【摘 要】
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太阳能具有储量巨大、清洁环保的特点,高效的开发利用太阳能对解决能源危机具有重要意义。作为光热转化利用系统的重要组件,光热转换涂层性能的优劣直接决定整个系统的光热转换效率。因此,开发工艺简单、具有成本优势的高性能光热转换涂层,是光热转化利用技术领域中十分重要的研究课题。本文基于Me-MeNx和Me-MeOx（Me=Al或W）基光热转换吸收涂层光谱选择性易调控、结构扩展性好的特征,开展了Me-MeNx
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太阳能具有储量巨大、清洁环保的特点,高效的开发利用太阳能对解决能源危机具有重要意义。作为光热转化利用系统的重要组件,光热转换涂层性能的优劣直接决定整个系统的光热转换效率。因此,开发工艺简单、具有成本优势的高性能光热转换涂层,是光热转化利用技术领域中十分重要的研究课题。本文基于Me-MeNx和Me-MeOx（Me=Al或W）基光热转换吸收涂层光谱选择性易调控、结构扩展性好的特征,开展了Me-MeNx和Me-MeOx基复合光热转换吸收涂层的制备及性能研究。主要工作如下:（1）利用中频反应磁控溅射技术,制备了外观为深蓝色的Al/Al-AlN/AlN光热转换吸收涂层,通过控制N2流量和沉积时间来实现层结构的调控,该涂层吸收率达到0.943、发射率为0.071。为了准确标定不同实验参数制备的Al/Al-AlN/AlN光热转换吸收涂层的颜色,采用UV-VIS-NIR分光光度计采集了涂层在380 nm到780 nm波长范围的反射光谱数据,导入到色度软件分析计算了这些涂层的色度坐标x和y值并绘制色度图。X射线衍射（XRD）图谱结果表明本实验中通过中频反应磁控溅射制备的Al/Al-AlN/AlN复合光热转换吸收涂层为非晶态结构,且该结果不随制备工艺变化而改变。热稳定性测试结果表明,Al/Al-AlN/AlN光热转换吸收涂层热处理后,保持了良好的光热转换性能。（2）基于过渡金属钨的氧化物薄膜（WOx）独特的价态结构,利用磁控溅射物理气相沉积技术,通过调控Ar/O2流量比制备了W/W-WOx/WOx光热转换吸收涂层,其吸收率为0.92、发射率为0.084。X射线衍射结果表明,随着氧气流量的增加,W层到WOx减反射层中W的衍射峰的强度逐渐地减小,而WO3（120）晶面衍射峰的强度逐渐增加。在大气200℃环境下退火处理20 h后,其光学性能和结构基本稳定。X射线衍射和能谱仪分析结果表明,W原子从内部扩散迁移到涂层表面并被氧化,这些结构的改变最终导致涂层光学性能的衰减。将测定的各单层膜的反射光谱数据导入TFCalc软件进行反演计算,提取了各单层膜材料的光学常数,利用Matlab仿真和TFCalc软件的膜系设计功能模拟了W/W-WOx/WOx光热转换吸收涂层的反射光谱。（3）基于以上两种结构光热转换涂层的研究,结合WNx的扩散阻隔效应和WOx良好的减反射作用,制备了一种新型W/W-WNx/WOx光热转换吸收涂层,其吸收发射比α/ε=0.90/0.08。FESEM结果表明该复合涂层中W金属红外反射层、W-WNx吸收层、WOx减反射层结构界面清晰,其中W金属层横截面为典型的柱状结构。XPS和XRD表明该非晶态膜层在200℃大气环境下退火处理20 h后,其光学性能和结构基本稳定;温度提高到250℃,WNx的扩散阻隔效应减缓了W原子的扩散迁移,使该光热涂层退火后依然具有较好的光谱选择性。利用TFCalc软件反演计算,得到了这种新型光热转换涂层的单层膜材料的光学常数,为后续涂层的优化制备提供技术支撑。最后利用TFCalc软件的膜系设计功能和Matlab仿真模拟了W/W-WNx/WOx光热转换吸收涂层的反射光谱。综上所述,基于Me-MeNx和Me-MeOx两种结构制备的三种不同的光热转换吸收涂层具有良好的光热转换性能,适用于中低温领域的光热转换应用,本实验为解决光热转换涂层热处理中的原子扩散问题提供了一个新思路。
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