0L:10133745ssml001-0敛20000L0] 第22卷第1期 北京科技大学学报 VoL22 No.I 2000年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2000 干涉型A-NO选择性吸收表面的研究 谢光明” 李金许) 高汉三》 尹万里” )北京市太阳能研究所，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 搞要利用ANO选择性吸收层之间产生的干涉效应，改善吸收表面的光学性能（吸收率 α和发射常).通过工艺实验确定了2种不同金属填充因子的双吸收层结构.与多层渐变吸收 表面相比双吸收层结构吸收表面具有膜系结构简单、高温下性能稳定、发射率较低等优点.吸 收表面的吸收率a为0.930.5，发射率353K)为0.040.06. 关健词有效介质理论：干沙：填充因子：磁控藏射 分类号TK512 多层渐变A-N-AI,A-NO复合材料选择 面上的反射，增加吸收效果，双吸收层结构如图 性吸收涂层的研制已有10多年的历史甲.前者 1所示. 已被广泛地应用于全玻璃真空管，而后者则主 要用于金属吸热体的热管式真空集热管，这类 涂层靠多层吸收膜来提高吸收能力，很容易引 起发射率的升高.主要原因是当多层吸收膜过 厚或金属填充因子过高时，会使吸收截止波长 向长波方向移动，当温度升高时，发射率的变化 图1双吸收膜层结构示童图 更加刷烈，因此，多层渐变涂层一般只能在较低 Fig.1 Schematic diagram of a selectire absorbing surface 温度下(~200℃)使用.由于热管式真空集热管 with two sablayers 排烤温度和工作温度都比较高，在实践中发现 1高红外反射率金属层：2AN0吸收层（高填充因 子)：3AN-0吸收层（低填充因子）：4A-N0介质减 有些集热管涂层发生变色以至性能退化等现 反射层。 象.为了克服上述现象，我们对膜层的结构进行 1.2膜层设计 了改进，利用膜层的干涉作用，通过研究实验， 在确定ANO干涉吸收膜层厚度和填充 采用了双吸收层结构，减少吸收层数并降低填 因子时关键要知道膜层的（折射率），（消光系 充因子，得到满意的选择性吸收效果。 数)值即复折射率N=+闲才能进行理论计算， A1-NO吸收膜为复合材料粒子薄膜（金属铝粒 1干涉作用与膜层设计 子夹杂在氨化铝及氧化铝组成的介质基体中)， 11干涉吸收膜层结构 至今尚未找到能够适用于任意粒子形状、直径 采用双吸收层结构既使膜层的层数和厚度 及粒子分布状况的粒子膜的计算通式，一般 都有所降低，也降低了涂层的发射率，但同时可 都采用有效介质理论四.该理论是将适用于一个 导致吸收率的下降.在膜层吸收系数比较低的 粒子的无粒子直径限制的理论用于上述粒子膜 情况下，为了保证涂层具有足够的吸收率，必须 的集合体上，其中包括Maxwell-Garnet(MG)理 尽量利用膜层之间的干涉作用，通过调整膜层 论和Bruggeman(Br)理论，分别表达如下： 的干涉厚度d和填充因子∫使干涉峰压低或转移 MG)(G-(+2)=G-)/(G+2)(1) 到太阳能量密度较低的长波区域内.同时，在表 (Br)fG-9/G+20+1-G-)(G+20=0(2) 层加减反射膜以降低可见光在吸收层与空气界 式中，，分别为金属介质复合材料、金属粒 子和介质基体的介电常数，与波长有关。 1999-10-24收稿 谢光明男，52岁，副研究员
DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．01．041
60 北京科技大学学 报 2000年第1期 当采用Bruggeman(Br)理论计算时，由于 1001A10e0m)1AN-O,人045I00mI =W,(2)式可表达为： -0(40 pm)AI-N-0 160 nm):2 Al 80 ia)/A1N0.