太阳能选择性涂层复合材料高低折射率的光学性能

译文太阳能选择性涂层复合材料高低折射率的光学性能作者：M.Farooqa,*,M.G.Hutchinsb国家研究所的硅技术,No.25,H-9,巴基斯坦伊斯兰堡太阳能材料研究实验室,工程学院,牛津布鲁克斯大学牛津OX30英国石油公司、英国收到日期2000年5月25日,修订后收到日期2001年2月10日摘要本次研究的是材料的选择对太阳能选择性涂料光学常数的影响。利用计算机程序计算了光学常数、太阳能吸收是在空气质量(AM)2,和热发射率在300k,e是200nm厚选择性涂层,同时假设麦克斯韦加内特和布莱格曼理论的金属体积分数低于或高于0.3,分别用于设计复合膜的结构。两个系统的复合薄膜金属和介质进行了实验研究,通过射频和直流溅射捏造涂布机和电脑模拟进行验证。系统包含低折射率复合材料如:二氧化硅和其他高折射率材料如:氧化铝。在光谱范围是0.3-20毫米，这些薄膜被装配在红外反射基片上如镀镍铜或铝。铜基板的结果公布在这里。进行了比较和验证，钨、钴和铬基复合材料,具有不同的折射率,从而验证了选择的材料在选择性涂层的研究。观察高折射率材料有更低的反射特性,通过选择合适的金属体积分数在电介质和增透膜。越高的折射率的因素k,是负责高吸收的因素pk=l。太阳能吸收率的0.98和0.96是通过模拟和实验发现小于0.05热发射率200纳米厚的复合材料的氧化铝。其结果是更高的值，两个n和k的材料更适合太阳能选择性涂层。2002爱思唯尔科学保留所有权利。1．介绍太阳能选择性涂层性能提高太阳能收集器的性能。最大可能的吸收在太阳光谱(0.3--2.5毫米)和最高反射红外线谱(2.5-50毫米)的要求，并满足太阳能收集和最低热损失的要求。吸收是函数光学特征的材料和结构(包括数量的层的涂层和体积分数个人的薄层)选择性涂层的反射高或低，但更高热发射率取决于金属基板。吸收的依赖行为上的光学常数的材料是这里重点。光谱选择性涂层应用太阳能,窗户磨光和国防。他泊是选择性吸收器[1]的前沿。大量的光学材料已经开发利用金属/绝缘体复合材料[2]和光学性能的复合薄膜太阳能选择性涂料被广泛研究[3]。有效的光学常数的金属/绝缘体复合材料是由有效介质理论如麦克斯韦加内特和布莱格曼[4,5]。光学常数的涂料可能不同标准Drude法[6],取决于沉积条件下,粒子大小和光学常数的各个组件的电影。差异光学常数的气急败坏的电影的镍、钒、氧化铝和二氧化硅和他们的散装材料显然是由于不同大小的颗粒。这光学常数的差异的原因是不同的实验和模拟的结果。兴趣利用太阳能促使这个调查基本概念的理解吸收太阳辐射的材料。已多次尝试解释溅射条件和金属体积分数(VF)在复合材料,为更高的折射率(nt反向)材料得到高一个VFm是体积分数的磁带信息处理机层,Xm代表相对金属吗浓度在磁带信息处理机层对金属浓度在层1,这是规范化为1,即Xm+1和Xm的计算方式是这里N是总层数,m是数量的层。VF范围是在金属体积分数之间的差异底部和顶部的薄膜。在可见光区域的吸收太阳光谱[7]。的细节PGSAC正在尽快发布[8]2．实验计算机模拟工具,基于有效介质模型的使用采用麦克斯韦加内特理论体积分数小于0.3和布莱格曼形式为0.3和更高的体积分数,已开发,以启用吸收器设计的复合选择性。在我们的情况下,体积分数较大比0.3,所以这里介绍的结果是基于布莱格曼形式。设计工具已经验证了实验工作和已使用进一步调查系统的关键设计参数对各种屈光涂料指数的材料,目的是优化选择性吸收涂层。铜和铝基板(50平方厘米),在室温下适当清洁20%稀硝酸和10m氢氧化钠分别使用到这200海里复合膜厚的V:氧化铝、镍:二氧化硅被存放。一个Nordikons-3750系列磁控溅射系统被用于制造薄薄膜太阳能选择性吸收器。这个系统包含一个1.25千瓦射频和6千瓦直流发电机和400电极,10厘米远离目标。基质载体是八角形的,可以在不同的速度旋转所需的公司溅射沉积。美国商会被疏散到低于10@6托在氩引入气体溅射。这里我们使用一个溅射压力的3.0--3.5毫托在质量流率18sccm。光学性能的复合膜在太阳能的范围从0.3--2.5mm被测量使用双光束比录音,贝克曼5240积分球分光光度计。球体(0.15米直径)是涂以硫酸钡(重晶石砂等)。引用被压粉和铝镜重晶石砂等来衡量漫反射和镜面反射,分别。基本上这个仪器分为两个光谱范围从0.3到0.8和0.8到2.5毫米的源头氘和钨灯。标准仪器的仪器误差是70.01。