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1、太阳光谱选择性吸收膜系设计、制备及测评热辐射基本概念热量传递的基本方式：导热，对流和辐射。辐射是以物体通过电磁波传递能量的一种方式。电磁波的波长从零到无穷大，传播速度真空中约为3X10 8m/s。当辐射能量投射到物体表面时，会发生吸收，反射和透射。三者遵循以下规律：+=1 当物体的吸收比A=1时， 该物体称为绝对黑体或黑体；当物体反射比P=1时该物体称为镜体；而反射比是漫反射比时，该物体称为绝对白体；当物体透射比T=1时，称为绝对透明体或透明体。黑体辐射的基本定律：光谱辐射岀射度随波长连续变化，先增大后减小，每条曲线只有一个最大值；曲线随黑体温度的升高而整体提高，曲线互不相交，最大值随温度的升
2、高而向短波移动。最大光谱岀射度的波长与温度的关系：LT=2897.8um2 K 实际物体发射率的一般变化规律：1）：对于黑体，发射率E=1,光谱发射率，法向发射率，方向发射率彼此相等。2）：实际物体的方向发射率或法向发射率有一定变化，但对半球发射率无显著影响。3）： 金属材料的表面发射率一般都比较低，但随着温度升高都要增大，金属表面形成氧化层后，会成倍增大。4） ： 非金属材料的表面发射率是较高的一般都在0.80 以上， 或者更高。5）：发射率值的大小取决于物质的表面状态，涂层的发射率是涂层本身的特性，不是涂层基材的特性，但有例外，如：太阳能利用中的光谱选择性涂层 Al-AlN/Al,SS-C
3、/Cu膜层的发射率的高低在很大程度上取决于底层 Al 和 Cu. 基尔霍夫定律：物体处于热平衡时，任何物体对黑体投射辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。对于灰体不论投射辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡状态，其吸收比等于同温度下的发射率。太阳光谱选择性吸收膜系光学基础消光系数（ k) 描述电磁波在介质中传播时的衰减程度，是介质吸收电磁波能量的度量。 n 表示折射率，其中（nx）称为光程，也叫光学距离或光学厚度。在薄膜光学中，膜厚常以光学厚度来表示。n,k 通称为介质的光学常数。薄膜的干涉效应： 两列或两列以上的光波， 在满足一定条件下相遇时，重叠的区域内光强分布不均匀，有的地方加强，有
4、的地方减弱，这种现象称为光的干涉。光的干涉必须满足的条件：1）：两列波的振动频率必须相同；2）：两列波在相遇点的振动方向相同；3）：两列波在相遇区域内必须有固定的相位差。当介质的光学厚度是1/2 波长的整数倍时，发生相长干涉；当介质的光学厚度是 1/4 波长的奇数倍时，产生相消干涉。太阳光谱选择性吸收表面原理适合作为选择性吸收表面的材料主要分为三大类：1）：在太阳可见光和近红外波长范围内有高的吸收，红外范围是透明的；2）：在太阳可见光和近红外波长范围内有高的吸收，红外范围有高的反射；3）：在太阳可见光和近红外波长范围内是透明的，红外范围有高的反射。选择性吸收材料可以是： 1、 本证吸收材料；
5、2、 微观上不平整的表面；3、微颗粒组成的材料；4、电介质 - 金属复合材料等。一个表面对波长在0.30 2.5um 范围内高吸收，对波长在550um范围内低吸收（即低发射），这就是选择性吸收表面。反射比发生突变处的波长叫截止波长（Lc) 。 要得到性能优良的吸收表面，正确确定截止波长是十分重要的。随 Lc 的加长，表面的吸收比由快速增加到缓慢上升，直至表面吸收不再上升；发射率有缓慢上升（甚至不升高）到快速升高。相同的 Lc, 表面温度高发射率也高。太阳光谱选择性吸收表面材料能带理论基础在晶体中，原来孤立的原子的能级分裂成了能带。能带是描述晶体中能量状态的物理量。价带：价电子对应的能级；导带：
