真空蒸镀铝及保护膜的表面形貌和光学性能研究_令晓明 (1)

收稿日期:2011-04-13.
基金项目:国家高新技术研究发展计划(2006A A 050203)资助;常州市创新基金(C N 20090025)资助。

作者简介:令晓明(1975-),男,甘肃省武山县人,博士研究生,从事真空薄膜技术与计算机控制研究。

真空蒸镀铝及保护膜的表面形貌和光学性能研究
令晓明1,杨　帆2,成佰新2,范多旺1
(1.兰州交通大学,国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心,甘肃兰州730000;
2.东南大学能源与环境学院,太阳能技术研究中心,江苏南京210096)
摘　要:采用工业化生产流水线的真空蒸发镀膜工艺制备一系列太阳能利用铝反射镜,研究了基底材料对铝反
射镜反射率的影响,利用理论分析结合试验,探讨了基底材料表面面型及微观粗糙度对真空蒸镀铝膜反射的影响。

光学反射率测量显示不同基底材料的平面铝反射镜的反射率存在较大的差异,其中在A B S 工程塑料上制备的铝反射膜的光学均匀性较理想,研究成果为实现低成本轻型铝太阳能反射镜的大规模生产提供了借鉴。

关键词:太阳能;铝反射镜;真空蒸镀;微观粗糙度
中图分类号:O 484 文献标识码:A 文章编号:1006-7086(2011)02-0091-05
D O I :10.3969/j .i s s n .1006-7086.2011.02.006
T H ES T R U C T U R EA N DO P T I C A LP R O P E R T I E S O FA l A N DP R O T E C T I O N
F I L MSB Y V A C U U M E V A P O R A T I O N
L I N G X i a o -m i n g 1,Y A N G F a n 2,C H E N G B a i -x i n 2,F A N D u o -w a n g
1(1.N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o r T e c h n o l o g ya n dE q u i p m e n t o f G r e e nC o a t i n g ,
L a n z h o uJ i a o t o n g U n i v e r s i t y ,L a n z h o u 730070,C h i n a ;
2.S o l a r E n e r g yR e s e a r c hC e n t e r ,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210096,C h i n a )
A b s t r a c t :A l a n dt h ep r o t e c t i o nf i l m o nd i f f e r e n t s u b s t r a t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e db yi n d u s t r i a l v a c u u m e v a p o r a t i o nm a -c h i n e .T h e e f f e c t o f s u b s t r a t e m a t e r i a l s s u r f a c e r o u g h n e s s o n t h e o p t i c a l p r o p e r t i e s o f t h e A l f i l m s w e r e d e t a i l s t u d i e d .T h e r e -s u l t s s h o w n t h a t t h e r e f l e c t i v i t y o f A l f i l m s w e r e m u c h d i f f e r e n t o nd i f f e r e n t s u b s t r a t e m a t e r i a l s ,t h e r e f l e c t i v i t y a n d o p t i c a l u -n i f o r m o f A l f i l m s o n A
B S e n g i n e e r i n g p l a s t i c i s p e r f e c t .T h e r e s e a r c hr e s u l t s w i l l h e l p t o f a b r i c a t e l o wc o s t a n d l a r g e s c a l e A l r e f l e c t o r .
K e yw o r d s :s o l a r e n e r g y ;A l r e f l e c t o r ;v a c u u m e v a p o r a t i o n ;r o u g h n e s s
1　引　言
进入21世纪以来,在有限资源和环保要求的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。

太阳能作为理想的可再生能源受到了世界各国的广泛重视,发展太阳能利用技术已成为各个国家可持续发展的重要战略。

太阳能资源取之不尽,清洁安全,是最理想的可再生能源,受到了世界各国的广泛重视[1],发展太阳能利用技术已成为各个国家可持续发展的重要战略。

太阳能光伏发电技术将太阳能直接转换为电能,是最具有应用前景的太阳能利用方式之一,将成为未来基础能源的重要组成部分。

太阳能商业化应用的主要障碍是昂贵的材料成本[2]。

降低太阳电池发电成本的有效途径之一是采用聚光光伏技术,以减少给定功率所需要的硅材料,可以用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池。

