太阳能热利用选择性涂层的研究进展
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2013 年 第 1 期 第 40 卷 总第 243 期
广 东 化 工
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太阳能热利用选择性涂层的研究进展
(1．丽水学院 理学院，浙江 丽水 323000；2．华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 510640)
[摘 要]太阳能光热转化是直接利用太阳能的一种形式，太阳能选择性吸收涂层是直接将太阳光光能进行转换的媒介。本文较为详细的概括 了太阳能选择性吸收涂层的吸收种类，表征方式，制备方法，并对常见的太阳能选择性吸收涂层的材料进行了系统的归类。最后对太阳能选择 性吸收涂层的发展和前景做出了一定的展望。 [关键词]太阳能；光热转换；选择性吸收；涂层 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)01-0067-02
汤时杰 1，杜娟 1,2，洪宇翔 1,2*
The Advances of Selective Absorption Coating on Solar Energy
Tang Shijie1, Du Juan1,2, Hong Yuxiang1,2* (1. College of Science, Lishui University, Lishui 323000；2. Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Photo-thermal conversion is the main way of direct exploiting solar energy into thermal energy. Solar selective absorption coating is a medium in solar energy conversion. In this review, the absorption categories and preparation methods of solar selective coating were summarized in detail. In addition, the materials used as solar selective coating were classified. At last, a forecasting on the future developments and prospects of solar selective coating was presented. Keywords: solar energy；photo-thermal conversion；selective absorption；coating
在函数关系，因此，可以从材料的反射率直观的算出材料的吸收 率与热发射率的大小。
2 选择性吸收涂层的吸收种类
吸收涂层根据其吸收机制可性质决定的，包括半导体和过渡金 属[2]。 这类材料内部有能隙(半导体)或者是相邻能级之间相差比较 小(过渡金属)，容易发生价带向导带电子跃迁或者能级之间跃迁， 从而在电子跃迁过程中由电子与晶格之间的碰撞实现光能转换为 热能。 能够覆盖太阳能高光能区域的可见-近红外区域的材料比较 多，常见的属于本征吸收材料的有 Si、Cu、Ge、PbS、W、Fe、 Ni 和 Cu2S 等。 2.2 吸收层/反射层串联吸收 吸收层 /反射层串联吸收是太阳能光热转换工业中应用广泛 的一类吸收机制[2]。该机制一般包含两种材料，选择高红外反射 率的金属作为基底，同时选择高吸收的涂层作为吸收层，该吸收 层在红外光区相对于黑体是透明的。因此，串联吸收有很高的光 吸收性能和很低的红外反射率。吸收层的组成材料很多，如半导 体 Si、Ge 和 PbS 等。低热发射率的反射层一般有 Cu、Ni、Mo、 Ag、Ti 和不锈钢等。吸收层物质一般是红外透明的，高反射金属 基底有很低的热发射率，并且金属基底可以耐腐蚀，也能增强材 料的使用寿命。吸收层/反射层串联的吸收机制简单，能最大限度 的提高材料的选择性，因此，扩大了该吸收机制体系使用范围。 2.3 干涉吸收叠加 干涉吸收叠加利用了光的干涉原理[2]。一般是由非吸收的介 质膜与吸收的金属膜等多层膜之间相互干涉和吸收共同形成的。 介质膜/金属膜就如同光吸收的选择过滤器，介质膜必须是非本征 吸收的材料，即介质膜对太阳光来说是透明的。各镀层材料的折 射率逐层增加，确保材料对光能够产生干涉；同时要严格控制每 层膜厚度。 干涉吸收叠加类型一般能够在可见-近红外区域有一个 很宽的吸收峰。常见的干涉吸收型复合物有 Al2O3-Mo-Al2O3 、 Al-AlN、Ru-Al2O3、Ni-SiO2、Ta2O5-SiO2 等物质。
太阳能是一类清洁的可再生能源，太阳能光热转换是将太阳 能转化为热能的一种形式。太阳能的储量大，但是到达地球的太 阳能密度不大，受地理、昼夜和季节等因素影响而产生波动，这 在一定范围内限制了太阳能的热利用。因此在太阳能热利用的过 程中，提高太阳能的转化效率一直是太阳能热利用的重点[1]。太 阳光辐射的能量主要集中在可见光谱和近红外光谱区，其光谱范 围是 300~2500 nm 之间[1]。在红外光区，吸收的能量会以热量的 形式发射出去。因此，在选择太阳能吸收涂层的时候就要充分考 虑材料在不同光谱区的光吸收性质。太阳能选择性吸收涂层就是 针对太阳光辐射能量分布不均而提出的一类光热转换材料的总称 [2] 。太阳能选择性吸收涂层是指与太阳光光谱能量分布相匹配， 即在可见光谱和近红外光谱区有尽可能高的吸收率，与此同时， 在红外光区有很低的热发射率。这样既达到了对太阳能高辐射区 的覆盖吸收，同时，也解决了材料在红外区域能量以热辐射发射 出去所造成的对光能吸收的损失。太阳能选择性吸收涂层可以用 300~2500 nm 波段的吸收率 α 和 2500~25000 nm 波段的热发射率 ε 来表征其对太阳光选择性吸收能力的强弱， 一般也用 α/ε 的比值 大小来衡量[1-2]。α/ε 的比值越大，表明材料的选择性也越大。理 想的选择性吸收涂层在 300~2500 nm 光区的吸收率 α ≈ 1，同时， 在大于 2500 nm 的红外光谱区发射率 ε ≈ 0。因此在选择涂层的时 候，要充分考虑 α 和 ε 的大小，使其尽可能接近理想选择涂层的 要求。
