太阳能选择性吸收涂层

太阳能选择性吸收涂层
一、太阳能吸收涂层的选择性与衡量标准
一般来讲，不透明材料存在3种不同类型的选择性表面：第一是以涂黑漆的吸热板为代表的黑体表面，它对太阳光的吸收率和发射率相等；第二是选择性吸热涂层，它有高的太阳能吸收率和红外发射率；第三是选择性放热涂层，它能有效地吸收太阳能，而受热后自身长波造成的热损失很小。

太阳能选择性涂层的吸收光谱与太阳发射光谱相匹配，它能极大地提高太阳能集热器的集热效率和利用效率，太阳光辐射的能量主要分布在波长为0．25～3Ilm 的光谱区内，即太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区，而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2～100舯的光谱区中，亦即主要在远红外区。

为了能够充分利用太阳能，人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层材料，这种材料必须满足以下2个条件：（1)太阳光谱内的吸光程度高，即有尽可能高的吸收率。

(2)辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即有尽可能低的发射率。

二、选择性吸收涂层及制备方法
1、涂层的种类
根据吸收原理和涂层结构的不同，可以把选择性吸收涂层分为以下几种：
(1)干涉滤波型涂层
利用干涉原理制备的涂层系统，可以广泛用于改变或控制涂层的反射率、透过率和吸收率。

涂料表层的光谱特性由分层结构界面上反射和投射之间的相互干涉所决定。

涂层由介质和金属组成多层薄膜系统，太阳辐射在膜系内通过多次反射方式被吸收，长波则被反射。

最初，由汉斯等人制成一种多层重叠的组件，利用干涉效应使其对太阳光峰值附近波段强烈吸收，在红外波段自由透过，并借助了衬底涂层的高红外反射特性。

选择衬底金属和表面介质膜很重要，用作基材和半透明金属薄层的材料有Cu，Ag，Au，AI，Cr,Mo等，介质材料有MgF2,SiO2，AI203，Ce03，Se，Ge，PbS，ZnS，NiS等。

