多层干涉型太阳能吸收膜光谱调控研究

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太阳能的光热转换主要通过太阳能集热器完成,而集热器的核心组成部分是太阳能选择性吸收薄膜,因此太阳能选择性吸收薄膜性能的优劣将直接影响光热转换效率。同时,太阳能集热器在应用到建筑上时还需要充分兼顾美观度这一重要因素。目前国内外研究的彩色太阳能选择性吸收薄膜不能同时兼顾薄膜吸收率、热发射率、颜色多样性和制备工艺难度等多方面,因此需要新的研究和探索。本论文采用多层干涉型结构,设计并制备出了三种不同颜色、在0.32.5μm波段高吸收率和2.525μm波段低热发射率的太阳能选择性吸收薄膜,且制备工艺较为简单。主要工作如下:(1)从麦克斯韦方程组出发,结合电磁场边界条件和菲涅尔公式,梳理了单层和多层介质薄膜的反射率和吸收率公式,介绍了太阳能吸收膜导纳图解法,并给出了薄膜的吸收率、热发射率和颜色色度坐标等重要参数的计算公式。(2)基于多层干涉型结构,通过改变各层厚度设计出了表层颜色分别为蓝色、紫色和黄色的三种Cu/Al2O3/W/Al2O3/W/Al2O3多层干涉型结构,三种结构在0.32.5μm波段具有高吸收率,80℃下在2.525μm波段具有低发射率,表现出优异的光谱选择性吸收。研究了各结构斜入射光谱特性变化规律,吸收率随着入射角增大而减小,当入射角增大到60?时,在0.32.5μm波段的吸收率仍较高,揭示了设计的结构具有入射角度不敏感特性。计算出各子层薄膜的吸收光谱,并定量分析了各子层对总体吸收率的贡献,结果揭示了最上层的吸收层对总体吸收贡献最大,为结构的主要吸收层。(3)采用磁控溅射法在硅基底上制备了三种Cu/Al2O3/W/Al2O3/W/Al2O3薄膜样品,使用场发射扫描电子显微镜测量了样品各子层的厚度,与设计厚度基本一致。根据样品的EDS能谱图,分析得出样品主要元素为O、Al、Cu和W,与样品材料组成元素相符合。三种样品颜色分别为蓝色、紫色和黄色,并计算出各颜色色度坐标。测试了样品在0.325μm波长范围内的反射光谱图。根据能量守恒定律,可计算出吸收光谱。结果显示三种样品在0.32.5μm波长范围内具有高吸收率,在2.525μm波段具有低发射率,均具有光谱选择性吸收特性。测试结果揭示成功地制备了所设计的太阳能选择性吸收薄膜。
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