-04200m乐-020 fNe-W)/N6+2N)+(1-fN2-Na)/2WP+N)=0 f40rm)/A-N-0(60m) 60 (3) 式中，N,Nm,N分别为金属、介质及复合材料的 40 折射率或复折射率，均与波长有关，N通常为实 20 数. 0 式(3)为四次复数方程，解该方程求出膜层 250 1250 2450 的n,k值后即可利用多层膜系矩阵公式进行计 图22种不同组合条件下A阳0膜层的光谱反射率 算，求出整个膜系的反射率（计算过程从略）. ()曲线 计算结果表明当吸收层铝粒子的填充因子和 Fig.2 Refectivity spectra of Al-N-O layers with different combination 厚度d分别在0.20-0.40和40-100nm之间干涉 效果最佳，根据计算结果即可反演寻优，指导工 3.2膜层填充因子对光学性能的影响 艺实验，取得效果理想的选择性吸收膜层 有效介质理论表明随着膜层填充因子的增 加，吸收峰向长波方向移动.这一现象得到了实 2实验方法 验的充分证明.图3是一组不同体积分数A1-N- O复合膜光谱反射率曲线.可以明显看出随着 采用磁控反应溅射的方法制备A-N-O复 A-N-O膜层含铝量的增加吸收边缘向长波方 合材料吸收薄膜.衬底为60mm×60mm的不锈 钢基片，清洗烘干后放入镀膜室内：依照干涉膜 100 层结构的设计，先在基片上溅射1层铝作为红 80 外反射层，然后通入反应气体O2及N反应溅射 生成A-NO:根据工艺需要通过流量计改变反 60 应气体的流量，沉积2层不同厚度、不同填充因 40 子的A-NO吸收膜层：最后适当增大反应气 体流量，使膜层表面沉积1层介质态的A1-N-O 20 减反射层， 0 0.2 1 10 3实验结果与分析 入nm 图33不同体积分数A-N0复合膜光谱反射率曲线 3.】膜层的吸收率和发射率 Fig.3 The reflectivity spectra of three Al-N-O layers with 将60mm×60mm的不锈钢基片上的A1-N- different volume fractions 0选择性吸收涂层，用日立330分光光度计测 1 Al/AI-N-0=0.15(80 nm)/AL-N-O(20 nm);2 Al/Al- N-0f=0.35(80nm)/A-N-0(20nm:3AVA-N-0 定光谱反射率（波长范围0.2~2.5μm),得到各种 f-=0.55(80nm)/A1-N0(20nm) 不同厚度、不同填充因子膜层组合的A1-NO选 向移动，根据这一规律适当改变膜层的填充因 择性吸收涂层的光谱反射率曲线，根据这些曲 子，吸收范围控制在太阳能量密度较高的可见 线积分得到大气质量AM2标准时膜层的太阳 光及近红外波段，使膜层具有较高的吸收率.实 光谱吸收率a.图2是2种不同厚度、不同填充 验表明，在适当的膜厚条件下，填充因子的最佳 因子组合膜层的光谱反射率曲线. 范围在0.200.40之间，和理论分析的结果是一 涂层的发射率采用美国Devices&Services 致的 公司生产的Emissmeter Model AE检测仪测定. 33膜层厚度对光学性能的影响 从测试结果可以看出，膜层厚度及填充因子， 膜层过厚同样会使吸收峰向长波方向移 的改变对反射率曲线形状影响很大，因而使α， 动，吸收率升高，同时也引起反射率的升高：相 ε值相差很大.曲线1样品a-0.86,0.04:曲线2 反，膜层过薄、填充因子过低可使发射率降低， 样品a=0.95,=0.06. 但却得不到足够高的吸收率，此外，当膜层厚度
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 当 采 用 理 论 计算 时 ， 由于 异矿 ， 式 可 表达 为 了瞬一尸 瞬 护 一力测 一嵘 衅 式 中 ， 从 ， 戈 ， 分 别 为 金 属 、 介质及 复 合 材料 的 折射率或 复折射 率 ， 均 与波长 有 关 ， 通常 为实 数 式 为 四 次 复数 方 程 ， 解 该 方 程 求 出膜层 的 ， 值 后 即 可 利 用 多层 膜 系 矩 阵 公 式进行 计 算 ， 求 出整 个膜 系 的反 射 率 「，计 算 过程 从 略 计 算结 果 表 明 当 吸 收层 铝 粒 子 的填充 因 子尤 ， 和 厚 度 分 别 在 ， 一 和 一 之 间干涉 效果 最佳 根据 计算 结 果 即 可 反演 寻 优 ， 指 导工 艺 实验 ， 取 得 效 果 理 想 的选择 性 吸 收膜层 实验 方 法 采用 磁控 反应溅射 的方法制 备 一 复 合 材 料 吸 收薄 膜 衬 底 为 的不 锈 钢 基片 ， 清洗烘干后 放入镀膜 室 内 依 照 干涉 膜 层 结构 的设 计 ， 先 在 基片 上 溅射 层 铝 作为红 外 反 射层 ， 然后 通 入 反 应气 体 及 反 应溅射 生 成 ‘ 刁 根据 工 艺 需 要 通过 流量计 改变 反 应 气 体 的流量 ， 沉 积 层 不 同 厚 度 、 不 同填 充 因 子 的 一 一。 