涂层厚度应符合干涉条件的要求，随着层数增加，吸收率的总趋势是增加的。

干涉滤波型涂层系统有“钼一氧化铈一钼一氧化镁”，“硅一氮化硅一硅一银”等。

(2)体吸收型涂层
它是一种吸收范围为1-3 m的半导体薄膜，在大于3 m的红外波段表现出很高的反射特性。

半导体材料特有的内部电子结构决定其适宜做选择性涂层。

半导体材料都有特定的能带隙Eg，波长大于吸收限的光子不足以激发内部的电子而起到迁移作用，可以使衬底的反射率达到很高。

波长小于吸收限的光子激发电子，使其由价带到导带，从而吸收太阳能。

半导体材料(如：硅，锗，硫化铅等)是选择性吸收涂层的理想材料，但是其折射率普遍很高，使表面反射率提高，造成很大的光损，从而影响吸收率。

(3)表面涂黑型涂层
涂层对太阳能的吸收，不仅取决于物体的颜色，而且还取决于表面状况，它影响物体的吸收和反射性能。

不管是什么颜色，光滑面总要比粗糙表面的反射率高出好几倍。

要想增加物体的吸收率，可在表面涂一层不光滑的黑色染料，如油、煤烟等。

(4)凸凹表面型涂层
微孔型粗糙表面或小颗粒表面对于长波辐射和短波辐射具有不同效应，对于短波辐射它是粗糙表面，能将其充分吸收，对于长波辐射它呈镜面，反射率很高。

当微孔表面粗糙度和太阳辐射波长相比很大时，由于表面微孔的反射，可以提高对太阳光的吸收能力。

当表面粗糙度与热辐射波长相比很小时，其热辐射的能力降低。

对于小颗粒表面也是如此，颗粒层能吸收比其颗粒小的波长，而对更长的波长则是透明的，即透过率高，辐射率低，氧化铜，铜黑之类的氧化膜表面就属于此种涂层。

（5）金属一电介质复合涂层
这种涂层一般为高吸收的金属颗粒和陶瓷(电介质）的复合物，即在电介质基体中含有细小金属颗粒的复合涂层。

由于金属颗粒的带间跃迁和颗粒间作用，使复合涂层在太阳光辐射区具有很高的吸收率，而在红外区具有很高的透明性。

这种复合膜一般沉积在对红外区有很好反射性的金属(A1、Cu、Fe等)基体上，以得到最好的光吸收选择性。

这类涂层具有很好的灵活性，可以通过选择适当的参数(如涂层厚度、粒子浓度、形状、尺寸、取向等)来获得最好的选择吸收性能。

常用的电介质为Al2O3、多孔Al203和碳化物，常用的金属有Ni、Gr、Co、Mo、Ag、W 等。

2、涂层制备方法
(1)涂料法
这种方法首先制备一种乳胶状的漆料，然后采用喷、浸、涂刷、电泳等方法将漆料涂布在集热板上。

涂料由色素和粘结剂组成。

色素对太阳光的吸收作用和底材对红外的吸收作用，构成了整个涂层的光谱选择性。

粘结剂的粘结性好，长波透过率高，在较高温度下仍具有稳定性。

硫化铅、锗化硅等半导体材料和某些金属氧化物可做为色素材料，吸收率在0．90以上，辐射率在0．3以下。

烯基材料(如聚乙烯，聚丙烯等)和有机硅可以做粘结剂，前者红外透明性好，后者耐温性好。

(2)化学转换法
利用化学方法使金属表面生成具有选择性吸收薄膜的黑色金属氧化物或硫化物。

通常是采用喷涂或喷浸处理产生铜黑，锌黑等。

涂层的吸收率在0．90以上，发射率在0．1左右。

该制备方法生产设备简单，成本低廉。

(3)电镀法
利用电镀的方法来制备选择性吸收膜。

镀锌钢板表面上制备黑镍选择性涂层，在以色列的太阳热水器上已使用了几十年，涂层吸收率约为0．90，发射率约为0．09，但它抗湿性能差，且不稳定。

与此相比，黑铬涂层具有良好的稳定性和抗湿能力。

(4)真空磁控溅射法
涂层材料在真空室内被加热到熔点，用真空室内的电离气体轰击靶材料并使之溅射，溅出的靶材料撞击并粘附在底材上，形成选择性涂层。

该法制备的涂层吸收率约为0．9以上，发射率在0．08左右。

（5）真空镀膜法
真空镀膜法是指利用真空蒸发和磁控溅射沉积单层或多层复合膜。

如利用真空蒸发沉积Cr、Ni、Mo—A12O3、PbS等薄膜：利用磁控溅射沉积Al2O3一Mo—Al2O3．SiO2、金属(Cr、Fe、Mo、Ni、Ta、W)碳化物、Al2O3．A1FeCu．AI2O3、A1-N、Ni．NiO 等薄膜。

另外利用射频溅射的方法可以制备Ni．Al2O3、Mo．A12O3、w—AI2O3、Au—MgO 等薄膜。

磁控溅射方法具有很高的灵活性，通过改变磁控溅射的靶
材料，可制备各种各样的薄膜，从而优化出好的选择性吸收薄膜。

采用溅射法制备的薄膜具有很高的耐热性，可用于高温环境。

这种方法可以节约材料，而且没有电镀法、电化学法中的废液处理问题，具有环保性，但是其设备价格昂贵，不利于广泛推广。

三、现存问题与展望
理想的选择性涂层除了应具备良好的光学选择性外，还应该满足光学性好、耐候性强、价格低廉、工艺简单、材料供应充足和对环境无污染等条件。

目前，每一种选择性涂层及其制备方法，各有其不足：阳极氧化法的技术投资大，成本高；电镀黑铬涂层的制备，投资大，且存在环境污染；黑钴涂层成本高，黑镍涂层耐蚀性差；涂料型黑漆存在热发射比高，热损失大，且难于清洗，寿命短的问题。

为获得理想的选择性涂层，国内外基本在制备工艺上采用电化学和磁控溅射方法，将选择性涂层技术向多层化、堆垛型方向发展。

随着新材料技术的发展，新型选择性涂料得到了应用，涂料型涂层的研制向着环保型的方向发展。

另外，纳米技术和高温技术的应用和新功能材料的发现与应用，都将使太阳能选择性吸收涂层的研究获得新的进展。