太陽能選擇性吸收薄膜材料選擇與吸收機理
經(jīng)過數(shù)十年的科學研究，太陽能選擇性吸收薄膜材料在選用及吸收表面的結(jié)構(gòu)研究等方面有了很大的發(fā)展。當輻射通過物質(zhì)時，其中某些頻率的輻射被組成物質(zhì)的粒子(原子、離子或分子等) 選擇性地吸收從而使輻射強度減弱，這就是輻射的吸收。其吸收的實質(zhì)，在于吸收使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級向高能級的躍遷。被選擇性吸收的輻射光子能量，應為躍遷后與躍遷前兩個能級間的能量差，光子的能量相對應的能級躍遷，才具有好的選擇吸收性。表1 給出了幾種金屬及其硫化物和氧化物的能級躍遷值。
從表1 可以看出，由于其自身的電子躍遷能級與可見光譜區(qū)的光子能量較為匹配的材料性能，金屬、金屬氧化物、金屬硫化物和半導體等成為制備太陽能選擇性薄膜的主要材質(zhì)，形成了以本征吸收型、半導體吸收- 反射金屬串列型、表面微不平型、電介質(zhì)- 金屬干涉疊層型、電介質(zhì)- 金屬復合型和上述幾種類型的綜合應用為主要類型的多種選擇性吸收薄膜。
表1 一些物質(zhì)的能級躍遷值
(a)本征吸收膜
又稱體吸收型膜，此種類型的材料包括半導體材料和一些過渡族金屬以及它們的氮化物、硼化物、碳化物。半導體的本征吸收是指價帶電子吸收光子能量后，從價帶躍遷到導帶所形成的吸收過程。式hν0≤Eg ( h 是普朗克常數(shù)，ν0 是光的頻率，Eg 是禁帶寬度)即表示光子的能量不得小于半導體的禁帶寬度，這是產(chǎn)生本征吸收所要具備的條件。波長λ>λc 的紅外光因為能量低不被吸收而透過膜層, 利用金屬基體的高反射特性, 構(gòu)成了半導體膜的光譜選擇性吸收作用。一些過渡族金屬以及它們的氮化物、硼化物、碳化物，其吸收機理類似于半導體，故成為制備本征吸收膜的主要材料。
(b) 電介質(zhì)- 金屬復合材料膜
金屬陶瓷膜即屬于此類薄膜。這是一種在電介質(zhì)基體中嵌入極細的金屬粒子所形成的新材料。這種膜由于金屬的帶間躍遷和小顆粒的共振使涂層對太陽光譜有很強的吸收作用, 但在紅外光區(qū)它們是透明的。金屬粒子嵌在電介質(zhì)基體的體積百分數(shù)稱作金屬填充因子，在復合材料中，金屬粒子“懸浮”在基體中，結(jié)構(gòu)和特性較為穩(wěn)定。性能漸變的復合材料可構(gòu)成漸變選擇性吸收。由于制備方便，成分容易控制，因此其在太陽能選擇性吸收薄膜中應用最為廣泛。
(c)多層漸變膜
指從表層到底層折射率n、消光系數(shù)k 逐漸增加的若干層光學薄膜構(gòu)成的膜系。漸變吸收層從緊靠底層金屬處純度極高的金屬逐漸變化到緊靠減反射層的不含金屬的介質(zhì)層。膜系化學成分的濃度或者含量呈梯度變化。它對入射光線逐層吸收，以達到較高的太陽光譜吸收率兼顧盡可能低的發(fā)射率。
(d)微不平膜
又稱光學陷阱膜。該膜采用物理或者化學方法使表面粗糙化，表面形成許多類似圓柱形空洞、蜂窩結(jié)構(gòu)、“V”形溝或者形成樹枝狀的、微觀上不平整、宏觀上平整的顯微表面。當光束入射到表面時，在這種表面進行多次反射，每反射一次，就實現(xiàn)一次吸收。雖然單次吸收比不高，但多次反射后總的吸收比卻相當高。
(e) 光干涉膜
1972 年Seraphin 設計了一種四層結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)- 金屬干涉疊堆型選擇性吸收膜。這種結(jié)構(gòu)巧妙地應用了薄膜干涉現(xiàn)象，這類吸收表面具有相當好的穩(wěn)定性，即使在高溫下其發(fā)射率都很低。干涉- 增強選擇性吸收疊堆膜又稱為電介質(zhì)層- 吸收層- 電介質(zhì)層疊堆膜，簡稱D-A-D膜堆。這種結(jié)構(gòu)中，最底層是反射層，半透明金屬上、下都是沒有吸收(消光系數(shù)k=0)的純電介質(zhì)層。設計時應保證電介質(zhì)層光學膜厚在中心波長(如500 nm)處實現(xiàn)相消干涉，以降低表面反射，增加吸收。
上述五類選擇性吸收膜結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 五類選擇性吸收薄膜
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