1
收稿日期 : 2009 - 04 - 13 基金项目及第一作者简介 : 江西省新余市 2008 年自然科学基金项目 ( 2008zrkxjj03 ) ; 新余高等专科学校 2007 年科研项目 ( xj0747) 。付淑英 (1963 - ) ,女 ,江西樟树人 ,教授 ,硕士 ,主要从事材料物理及太阳能利用的研究 。
在我国 ,太阳能热水器是太阳能利用中应用最广泛 、产业 化发展最迅速的领域 。自从清华大学电子工程系教授殷志强 成功发 明“磁 控 溅 射 渐 变 铝 - 氮 /铝 太 阳 选 择 性 吸 收 涂 层 ”[6 ] ,使得太阳能集热管的大规模生产和商业化应用成为 可能 ,并直接催生了中国太阳能热水器市场的形成 ,使我国太 阳能热水器产业进入现代化生产阶段 。 1998 年全国热水器 产量约 400万 m2 ,总安装量约 1400万 m2 ,占世界第 1位 。目 前我国已有上千个热水器生产厂家 ,近年来的生产规模和市 场销量保持持续高速发展的势头 ,并仍在以每年 20～30%的 速度递增 ,生产的太阳能热水器已达电 、燃气热水器的 1 /10。 2005年 ,我国太阳能热水器产量超过 1600万台 ,产品出口 90 多个国家和地区 ,出口量近 8万台 ,出口额约 2000万美元 ,行 业生产总值超 100亿元 。随着太阳能热水器企业技术改造的 深入进行和生产规模的扩大 ,以及集团化热水器企业的建立 , 我国太阳能热水器在今后相当长的时期内 ,将会保持高速的 发展速度 [7 ] 。但从房屋的热水器安装率来说 , 以色列已达 80% ,日本为 11% ,台湾达 2. 7%. ,我国在千分之几左右 ,户 用比例仅 3% ,与之相比 ,差距很大 。到 2010年 ,我国人口约 14亿 ,热水器户用比例如果能达到 10% ,热水器总安装量将 达到 1亿 m2。在我国 ,太阳能热水器的推广应用潜力仍很
量又以长波形式辐射掉 。因此 ,选择性吸收薄膜的光谱选择 性就是对可见光区有较高的吸收率 α,对红外光区有较低的 发射率 ε。
当辐射通过物质时 ,其中某些频率的辐射被组成物质的 粒子 (原子 、离子或分子等 )选择性地吸收从而使辐射强度减
弱 ,这就是辐射的吸收 。其吸收的实质 ,在于吸收使物质粒子 发生由低能级向高能级的跃迁 。被选择性吸收的辐射光子能 量 ,应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差 ,即 : hν = E2 -
太阳能作为可再生能源的一种 ,是指太阳能的直接转化 和利用 。从能源供应安全和清洁利用的角度出发 ,目前世界 各国都把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势 。
20世纪 50年代 ,太阳能利用领域出现了两项重大技术突破 : 一是 1954年美国贝尔实验室研制出 6%的实用型单晶硅电 池 ,二是 1955年以色列 Tabor提出选择性吸收表面概念和理
摘 要 :近年来 ,中高温太阳光谱选择性吸收薄膜的研究及其在工业上的应用成为人们日益关注的焦点 。太阳光谱选 择性吸收薄膜是中高温太阳能集热器的核心部件 ,是太阳能光热转换中极为重要的关键材料 ,也是提高光热转换效率 的重要手段 ,国内外关于各种太阳光谱选择性吸收薄膜或涂层的研究方兴未艾 ,这也是当前太阳能热利用中的前沿课 题。 关键词 :太阳能 ;光热转换 ;太阳光谱 ;选择性吸收薄膜 中图分类号 : TB3 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 - 6765 (2009) 03 - 0092 - 03
式中 ,α、ρ、τ分别为吸收率 、反射率及透过率 。 对不能透过辐射的物体 ,即 τ= 0,有 α +ρ= 1。而对于黑 色物体来说 ,ρ≈ 0,则 α≈ 1。据此可知 ,最有效的太阳能光热 转换材料是在太阳光谱内 ,即 0. 25μm <λ < 2. 5μm ,有 α≈ 1 (即 ρ≈ 0) ;而在 λ > 2μm、即热辐射波长范围内 ,有 ε≈ 0 (即 ρ ≈ 1或 α≈ 0) 。具备这一特性的薄膜材料即为选择性吸收材 料。 2. 2太阳能吸收薄膜的选择性及条件 太阳辐射能量主要集中在波长为 (0. 3～2. 1)μm 的可见 光谱范围内 。理想的吸收薄膜对此波段内的太阳辐射吸收率 为 1,而对此波段以外的红外光区发射率为 0,即吸收率也为 0。因为吸收太阳辐射能的选择性薄膜自身也对外辐射能量 , 主要以红外区的长波辐射为主 。为了减少辐射热损失 ,要求 吸收薄膜在红外区有尽可能低的发射率 ,否则吸收的短波能