聚光光伏系统通常由聚光系统、光伏转换系统和系统平衡部分组成。

其中聚光系统采用的聚光形式及反射镜材料的效率和性能,是决定聚光比的关键因素[3]。

为适应聚光光伏中光学系统的要求,反射镜需具有低成本、反射率高和耐候性好的特点。

铝镜具有高反射性、低吸收率等特性,在激光、太阳能电池、干涉仪、天文等91
　第17卷　第2期2011年06月真空与低温V a c u u m ＆C r y o g e n i c s
设备中得到广泛应用[4]。

目前市场上常见的商业化铝反射镜,虽然性能较优,但价格昂贵。

本研究为解决
大面积轻质铝反射镜的研制作初步的尝试。

2　实　验
采用自行研制的工业用真空镀膜机在工件表面蒸发镀铝,然后在铝膜表面等离子聚合一层保护膜。

选择了镀锌铁、铝合金、A B S (A c r y l o n i t r i l e B u t a d i e n e S t y r e n e )工程塑料的薄板作为镀膜基底材料,表面微观粗糙度分别为83.6n m ,26.2n m 和12.2n m 。

基底材料经过预处理后,利用兰州大成科技股份有限公司Z D L -1603型真空镀膜机,采用汽车车灯蒸镀铝膜工艺沉积铝薄膜,截面扫描分析显示沉积铝膜的厚度约为7μm (图1所示),最后形成铝反射镜。

图1　铝反射镜截面形貌像
铝反射镜的反射率采用B T R -1型可见光反射/透射率测定,同一块反射镜进行多点测量后取平均值,每一个区域(中心与边缘)分别测试8次,取其平均值。

采用H i t a c h i S -3400N 电子显微镜观察样品表面组织形貌。

为了简单模拟反射镜的聚光效果,搭建了一个光学反射实验平台(图2所示)。

考虑到实际反射式聚光系统中反射镜到光伏电池的距离,总光程设定在2m 。

以不同基底材料上蒸镀制备的铝膜反射镜为实验样品,在黑室内将一束激光近90°垂直入射至反射镜,激光束反射打到屏幕上,通过观察光斑的变化,以此来评价反射膜的光学均匀性。

图2　简易光学反射实验平台
3　结果与分析
图3为铝合金基底沉积铝薄膜的表面形貌。

从较低倍数的扫描电子显微镜观察可见,大部分表面较为平整,组织分布均匀,但是局部出现一些白点及黑点,还有一些深色直线型条纹,如图中白色箭头及圆圈所标注。

白点和黑点可能分别对应于铝膜表面的污染物及凹点缺陷,而圆圈中条纹可能与铝基体材料的加工划痕有关,经过蒸镀的铝膜覆盖后,仍然无法掩盖下部的缺陷。

图3(b )所示的局部放大细节,铝薄膜呈现比较致密的形态,但是认真观察仍然可以看到表面的细小起伏,这说明铝反射膜的表面粗糙度还有进一步提高的空间,而从光学原理可知,反射膜的表面粗糙度对于光学散射有着重要的影响。

为了得到优质的反射膜,还需要进一步优化相应的镀膜工艺,或者更为关注基底材料的表面质量影响[4,5]。

92
　真空与低温 第17卷第2期　
图3　真空蒸镀铝膜表面形貌
表1列出了真空蒸镀铝反射镜的反射率数值,其中铝合金和A B S 基底上沉积的铝薄膜的反射率最高,初始反射率接近90%,尤其是A B S 基底上蒸镀铝反射镜的反射率最高,而镀锌铁板的反射率仅为84.5%。

从反射率的绝对数值上看出采用真空蒸镀铝反射膜的工艺流程在不同基底材料上都可以取得较好的效果,但是要满足聚光光伏发电系统要求,反射镜的反射涂层还必须具有良好的耐候性,在长期应用中不会产生显著的性能退化。