6、没有被电子填充满的能带；空带：没有被电子填充的能带；禁带：价带顶至导带低的能带导体：价带与导带重叠，之间无禁带，电子容易运动，电阻率低；半导体：价带与导带间有一个禁带，不同的半导体材料，他们的禁带空带宽度不同；绝缘体：绝缘体的禁带比半导体宽得多。半导体的能带结构决定了它具有某些特殊性能，其中具有光吸收特性，主要光吸收过程是本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格吸收。半导体的本证吸收是价电子吸收光子能量后，从价带跃迁到导带所形成的吸收过程。产生的条件是：光子能量不小于半导体的禁带宽度。hv Eg 截止波长（ Lc) 又叫吸收限为： Lc=1.24/Eg(eV) 其中 Eg为禁带宽度单
7、位“电子伏特”（ eV)。折射率 n 与禁带宽度 Eg的经验公式：（ nnnn)Eg=77 反射率 R=(1-n ）/(1+n)(1-n)/(1+n) 当杂质（除半导体之外的任何材料）掺入到纯半导体晶体中时，晶体的禁带宽度减少吸收限波长增加。典型太阳光谱选择性吸收表面机理1）：本征吸收选择性吸收表面，合适的禁带宽度半导体材料可以用于选择性吸收，但是吸收限波长太短，光热转换效率不理想。2）：半导体吸收 - 金属反射串列组合，在半导体底部加红外高反射金属层，有效阻止基体受热后的长波长辐射。实际用于红外反射的金属材料主要有： Au,Ag,Cu，Al,Ni等。3）：微不平表面，微观上不平整、宏观上平整
8、的一种表面。利用物理或化学方法使表面粗糙化，形成许多“小丘”，当小丘间的间距与入射光波长相比拟时就对该入射光产生吸收。这个间距比红外波长小，因此对红外辐射产生镜面反射。4）：半透明电介质 -金属干涉叠层表面，最底层是纯金属反射层，半透明金属上下都是没有吸收的纯电介层，电介层的光学厚度在中心波长处应能实现相消干涉。电介质的光学厚度应该是参考波长的四分之一，并严格控制半透明金属的厚度。5）：电介质 - 金属复合材料选择性吸收表面，材料制备方便成分容易控制，应用最广泛。电介质 - 金属复合就是在电介质基体中嵌入极细的金属粒子形成新材料的过程。填充因子： 金属粒子嵌在电介质基体的体积百分数称作金属填充
9、因子，简称填充因子。金属粒子对复合材料的结构和特性起决定性影响。多层渐变选择性吸收膜系设计单色光与单层薄膜发生作用时会发生反射、透射、吸收和干涉现象，单层膜的吸收是有限的， 最直接的办法是制备一系列不同性能的薄膜构成一个膜系，不同独立膜层有不同的吸收限，吸收不同波长的能量。这就是层层吸收。纯的 AlN膜可以使尽可能多的太阳光透过进入膜系，这就是减反射层。减反射膜本身不吸收能量。在 AlN 中掺入金属，就有了吸收能力，就是光通过时会遇到阻碍，随着金属的增多， 阻碍能力越强， 纯金属时，光已经不能通过， 形成反射。利用反应溅射沉积技术制备AlN-Al 复合膜时，随氮气流量的增加，复合膜中 Al 的
10、含量减少，膜的介质性提高，光通过能力加强，直到纯的AlN 达到光完全通过。复合膜的消光系数（ k) 随填充因子的增大而增加；折射率(n) 与填入的金属种类有极强的依赖关系，与电介质几乎无关。透反法测试薄膜的光谱反射比及透射比：1）在玻璃基片上（高纯度低铁玻璃）沉积待测薄膜；2）利用分光光度测量样品的反射比和透射比；3）利用台阶仪测量薄膜厚度；4）反演确定膜的折射率(n) 和消光系数。减反射膜的设计理论基础是薄膜的干涉。一个理想的减反射膜应满足以下条件：1）薄膜的光学厚度应是四分之一参考波长的奇数倍；2）薄膜的折射率入射介质（如空气）折射率与出射介质折射率乘积的平方根。当光学厚度为波长四分之一的
11、奇数倍时，低折射率膜得到的发射率 （R)为极小，高折射率膜得到的发射率为极大；当光学厚度为波长四分之一的偶数倍时，不管膜层折射率如何变化，基体反射比不变。设计减反射膜的途径：1）：选用单层减反射膜，需要正确确定参考波长，应在510nm甚至更长出；2）：多层减反射膜，要希望对较宽波长范围实施减反射，必须设计多层减反膜系，层数多、性能好、工艺复杂。电介质 - 金属选择性吸收膜系的减反射层一、单层及双层减反膜：影响减反效果的主要参数是减反膜本身的光学常数、厚度及基体材料的折射率。电介质 - 金属复合膜在太阳能领域应用最广，其中AlN-Al 复合膜被大多数企业采用，纯AlN 介质做减反膜是最经济方便的