吸 收膜层 最 后 适 当增 大 反 应气 体流量 ， 使膜层 表面 沉积 层 介 质 态 的 一 减 反 射层 实验 结 果 与分 析 月莫层 的 吸 收 率和 发射 率 将 只 的 不 锈钢 基 片 上 的 扁 一 选择 性 吸 收涂层 ， 用 日立 分 光光 度 计 测 定 光 谱反 射率 波长 范 围 一 卿 ， 得到 各种 不 同厚度 、 不 同填充 因 子 膜层 组合 的 一 戒 选 择 性 吸 收涂层 的光 谱 反 射 率 曲线 ， 根 据 这 些 曲 线积 分 得 到 大 气 质 量 标 准 时膜层 的太 阳 光谱 吸 收 率 图 是 种 不 同 厚 度 、 不 同填 充 因子 组 合膜 层 的光 谱反 射 率 曲线 涂层 的 发 射 率 采用 美 国 公 司 生产 的 检 测 仪测 定 从 测 试 结 果 可 以看 出 ， 膜 层 厚 度 及 填 充 因 予八 ， 的 改变对 反射 率 曲线 形 状影 响很 大 ， 因而 使， 。 值相 差 很 大 曲线 样 品 ， 二 曲线 样 品 二 ， 又八扣 图 种 不 同组合条件 下 曰 膜 层 的光谱反射 率 力曲线 介 目 膜层 填 充 因 子 对 光 学 性 能的 影 响 有 效介 质理 论 表 明 随着膜层 填充 因子 的增 加 ， 吸 收峰 向长 波方 向移动 这一 现 象得 到 了实 验 的充分 证 明 图 是一 组 不 同体积 分数 】 复合 膜光谱 反 射 率 曲线 ， 可 以 明 显 看 出 随着 膜 层 含铝 量 的增 加 吸 收边 缘 向长 波 方 图 不 同 一 体积 分 数 ‘ 复合膜 光 谱反 射 率 曲线 】一 司 记 】 一 一 瓜 ， 一 一 人产 一 一 】 ， 戒 五 一 一 向移 动 根 据 这 一 规律适 当 改变膜层 的填 充 因 子 ， 吸 收 范 围控制 在 太 阳 能量 密 度较 高 的可 见 光 及 近 红 外 波段 ， 使 膜 层 具 有较 高 的吸 收 率 实 验 表 明 ， 在 适 当的膜厚 条件下 ， 填 充 因子 的最佳 范 围在 刁 之 间 ， 和 理 论 分 析 的结 果 是 一 致 的 膜 层厚 度对 光 学 性 能 的 影 响 膜 层 过 厚 同 样 会 使 吸 收 峰 向长 波 方 向移 动 ， 吸 收率 升 高 ， 同 时 也 引起 反 射 率 的升 高 相 反 ， 膜层 过薄 、 填 充 因 子 过 低可 使发射率 降低 ， 但 却 得不 到足够 高 的吸 收率 此 外 ， 当膜层 厚度
Vol.22 No.1 谢光明等：干涉型A-O选择性吸收表面的研究 61 不匹配时会产生明显的干涉峰(0.3和1.5m附 的干涉与吸收双重作用，可以得到理想的干涉 近)使吸收率下降，如图3中曲线1所示.因此 型A-N-O选择性吸收涂层，涂层在吸收率足 调节各层的干涉厚度，将紫外及近红外两端的 够高的的情况下发射率更低、热性能更加稳定 干涉峰尽可能压低，并将其转移到太阳能量密 度低的长波波段.经过反复地实验寻优，确定了 致谢：北京科技大学材料科学与工程学院于广华讲师、 当填充因子f在0.2~0.4范围时，A1-N-0双吸 北京市太阳能研究所郭淑玲承担了本课题的测试工作， 收层厚度在20-120m之间，A1-N0介质减反 在此一并表示诚挚的感谢. 射层厚度为40-60nm,效果最佳.在此范围内， 参考文献 膜层反射率曲线在短波段变化平缓，没有明显 1殷志强.选择性吸收涂层的回顾与发展.太阳能学 的干涉峰，在红外波段上升陡峭，因而使膜层具 报，1992,13(2)，192 有较高的吸收率a(0.930.95)和较低的发射率e 2 Zhang Q.C.High Solar Performance Selective Surface (0.040.06),发射率随温度变化不大. Using Bi-sublayer Cermet Film Structures.Solar Energy Materials and Solar Cells,1992,27:273 4结论 3田民波，刘德令.