吸收层结构对中高温光热薄膜吸收特性及抗氧化能力的影响

摘要

在太阳能光热发电系统中，太阳能选择性吸收薄膜主要沉积于其关键部件—聚光集热器表面实现光/热转化，因而不仅需具有高的光热转化效率，同时在中高温(T≥400℃)服役条件下还应兼具结构性能稳定性。为进一步提高转化效率并有效降低光热发电成本，急需研发能直接在大气环境服役的高抗氧化能力中高温光热薄膜材料。为此，本课题针对前期研发的串联结构TiAl(O)N薄膜存在的：(1)Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N双吸收层尺度对薄膜整体选择性吸收性能的影响规律仍有待明确和优化；(2)射频工艺参数对氧化铝减反层减反特性的影响规律仍有待明确和优化;(3)串联结构TiAl(O)N光热薄膜成分结构复杂、工艺控制难度及制备成本较高等问题，基于选择性吸收理论对串联结构TiAl(O)N光热薄膜的双吸收层功能层尺度开展模拟优化设计，在此基础上利用直流反应磁控溅射制备并验证了对应结构尺度的双吸收层功能层薄膜，实验研究了吸收层尺度对薄膜光热吸收性能及成分结构特征的影响，澄清了吸收层尺度对具有微量Mo掺杂TiAlN/TiAlON双吸收层的串列结构Cu/Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N薄膜的吸收性能影响规律；通过射颇溅射工艺参数对Al2O3减反层结构性能影响规律的实验研究，形成了射频溅射Al2O3减反层的工艺参数选择及性能优化依据；基于理论模拟设计并制备了具有不同吸收层构型尺度但结构更简单的AMA干涉叠堆型Cu/Al2O3/Mo/Al2O3和Cu/Al2O3/MoOx/Al2O3光热薄膜，通过对其结构形貌、吸收特性及热氧化稳定性的实验研究，初步澄清了其光热吸收性能、热氧化稳定性水平及主要性能瓶颈，为利用AMA薄膜材料体系开发高抗氧化能力中高温光热薄膜材料的低成本制备技术形成了研究基础和技术支撑。 研究结果表明： (1)Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N双吸收层薄膜的选择性吸收性能对次吸收层尺度变化敏感度较高，其最佳尺度选择范围在40±20 nm；主吸收层尺度变化对双吸收层薄膜吸收特性影响较小，且存在临界尺度为120 nm，高于该临界值后薄膜性能基本保持不变，反之，则会使吸收限左移：随双吸收层尺度变化，薄膜元素成分及物相结构稳定；沉积态薄膜均表现出明显选择性吸收特征，且在300-500 nm波长范围内，平均吸收率达到75%以上，热发射率基本维持在0.1左右。 (2)射频工艺参数对Al2O3薄膜成分结构影响程度轻微，射频功率分别取100/150/200W，基片温度分别取200/300/400℃条件下，利用射频溅射方法制备的Al2O3薄膜均为非晶态，且薄膜平均透射率均在95%以上；由于射频工艺参数对薄膜结晶程度及其表面微观形貌的影响，在200 W、400℃条件下制备的Al2O3薄膜减反效果最佳，其平均透射率达到最大值98.01%。 (3)采用直流和射频交替沉积技术，可成功制备出与设计尺度吻合的多层结构AMA型Cu/Al2O3/MoOx/Al2O3和Cu/Al2O3/Mo/Al2O3薄膜，其沉积态表面形貌组织致密均匀，主要物相为纳米Cu晶相和Al2O3非晶。半透中间层为纯金属Mo时，薄膜整体吸收率最高仅0.70@500 nm，法向发射率ε=0.05@RT，而半透层为通氧条件下制备的金属陶瓷MoOx时，薄膜整体吸收性能更为理想，此时吸收率可达α=0.90@500 nm，法向发射率ε=0.02@RT。经大气环境下8 h不同温度（400、500℃）退火后，上述两种薄膜的结构完整性均发生破坏，其主要原因为红外反射层Cu金属优先氧化破坏所致。这说明，AMA型干涉叠堆光热吸收薄膜在中高温氧化环境下使用的主要性能瓶颈在于其整体尺度偏薄且不存在氧化物-非氧化物的成分渐变结构特征，因此该薄膜各功能层均需具有较强氧化抗力，有必要对其金属红外反射层及半透中间层的材料选择及成分结构进行进一步的优化研究。

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