Al-AlN选择性吸收涂层性能分析及光学模拟

常州博士新能源科技有限公司 ■ 杨沐晖 夏建业

常州龙腾太阳能热电设备有限公司 ■ 郭廷伟 黄健

一 引言

太阳能选择性吸收涂层是一种高效吸收太阳能热辐射的薄膜材料，属于太阳能热利用技术。目前，国内用于太阳能热水器上的选择性吸收材料很多，有Al-AlN、SS-AlN等复合材料。Al-AlN选择性吸收涂层是目前应用最为广泛的吸热材料之一。这种传统渐变结构膜系的选择性吸收涂层吸收率良好，但发射率也较高[1]。章其初等人[2]提出双金属－介质选择性吸收膜系结构，这种涂层由金属层、两层金属－介质吸收层和减反射层构成。使用的金属材料主要有Au、Ag、Cu、Al、Ni等，用以提高膜层的红外光谱反射率，降低膜层发射率；电介质－金属吸收层由金属含量不同的高、低金属填充因子金属－介质层组成；减反射层有AlN、Al2O3、SiO2等。

本文采用双金属－介质选择性吸收膜系结构，研究了Al-AlN选择性吸收涂层材料的光热性能。选择性吸收涂层金属－介质层是主要的吸热层，对Al-AlN单层膜的反射率光谱进行模拟分析，得到膜厚及填充因子。实验以模拟的数据为标准，通过多次优化实验，得到高吸收率和低发射率的Al-AlN选择性吸收涂层。

二 实验方法

本实验采用衡阳SCS-850型镀膜机。膜层结构是Al/Al-AlN(H)/Al-AlN(L)/AlN：其中Al为红外反射层；Al-AlN(H)、Al-AlN(L)分别为高、低不同金属填充因子(体积分数)的金属－陶瓷复合层；AlN为减反射层。所用Al圆柱靶材采用直流电源溅射沉积。基底分别是不锈钢和玻璃。其中不锈钢样品镀上选择性吸收涂层，用来分析材料的光学性能(吸收率和发射率)。玻璃样品上沉积不同N2流量的Al-AlN单层膜，用来分析金属－陶瓷复合材料的填充因子f和膜厚d。镀膜前，样品均经过超声波清洗、烘干。实际镀膜工艺参数如表1所示。

玻璃样品采用美国Veeco表面轮廓仪测量膜厚，不锈钢镀膜样品采用德国吸收率、发射率测试仪测量涂层的吸收率和发射率。

表1 直流磁控溅射沉积工艺

三 理论基础

1 等效介质理论

常见的用来计算金属－陶瓷复合薄膜的等效介质理论有：Maxwell-Garnett(MG)弥散微结构理论、Bruggeman(Br)聚集微结构理论和Ping Sheng双团簇微结构理论[3]等。其中Br理论是最常用的一种理论，其结构表达式为：

其中，εA、εB、ε分别为金属、介质和复合金属介质的介电函数；fA为金属体积分数。

已知金属和陶瓷不同波长下的光学常数，就可得到不同金属填充因子金属－陶瓷复合材料的光学常数。

实际沉积选择性吸收涂层金属－陶瓷复合层时，一般采用金属层和陶瓷层沉积速率来确定金属－陶瓷复合层的金属填充因子[4]。但镀膜时两种材料交替沉积，材料沉积速率不再是单独沉积时的速率，且膜厚测量重复性较差。国外Nejati等人[5]利用CODE软件对不同工艺制备的金属－陶瓷膜层的光学常数进行了模拟和分析。