薄膜科学与技术手册，北京：机械工 业出版社，1991.711 通过控制膜层填充因子与厚度，利用膜层 4赵玉文，黄涵芬.阳极氧化铝选择性吸收涂层的光学 性能研究.太阳能学报，1985,6(2)，136 Study Interference Effect Al-N-O Solar Selective Surface XIE Guangming",LI Jinxu,GAO Hansan,YIN Wanli 1)Beijing Solar Energy Research Institute,Beijing 100083,China 2)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Interference effect is used to improve solar performance of Al-N-O selective absorbing sur- face.Through experiments the film structure of two Al-N-O sublayers with different thickness and metal vol- ume fractions is established.Compared with the graded films,the bi-sublayer films have lower emittance and better thermal stability.The new films have been used in the mass production of heat pipe evacuated tubular collectors.High solar performance (a=0.93~0.95,8(353 K)=0.04~0.06)have been obtained on the surface of the absorber. KEY WORDS effective medium theories;interference effect;metal volume fraction;magnetic sputtering
谢 光 明等 干涉型 戒 选择 性 吸 收表 面 的研 究 不 匹 配 时会产 生 明 显 的干涉 峰 和 娜 附 近 使吸 收率 下 降 ， 如 图 中 曲线 所 示 因 此 调 节各 层 的干涉 厚度 ， 将 紫外及 近 红 外 两 端 的 干 涉 峰 尽 可 能 压 低 ， 并将 其转 移 到 太 阳 能量 密 度低 的长波波段 经 过 反 复地 实验 寻 优 ， 确定 了 当填充 因 子了又 、 在 一 范 围 时 ， 一刃 双 吸 收层 厚 度 在 一 之 间 ， ， 刃 介质 减 反 射 层 厚 度 为 一 ， 效 果 最 佳 在 此 范 围 内 ， 膜层 反 射 率 曲线在 短波 段 变 化平 缓 ， 没 有 明显 的干涉 峰 ， 在 红外 波段 上 升 陡峭 ， 因而 使膜层 具 有较 高 的吸 收 率 一 和 较 低 的发 射 率 一 ， 发射 率 随温度变化 不 大 的干 涉 与 吸 收双 重 作用 ， 可 以得 到 理 想 的干 涉 型 袄 选择 性 吸 收涂层 ， 涂层 在 吸 收率足 够 高的 的情况 下 发射率更 低 、 热 性 能更 加稳 定 结 论 通过 控 制 膜层 填 充 因 子 与厚 度 ， 利用 膜 层 致 谢 北 京科技 大学材料科 学 与工 程 学 院于广 华讲师 、 北 京市太 阳 能研究所郭淑玲承担 了本课题 的测 试工 作 ， 在 此一 并表示诚 挚 的感 谢 参 考 文 献 殷志 强 选择性吸 收涂层 的回顾与 发展 太 阳能学 报 ， ， ， 一 ， ， 田 民波 ， 刘德令 薄膜科 学与 技术手册 北 京 机械 工 业 出版 社 ， 赵玉文 ， 黄涵 芬 阳极氧化铝选择性吸 收涂层 的光学 性 能研 究 太 阳 能 学报 ， ， ， 卜 司 石百 刀 刀， 跟 ， ， ， ， ， ， ， ， ‘ ， ， 优 爪理 ’ 广 辱” 】一 二 ‘ ， 一 一 ， 一 哑