12、选择，使用二层减反膜的可以直接加一层三氧化二铝（Al2O3)。在不同的复合膜上加相同材料、相同厚度的减反膜不可能有相同的效果；但都遵循相同的规律：反射曲线仅有一个最低点；在AlN 表面加一层 40nm的 Al2O3膜，膜系反射区有两个最小值区域，会形成比较好的相消干涉。而且在波长大于1300nm之后曲线陡峭上升。二、减反膜厚度对吸收膜系反射特性的影响：1、由 AlN-Al 构成的表面上，加单层不同的减反膜（AlN 或 Al2O3) 后，在波长 350-2300nm 范围内对表面反射比的影响几乎一样；2、随厚度增加，反射极小点向长波方向移动，红外极小点几乎不变；3、短波相消点的右移使两个相消点重
13、叠，便有最好的吸收范围；4、增加 AlN 的厚度， 1300nm左右的极小值都向长波方向移动，并且短波区域移动更快；5、两种减反膜厚度都增加，2300nm处的反射比还会降低，但对发射率会有影响；如果确定吸收层填充因子为0.2 和 0.45 时， AlN 选择 30nm,Al2O3 40nm是此膜系的最佳设计结果。表示为：Al2O3（40）/AlN(30)/f0.2(45)/f0.45(120)/Al(不透明） / 玻璃。（）内为厚度。多层渐变选择性吸收膜系的理论设计多层渐变选择性吸收膜系主要应有三部分构成：最底层的红外高反射层、中间的吸收层及表层的减反层。可以表示为f1（或 fA=1) 的红外
14、高反射金属、 f0-1 的吸收层、 f0 的减反层。设计中包括众多参量: 合适光学常数膜层的优化、 层数的选用、各膜层的厚度、 表面反射比的计算等。1、确定吸收限，是指红外最小反射点对应的波长，理想的范围是1300-1400nm 之间，太短会造成吸收比较低， 太长会造成膜的发射率升高。使用温度越高吸收限应该向短波长移动，反之向长波移动。可以在发射的最大辐射度对应的中心波长右移一半左右。中心波长可以以LT=2897.8nm2K 推算。对于一个实际膜系来讲， 一方面吸收限要比理想吸收限短，给出一个曲线上升到最大值的波长范围；另一方面实际膜系反射曲线应尽快的上升到最大值。也就是需要在窄的波长范围内陡
15、升至最大值。光谱反射曲线急剧上升的膜系发射率一定低于缓慢上升的膜系。2、设定红外参考波长处的反射比值，波长一般选定在2.5um，并使用分光光度计进行精确测量。3、设定吸收膜系的吸收比，有了以上三条设置可以保证从理论上得到高性能的选择性吸收膜系。4、复合吸收膜系解构， 应有三部分构成： 最底部的红外高反射膜 （Cu、Al 等）、吸收层（一层或多层）、减反射层（一层或两层）。多层渐变选择性吸收膜系层数的优化设计膜层的厚度在20nm到 150nm区间内随厚度的增加表面吸收比几乎成抛物线上升， 150nm之后，这种依赖关系变弱，200nm之后，如果厚度增加 10 倍，吸收比也就上升5 个百分点。总之，
16、在某个范围内提高吸收层的厚度是增加吸收比的有效方法。随吸收比的增加表面的发射率也在上升。600K时表面发射率与厚度关系不大， 温度越高表面发射率与吸收层厚度之间的关系越密切。 50nm以后发射比几乎随膜厚的增加而呈抛物线上升（高温应用区）。所以吸收层的厚度确定应同时顾及表面的吸收特性和发射性能：在较低温度下（300 度）工作的膜系，首先考虑吸收特性，即可以通过增加厚度提高膜系的吸收比；如果膜系工作在高温区（大于500 度) 应首先考虑降低他的发射率，即吸收膜尽可能的薄， 要提高他的吸收比只有靠干涉效应去实现。1、 AlN-Al 膜系：膜系吸收层以二层最好； 层数的增加会使发射率升高；层数减少，干涉效应就应加强；单层吸收莫不理想。吸收层填充因子为0.2 和 0.45 较好。2、Al2O3-W膜系：四层膜系具有最佳的光谱吸收特性。吸收层填充因子分别为 0.10 、0.30 及 0.55 较好。3、AlN-Al 膜系的模拟设计：膜系设计的基本参量是复合膜的光学常数及膜的厚度原始数据与实测值之间存在一定的偏差，前者称为理论设计，后者称为模拟设计。AlN-Al
