选择性吸收涂层

根据吸收太阳光的原理和涂层的构造不同, 可将选择性吸收涂层分为四类。

(1) 半导体涂层

半导体涂层是利用半导体物质的电子结构中适当能隙Eg , 吸收能量大于Eg 的太阳辐射光子, 从而使材料的价电子产生跃迁进入导带, 而对能量小于Eg 的光子透过。所以要求半导体物质能隙最好为0 . 62ev (1ev =1 . 602 × 10 -19 J) , 即9 . 939 × 10 -20 J 。它吸收可见光而不吸收红外线, Si 、Ge 是最常见的半导体材料。过渡金属的氧化物、硫化物都属化合物半导体, 如黑铬(Cr x O y ) 、黑镍(NiS-ZnS) 、氧化铜黑(Cu x O y ) 和氧化铁( Fe 3 O 4 ) 等。(2) 光干涉涂层

光干涉涂层利用了光的干涉原理, 是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、金属底材或底层薄膜组成, 并严格控制每层膜的折射率和厚度, 使其对可见光谱区产生破坏性的干涉效应, 降低对太阳光波长中心部分的反射率, 在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰, 如Al 2 O 3 -Mo x -Al 2 O 3 (AMA) 三层膜, AlN -Al/ Al 八层

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膜, OCL I 多层膜等。

(3) 米氏散射涂层

米氏散射涂层是根据有效的媒质理论, 利用在母体中细分散的金属粒子, 对可见光的不同波长级光子产生多次散射和内反射而将其吸收。金属粒子和氧化物的共析涂层, 如Co -Al 2 O 3 涂层、Al -Al 2 O 3 涂层、Au -Al 2 O 3 涂层和黑镍等属于此类。

(4) 多孔涂层

多孔涂层是通过控制涂层表面的形貌和结构, 使表面不连续性的尺寸与可见光谱峰值相当, 从而对可见光起陷阱作用, 对长波辐射具有很好反射作用, 即在短波侧以黑洞的形式集光, 而在长波侧以平面的形式辐射光。如通过化学腐蚀在铜表面形成具有林曼状结构的Cu -CuO 涂层, 钨的化学蒸镀涂层及粗糙表面上的黑铬镀层等都利用这一性质。

3 . 2 按制备工艺不同分类

根据制备工艺不同, 又可将选择性吸收涂层分为四类。

(1) 电镀涂层

常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等, 均具有良好的光学性能。以黑铬和黑镍的效果最好, 吸收发射比( α / ε ) 接近 6 ～13 。但电镀黑铬生产成本高, 同时镀液中的Cr 6 + 对环境有污染。电镀黑镍耗能少、成本低, 镀液中不存在有毒物质。但黑镍涂层薄、热稳定性、耐蚀性较差, 通常只适用于低温太阳能热利用。Saher Shawk 等研究的黑镍镀层吸收率能达到0 .

93 , 耐久性、热稳定性、抗腐蚀能力较强[ 2 ] 。费敬银[ 3 ] 等研制的黑色镍—锡合金镀层, 由于其中不含硫, 所以能克服黑镍镀层所具有的缺点, 其镀液的配制比较复杂。

(2) 电化学转化涂层

常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层, CuO 转化涂层和钢的阳极氧化涂层等。其中铝阳极氧化涂层光谱选择性、耐腐蚀、耐光照性能良好, 在太阳能热水器

上得到了广泛应用。CuO 转化镀涂层有一层黑色绒面, 保护不好容易导致性能下降, 钢的阳极氧化涂层抗紫外线和抗潮湿性能好, 这类涂层一般吸收率为0 . 88 ～0 . 95 , 发射率为0 . 15 ～0 . 32 。Jahan , F 等研究的Mo 黑化学转化涂层, 吸收率最大能达到0 . 87 , 发射率为0 . 13 ～0 . 17 [ 4 ] 。(3) 真空镀膜涂层

利用真空蒸发和磁控溅射技术制取, 如利用直接蒸发制取的PbS/ Al/ Al 涂层。利用磁控溅射制取的有不锈钢—碳/ 铜涂层、AlCN 涂层、AlN x O y 涂层和Ni -Cr 涂层等。应用比较多的是多层渐变铝氮铝(Al -N/Al) 涂层, 该涂层具有良好的光谱选择性, 但当温度升高时, 发射率也随之急剧上升, 只能在

250 ℃以下使

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用。

还有采用射频溅射制备的金属陶瓷复合涂层, 主要应用在中高温领域, 它是近年来新开发的工艺, 如Ni -Al 2 O 3 涂层。Wu -AlN x 选择性涂层, 是将钨、铬等金属粒子掺入氮化铝介质, 得到金属陶瓷复合涂层。基片采用铜、铝等反射率高的金属, 集热温度可达350 ℃以上。

Farooq , M. O 等采用Ni ∶SiO 2 金属陶瓷作吸收层, Ni 在涂层表面的体积比为10 % , 到底部逐渐变化为90 % , 涂层厚度为(100 ～170) nm , 吸收率为0 . 96 , 发射率为0 . 03 ～0 . 14 [ 5 ] 。Zhang Qi -chu 等采用掺钼的三氧化二铝(Mo -Al 2 O 3 ) 金属陶瓷作为选择性吸收涂层材料, Al 2 O 3 作减反射层, 双层Mo -Al 2 O 3 金属陶瓷层作吸收层, Mo 或Cu 作减反射层, 该涂层在350 ℃下性能稳定, 吸收率为0 . 96 , 发射率为0 . 11 [ 6 ] 。(4) 涂料涂层

是一种发展比较早的涂层, 制备方法一般采用压缩空气喷涂法。如Fe 2 O 3 -Cr 2 O 3 涂层[ 7 ] , 以Fe 2 O 3 、Cr 2 O 3 和MnO 2 为颜料, 有机硅改性丙烯酸树脂为粘结剂, 涂层的吸收发射比可达 3 . 26 ; PbS 涂层, 以0 . 1 μ m 林蔓状晶体PbS 为颜料, 乙丙橡胶或氟树脂为粘结剂, 吸收率为0 .

85 ～0 . 91 , 发射率为0 . 23 ～0 . 40 , 制备简单, 但林蔓状结构易氧化失去转换性, 防锈性能差[ 8 ] ; 硅溶胶吸热涂层[ 9 ] , 以硅溶胶作粘结剂, Fe 粉作发色体, 涂层成本低、耐候性和防水性好, 吸收率为0 . 94 , 发射率为0 . 41 , 但因为含有机物, 使用寿命短。

还有酞菁绿涂层, 颜料成分为Fe 3 CuO 5 , 装饰性好, 适合在太阳房和平

板式热水器上应用。吴桂初[ 10 ] 采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择性吸收涂层, 工艺简单、成本低、性能稳定、光谱选择性好, 其吸收率为0 .

91 , 发射率为0 . 15 。