表 1 一些物质的能级跃迁值 [12 ]
从表 1 中可以看出 ,金属 、金属氧化物 、金属硫化物和半
导体等粒子的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹
配 ,是制备太阳能选择性薄膜的主要材质 。
理想选择性吸收表面为半灰表面 。它在太阳光谱 ( 0. 25
～2. 5μm )内是灰的 ,在比 2μm更长的波长范围内也是灰的 ,
溅射现象早在 1852年由格罗夫 ( Grove)所发现 。在真空
中 ,入
射离子和靶材表面原子进行能量交换 ,使靶材原子获得足够
能量而产生飞溅脱离母材 ,变为气相 ,并按相应的溅射方向飞
跃出来 ,被轰击飞溅出的粒子在基体表面上沉积 。
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制备技术与工艺条件有关 。不同工艺方法制备的薄膜 ,其组
织结构 、机械性能 、电学性能及光学性能都会有所不同 。太阳
光谱选择性吸收薄膜常用的制备工艺有涂料法 、化学转换法 、
电镀法 、真空磁控溅射法等 ,各种方法各有优缺点 。其中 ,磁
控溅射技术是上世纪 70年代发展起来的一种新型溅射技术 ,
太阳能选择性吸收薄膜的制备也引入了磁控溅射的方法 。
1 引言 当今 ,能源问题已日益成为制约国际社会经济发展的瓶
颈 ,开发太阳能资源 ,综合利用太阳能的研究已是当前和长远 社会发展的需要 ,也是众多科技工作者深感兴趣的重大研究 课题 。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源 ,生物 质能 、风能 、海洋能 、水能等都来自太阳能 ,因此 ,广义地说 ,太 阳能包含以上各种可再生能源 ,它是现今世界上可以开发的 最大能源 [ 1 ] 。
E1 式中 , hν = hc /λ为光子能量 。 E2与 E1为高能级与低能
级能量 ,单位为 J; h = 6. 626 ×10 - 34 J ·s为普朗克常数 ;ν为 频率 ,单位为 s- 1 ;λ为波长 ,单位为 μm; c≈ 3 ×108 m / s为真 空中的光速 。
由此可知波长在 ( 0. 3 ～2. 1 )μm 范围内的光子能量为 ( 9. 939 ×10 - 20 ～66. 26 ×10 - 20 ) J,或 ( 59. 83～398. 89) kJ · mol- 1。所以材质中只有存在与波长 (0. 3～2. 5)μm 光子的能 量相对应的能级跃迁 ,才具有好的选择吸收性 。
但是性质不同
。这种表面存在着一个截止波长
λ c
,当
λ≤λc
时 ,α(λ) = 1;而 λ >λc时 ,α(λ) = 0。确定在不同温度下理想
选择性吸收表面的最佳
λ c
,有利于指
导和评价各种
实际的选
择性吸收表面 。
2. 3选择性吸收薄膜的制备
薄膜是通过特殊的方法制备的 。薄膜的性能由其微观结
构和化学组分决定 ,除了与材料本身性质有关外 ,还与薄膜的
我国正处在工业化中期 ,经济加速增长 ,尤其重工业加速 增长 、城市化步伐加快 、消费结构升级 ,使中国的能源需求快 速增长 。 2001 到 2004 年 中 国 能 源 消 费 年 均 增 速 高 达 9. 89%。虽然投入了巨大规模的能源建设 ,如 2004年电力新增 装机 50. 5GW , 2007年超过 70GW ,创世界记录 ,但能源仍然短 缺 。2007年最大电力缺口达 2500万千瓦 ;煤炭供不应求 ,出 现全面紧张 ,煤炭市场价格一路攀升 ,达到历史高峰 ;煤炭运 输能力严重不足 ;由于缺电 ,燃料油和柴油发电增加 ;天然气 也供不应求 ,出现季节性短缺 ……中国现有 13亿人口 ,到 21 世纪中叶估计将达 16 亿 。人民生活要达到中等国家发展水 平 ,必须有大量的能源支撑 。预计 2020年我国发电量可能达 到 5万亿千瓦时以上 ,发电装机能力将超过 1100GW ;煤炭可 能的合理生产上限为 22 亿 - 24 亿吨 。但是 ,如果按目前的 趋势 ,到 2020年 ,中国能源需求可能超过 36 亿吨标煤 ,甚至 将高于 60亿吨 ,电力需求将持续增长 。其中 ,约需煤炭 31. 8 亿吨 ,石油 6. 5 亿吨 ,天然气 1700 亿立方米 ,一次电力 1. 58 万亿千瓦时 。显然 ,中国的能源还存在着巨大的缺口 ,按目前 的中国能源资源情况推断 ,问题很大 [2 ] 。