【摘要】：在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中,太陽能選擇性吸收薄膜主要沉積于其關鍵部件——聚光集熱器表面實現(xiàn)光/熱轉(zhuǎn)化,因而不僅需具有高的光熱轉(zhuǎn)化效率,同時在中高溫(T≥400℃)服役條件下還應兼具結(jié)構性能穩(wěn)定性。為進一步提高轉(zhuǎn)化效率并有效降低光熱發(fā)電成本,急需研發(fā)能直接在大氣環(huán)境服役的高抗氧化能力中高溫光熱薄膜材料。為此,本課題針對前期研發(fā)的串聯(lián)結(jié)構TiAl(O)N薄膜存在的:(1)Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N雙吸收層尺度對薄膜整體選擇性吸收性能的影響規(guī)律仍有待明確和優(yōu)化;(2)射頻工藝參數(shù)對氧化鋁減反層減反特性的影響規(guī)律仍有待明確和優(yōu)化;(3)串聯(lián)結(jié)構TiAl(O)N光熱薄膜成分結(jié)構復雜、工藝控制難度及制備成本較高等問題,基于選擇性吸收理論對串聯(lián)結(jié)構TiAl(O)N光熱薄膜的雙吸收層功能層尺度開展模擬優(yōu)化設計,在此基礎上利用直流反應磁控濺射制備并驗證了對應結(jié)構尺度的雙吸收層功能層薄膜,實驗研究了吸收層尺度對薄膜光熱吸收性能及成分結(jié)構特征的影響,澄清了吸收層尺度對具有微量Mo摻雜TiAlN/TiAlON雙吸收層的串列結(jié)構Cu/Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N薄膜的吸收性能影響規(guī)律;通過射頻濺射工藝參數(shù)對Al2O3減反層結(jié)構性能影響規(guī)律的實驗研究,形成了射頻濺射Al2O3減反層的工藝參數(shù)選擇及性能優(yōu)化依據(jù);基于理論模擬設計并制備了具有不同吸收層構型尺度但結(jié)構更簡單的AMA干涉疊堆型Cu/Al2O3/Mo/Al2O3和Cu/Al2O3/MoOx/Al2O3光熱薄膜,通過對其結(jié)構形貌、吸收特性及熱氧化穩(wěn)定性的實驗研究,初步澄清了其光熱吸收性能、熱氧化穩(wěn)定性水平及主要性能瓶頸,為利用AMA薄膜材料體系開發(fā)高抗氧化能力中高溫光熱薄膜材料的低成本制備技術形成了研究基礎和技術支撐。研究結(jié)果表明:(1)Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N雙吸收層薄膜的選擇性吸收性能對次吸收層尺度變化敏感度較高,其最佳尺度選擇范圍在40±20nm;主吸收層尺度變化對雙吸收層薄膜吸收特性影響較小,且存在臨界尺度為120 nm,高于該臨界值后薄膜性能基本保持不變,反之,則會使吸收限左移;隨雙吸收層尺度變化,薄膜元素成分及物相結(jié)構穩(wěn)定;沉積態(tài)薄膜均表現(xiàn)出明顯選擇性吸收特征,且在300～500 nm波長范圍內(nèi),平均吸收率達到75%以上,熱發(fā)射率基本維持在0.1左右。(2)射頻工藝參數(shù)對A12O3薄膜成分結(jié)構影響程度輕微,射頻功率分別取100/150/200 W,基片溫度分別取200/300/400 ℃條件下,利用射頻濺射方法制備的A1203薄膜均為非晶態(tài),且薄膜平均透射率均在95%以上;由于射頻工藝參數(shù)對薄膜結(jié)晶程度及其表面微觀形貌的影響,在200 W、400℃條件下制備的A1203薄膜減反效果最佳,其平均透射率達到最大值98.01%。(3)采用直流和射頻交替沉積技術,可成功制備出與設計尺度吻合的多層結(jié)構AMA型Cu/Al2O3/MoOx/Al2O3和Cu/A1203/Mo/A1203薄膜,其沉積態(tài)表面形貌組織致密均勻,主要物相為納米Cu晶相和A12O3非晶。半透中間層為純金屬Mo時,薄膜整體吸收率最高僅0.70@500 nm,法向發(fā)射率ε = 0.05@RT,而半透層為通氧條件下制備的金屬陶瓷MoOx時,薄膜整體吸收性能更為理想,此時吸收率可達α = 0.90@500nm,法向發(fā)射率ε= 0.02@RT。經(jīng)大氣環(huán)境下8h不同溫度(400、500℃)退火后,上述兩種薄膜的結(jié)構完整性均發(fā)生破壞,其主要原因為紅外反射層Cu金屬優(yōu)先氧化破壞所致。這說明,AMA型干涉疊堆光熱吸收薄膜在中高溫氧化環(huán)境下使用的主要性能瓶頸在于其整體尺度偏薄且不存在氧化物-非氧化物的成分漸變結(jié)構特征,因此該薄膜各功能層均需具有較強氧化抗力,有必要對其金屬紅外反射層及半透中間層的材料選擇及成分結(jié)構進行進一步的優(yōu)化研究。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2681953