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太阳能热利用选择性涂层的研究进展
(1．丽水学院 理学院，浙江 丽水 323000；2．华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 510640)
[摘 要]太阳能光热转化是直接利用太阳能的一种形式，太阳能选择性吸收涂层是直接将太阳光光能进行转换的媒介。本文较为详细的概括 了太阳能选择性吸收涂层的吸收种类，表征方式，制备方法，并对常见的太阳能选择性吸收涂层的材料进行了系统的归类。最后对太阳能选择 性吸收涂层的发展和前景做出了一定的展望。 [关键词]太阳能；光热转换；选择性吸收；涂层 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)01-0067-02
汤时杰 1，杜娟 1,2，洪宇翔 1,2*
The Advances of Selective Absorption Coating on Solar Energy
Tang Shijie1, Du Juan1,2, Hong Yuxiang1,2* (1. College of Science, Lishui University, Lishui 323000；2. Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Photo-thermal conversion is the main way of direct exploiting solar energy into thermal energy. Solar selective absorption coating is a medium in solar energy conversion. In this review, the absorption categories and preparation methods of solar selective coating were summarized in detail. In addition, the materials used as solar selective coating were classified. At last, a forecasting on the future developments and prospects of solar selective coating was presented. Keywords: solar energy；photo-thermal conversion；selective absorption；coating
在函数关系，因此，可以从材料的反射率直观的算出材料的吸收 率与热发射率的大小。
2 选择性吸收涂层的吸收种类
吸收涂层根据其吸收机制可性质决定的，包括半导体和过渡金 属[2]。 这类材料内部有能隙(半导体)或者是相邻能级之间相差比较 小(过渡金属)，容易发生价带向导带电子跃迁或者能级之间跃迁， 从而在电子跃迁过程中由电子与晶格之间的碰撞实现光能转换为 热能。 能够覆盖太阳能高光能区域的可见-近红外区域的材料比较 多，常见的属于本征吸收材料的有 Si、Cu、Ge、PbS、W、Fe、 Ni 和 Cu2S 等。 2.2 吸收层/反射层串联吸收 吸收层 /反射层串联吸收是太阳能光热转换工业中应用广泛 的一类吸收机制[2]。该机制一般包含两种材料，选择高红外反射 率的金属作为基底，同时选择高吸收的涂层作为吸收层，该吸收 层在红外光区相对于黑体是透明的。因此，串联吸收有很高的光 吸收性能和很低的红外反射率。吸收层的组成材料很多，如半导 体 Si、Ge 和 PbS 等。低热发射率的反射层一般有 Cu、Ni、Mo、 Ag、Ti 和不锈钢等。吸收层物质一般是红外透明的，高反射金属 基底有很低的热发射率，并且金属基底可以耐腐蚀，也能增强材 料的使用寿命。吸收层/反射层串联的吸收机制简单，能最大限度 的提高材料的选择性，因此，扩大了该吸收机制体系使用范围。 2.3 干涉吸收叠加 干涉吸收叠加利用了光的干涉原理[2]。一般是由非吸收的介 质膜与吸收的金属膜等多层膜之间相互干涉和吸收共同形成的。 介质膜/金属膜就如同光吸收的选择过滤器，介质膜必须是非本征 吸收的材料，即介质膜对太阳光来说是透明的。各镀层材料的折 射率逐层增加，确保材料对光能够产生干涉；同时要严格控制每 层膜厚度。 干涉吸收叠加类型一般能够在可见-近红外区域有一个 很宽的吸收峰。常见的干涉吸收型复合物有 Al2O3-Mo-Al2O3 、 Al-AlN、Ru-Al2O3、Ni-SiO2、Ta2O5-SiO2 等物质。
太阳能是一类清洁的可再生能源，太阳能光热转换是将太阳 能转化为热能的一种形式。太阳能的储量大，但是到达地球的太 阳能密度不大，受地理、昼夜和季节等因素影响而产生波动，这 在一定范围内限制了太阳能的热利用。因此在太阳能热利用的过 程中，提高太阳能的转化效率一直是太阳能热利用的重点[1]。太 阳光辐射的能量主要集中在可见光谱和近红外光谱区，其光谱范 围是 300~2500 nm 之间[1]。在红外光区，吸收的能量会以热量的 形式发射出去。因此，在选择太阳能吸收涂层的时候就要充分考 虑材料在不同光谱区的光吸收性质。太阳能选择性吸收涂层就是 针对太阳光辐射能量分布不均而提出的一类光热转换材料的总称 [2] 。太阳能选择性吸收涂层是指与太阳光光谱能量分布相匹配， 即在可见光谱和近红外光谱区有尽可能高的吸收率，与此同时， 在红外光区有很低的热发射率。这样既达到了对太阳能高辐射区 的覆盖吸收，同时，也解决了材料在红外区域能量以热辐射发射 出去所造成的对光能吸收的损失。太阳能选择性吸收涂层可以用 300~2500 nm 波段的吸收率 α 和 2500~25000 nm 波段的热发射率 ε 来表征其对太阳光选择性吸收能力的强弱， 一般也用 α/ε 的比值 大小来衡量[1-2]。α/ε 的比值越大，表明材料的选择性也越大。理 想的选择性吸收涂层在 300~2500 nm 光区的吸收率 α ≈ 1，同时， 在大于 2500 nm 的红外光谱区发射率 ε ≈ 0。因此在选择涂层的时 候，要充分考虑 α 和 ε 的大小，使其尽可能接近理想选择涂层的 要求。