表1　不同基底材料蒸镀A l 反射镜的反射率(%)
基底材料
A l 镀锌铁板A
B S 反射率88.2+284.5+290.4+2
图4显示了真空镀铝反射镜的反射率随户外暴露时间的变化,铝膜直接放置于户外环境,受到室外诸因素包括空气湿度、温度、光照能量、降雨量和速度以及大气腐蚀等和使用中接触到的物质包括灰尘等的影
响[6～9]。

图4　真空镀膜铝反射镜反射率的户外性能
从图4可以看出,铝反射镜户外放置一个月后(30天),反射率略有下降,从初始值90.4%降至88%左右,2个月内铝反射镜的反射率还能维持在85%左右,但是90天后铝反射镜的反射率有了显著的下降(小于80%)。

随着暴露时间的延长,反射率进一步恶化,直至反射镜失效。

这估计和实验过程的气候情况有关:初期基本为晴天,而后期雨水天气较多。

由于在铝膜表面制备的保护膜为结构较疏松硅基高分子聚合物,且极易受到紫外线的辐照而失效,因此反射膜的光学性能迅速劣化[10～14],因此需要在铝膜表面沉积一层甚至多层致密的保护膜层,并且尽量降低保护膜层的存在对反射镜光学性能产生的负面影响。

93
令晓明等:真空蒸镀铝及保护膜的表面形貌和光学性能研究
4　讨　论研究结果显示,采用工业化流水线上的真空蒸镀工艺可以在铝合金和A B S 基底上沉积初始反射率接近90%的铝反射膜。

对于聚光光伏系统而言,除了希望反射镜在电池光谱响应波段具有尽可能高的反射率外,特别是聚光比增加后,还有对聚光系统的光学均匀性要求。

作者利用搭建的简易反射系统定性评估了不同基底上沉积铝反射镜的光学均匀性,如图5所示。

从图中可看出,最常用的玻璃银镜对应的反射光斑最接近于初始的圆形(图5(d )),即光学均匀性最好,以A B S 为基底沉积的铝反射镜的光斑形状也比较理想,其次是以铝合金为基底的反射镜,而镀锌铁板为基底的镀膜反射镜对应光斑最偏离圆形,呈长椭圆状。

另外,以铝合金为基底的铝反射镜显示了双斑点的特征(图5(a )),估计这和图3中显示的加工刀痕有关。

图5显示的诸多光斑特征,来源于基底材料的表面平整度和微观粗糙度差异。

结合光斑形状和光强的集中度,以A B S 为基底沉积的铝膜反射镜的光学均匀性最好,综合结合反射率数值,采用A B S 作为基底真空蒸镀的铝反射镜最有可能满足应用要求。

本文的后续工作将集中以A B S 为基底的铝薄膜大面积沉积工艺优化及保护涂层的开发上。

(a )铝合金板;(b )镀锌铁板;(c )A B S 板;(d )玻璃银镜
图5　不同基底材料镀铝镜的反射光斑比较图
5　结　论
利用真空蒸镀工艺制备了一系列铝反射镜,研究了真空蒸镀铝膜的组织结构和性能,探讨了不同基底材料对铝反射镜反射率的影响,得到如下主要结论:
(1)在铝合金、镀锌铁板及A B S 工程塑料上成功地制备了铝反射膜,在抛光的高亮铝合金表面蒸镀铝膜的反射率在84%～86%之间。

而在镀锌铁板上制备的铝反射膜的反射率在84%左右。

(2)以A B S 工程塑料为基底制备的铝膜反射镜的平均反射率为90%,光学均匀定性试验显示,在该基底上制备的铝膜的反射光斑与超白玻璃银镜相接近,而在表面有波纹起伏的镀锌铁板及表面存在细微加工刀痕的铝合金板上制备铝反射膜,对应的反射光斑均偏离圆形,呈扁椭圆形,这说明基底的平整度及粗糙度对铝膜反射镜的光学反射均匀性有着重要的影响。

致　谢:感谢东南大学太阳能技术研究中心谢资华、杜张李,常州大成绿色镀膜科技有限公司雷斌在光学测试和镀膜试验中提供的帮助。

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令晓明等:真空蒸镀铝及保护膜的表面形貌和光学性能研究。