2 光学性能计算

确定了金属、金属－陶瓷复合层和陶瓷减反射层光学常数后，就可计算得到金属/金属－陶瓷/减反射层的光学性能，包括吸收率α、发射率ε和光热转换效率η。其表达式为：

其中，A(λ)为不同波长下的太阳辐射能强度；R(λ)为不同波长下涂层的反射率；E(T, λ)为温度T时黑体在不同波长下的辐射密度[6]。

计算出材料的吸收率和发射率后，就可得到材料的光热转换效率η[7]，表达式为：

其中，α、ε分别为材料吸收率和发射率；C为聚光倍数；I为太阳能辐射强度；T为材料工作温度；σ为波尔兹曼常数。

四 结果与分析

1 Al-AlN膜层制备

实验制备Al-AlN是通过固定Al靶电流值，改变N2流量值得到不同Al填充因子的Al-AlN层。气体流量越大，与金属Al反应越充分，金属的填充因子就越小。反应磁控溅射，靶电压随气体流量增加而逐渐减小，即所谓的“靶中毒”曲线。图1为Al靶中毒曲线。从图1可以看出，随着N2流量增加，靶电压逐渐降低，在气流达到70sccm时，电压不再降低，此时靶已经深度中毒。然后再逐渐减小气体流量，电压又逐渐上升，但在相同气体流量下，靶电压并不能回到之前的数值，只有再进一步减小气流，电压才能回到原来的值，存在一定的“迟滞”效应。

图1 Al靶中毒曲线

2 Al-AlN复合层填充因子

根据靶中毒曲线，选择不同流量，制备得到不同填充因子的Al-AlN膜层。利用等效介质理论，对膜层反射光谱进行模拟，得到膜厚和组分(金属填充因子)。图2为在Al靶电流35A、N2流量45sccm时模拟和测量的反射光谱，可以看出两者基本重合。此时复合膜的填充因子为0.35，膜厚为68nm。而实际测量的膜厚是65nm。图3为在Al靶电流35A、填充因子随N2流量变化的曲线。

3 Al-AlN选择性吸收涂层

在模拟得到Al-AlN复合膜厚度及填充因子后，就可制备得到不同结构Al-AlN选择性吸收涂层。良好性能的选择性吸收涂层要求涂层在可见－近红波段外产生强烈吸收，而在红外波段(1500～2500nm)尽可能反射。图4为不同结构Al-AlN选择性吸收涂层的光谱曲线。表2为三个样品对应的膜层厚度、填充因子和光学性能。其中光热转换效率可通过相关公式计算得到(聚光比为1)。其中样品1膜层厚，选择性吸收光谱不好，吸收率0.924，发射率为0.052，光热转换效率最低。样品3截止波长偏小，因此影响其在整个太阳能光谱的吸收率(仅为0.914)，这种结构涂层发射率最低，光热转换效率略高于样品1。样品2有着最佳的选择性吸收光谱曲线，吸收率接近0.942，发射率为0.044，光热转换效率为0.89。

表2 不同结构AI-AIN选择性吸收涂层结构与性能

五 结论

研究了双金属－介质Al-AlN选择性吸收涂层，采用光学模拟方法分析单层Al-AlN膜层，模拟的膜厚与台阶仪测试结果接近。工艺实验优化得到最佳的涂层，其吸收率为0.942，发射率为0.044(100℃)，光热转换效率最佳，达到0.89。

[1] 杨晓继, 殷志强, 史月艳. 干涉型太阳选择性吸收涂层的光学性能设计[J] . 太阳能学报, 1997, 18(1): 7－12.

[2] Zhang Q C, Yin Y B, Mills D R. High efficiency Mo-Al2O3cermet selective surfaces forhigh-temperature application[J] . Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, 40(1) :43－53.

[3] 葛新石. 太阳能利用中的光谱选择性涂层[M] . 北京：科学出版社, 1980.

[4] 刘胜峰. 太阳光谱选择性吸收涂层新型颜料的合成研究[J] . 太阳能学报, 1994 , 15(3)：300－304.

[5] Nejati M R , Fathollahi V, Khalaji Asadi M. Computer simulation of the optical properties of high-temperature cermet solar selective coatings[J] . Solar Energy, 2005, 78(2):235－241.

[6] 黄群武, 王一平, 李金华. 中温太阳光谱选择性吸收CuO涂层的研制[J] . 天津大学学报, 2006, 39(12):1485－1489.

[7] 曹韫真, 胡行方. 太阳选择性吸收薄膜中干涉条件的近似计算[J] . 太阳能学报, 2000, 21(3) :279－284.