接近于正常的半球形总反射率也决心用傅里叶改变单一的梁比记录分光光度计,IFS66Bruker,装备一个黄金积分球和水星碲化镉(MCT)红外探测器,由计算机控制操作的作品/红外软件。光谱发射率推导了波长值为20毫米。标准的仪器误差的该仪器是70.006。2.1。计算反射率矩阵法[9]是应用来计算反射率的涂料在E和H是电场和磁场矢量的电磁吗辐射。矩阵在Eq。(3)描述一层和决定性因素方程是团结,作为一个检查计算。对于N层数我们可以重写方程为地点在不合格品是复杂的折射率的复合“磁带信息处理机”层和“我”是吗广场负一根“tm”是膜厚度的“磁带信息处理机”层和l是波长。复合膜是装配在金属表面,所以没有传输的辐射。唯一参数,以推断出吸收率和发射率的系统反射率是计算为[10]为非透明基板:哪里是反射在Rl单一波长点和ns是复杂的折射率的衬底。2.2。计算太阳能吸收率和热发射率太阳能吸收率和热发射率的涂层可以被计算出来的反射谱定义为在Il是光谱入射辐射,Rl是光谱反射率和l1和l2吗定义光谱吸收率和热发射率的游侠的涂料可以计算出来的反射谱定义为在Il是光谱入射辐射,Rl是光谱反射率,l1和l2定义光谱吸收率和热发射率的游侠的涂料可以计算出来的反射谱定义为计算太阳能吸收率,反射率被在20个选择纵坐标[11]对于空气质量(AM)2。光谱发射率的评估使用普朗克黑体谱分布在20个选择300k的热发射率纵坐标[12]。对于波长大于20毫米,它的测量范围之外的仪器、反射率是假定为常数计算的目的。3。结果与讨论3.1。基于镍和钒选择性吸收器大部分金属的光学特性明显改变当他们气急败坏。钒、铜基体上后气急败坏,并显示一个低反射率在较短的波长(太阳光谱)导致高吸收率。在红外地区(l2:5毫米)薄膜的影响是无关紧要的,因为长波长辐射可以透过基质和基质是光秃秃的,这种辐射。这个气急败坏的粒子的大小小于太阳辐射的波长。这个厚度的表面,改变了截止波长向红外光谱。只有一个0.02增加发射率和增加190纳米的厚度和太阳能吸收率提高了从0.72到0.80,这增加的厚度这部电影。测量的热发射率和太阳能吸收率是显示在图1。图1变异的太阳能吸收比和热发射率由于不同粗细的钒薄膜。镍复合部分和高折射率介质(氧化铝)钒、函数和最佳性能在选择性吸收器。倪的性能:二氧化矽。不同的实验和理论结果是由于光学常量的区别和散装的气急败坏的材料[14]。相反,镍、钒的更好的性能是由于它更高的折射率(n和k)。吸收是一个线性函数的灭绝系数“k”即艾尔。pk=l[15]。如果两个“n”和“k”电影是更高的,吸收的辐射会更高,可以进入,但前表面反射是由于更高的“n”的材料。前表面反射降低通过使用一个高折射率介质作为一个防反射(AR)涂层。通过菲涅耳定律,如果值之间的差额的“n”和“k”的材料是较低的,波将会降低。图2200nm厚的计算相对于红光70%金属,复合材料的4-PGSAC:二氧化硅和V:氧化铝。图3计算和实验太阳能吸收率的200nm厚70%的金属,4-PGSAC的倪:二氧化硅和V:氧化铝复合材料氧化铝和二氧化硅出现同样适合太阳能选择性涂层。二氧化硅有一个折射率为1.45,这等于70%的平方根金属吗复合膜的镍和满足AR涂层标准。氧化铝有更高的折射率(1.76)和不适合镍基复合材料。钒已一个更高的折射率,因此准则来确定介质的选用对一个吸收器是相反镍和高折射率介质优先考虑,如氧化铝。如果涂料是捏造出来的相反即。更高的折射率较低的折射率的金属介质,光太阳能选择性涂层的性能降低。进行比较计算反射光谱的V:二氧化硅和氧化铝V:图4所示。有2.1%的降低太阳能吸收率在改变介质从二氧化硅,氧化铝,镍复合材料和1.4%氧化铝,二氧化硅改变为钒复合材料。从这里就推断金属一个适当的矩阵可以发挥更积极作用在复合材料吸收。图4200nm厚的计算相对于红光70%金属,复合材料的4-PGSAC钒。3.2。钨涂层的基础出版的基础上[16]光学性质的钨,其复合材料的基础反射光谱计算并呈现在图。5。在太阳能地区,更高的光学常数的钨使其可行的使用更高折射率介质如氧化铝(W:氧化铝)。这给了一个较低的反射率比W:二氧化矽。从模拟、W:氧化铝显示了n=0:932和e=0:023。基于选择性吸收器比较钨比镍的基础吸收器。钒基复合材料有光学特性优于钨。作为钒具有低反射率在近红外,这提高了太阳能吸收率。扩展系数“k”的钨是相对低的比太阳光谱中钒。低吸收由于较低的“k”和前表面反射由于更高的“n”增加了太阳能区域反射率而钒。光学性能的镍:氧化铝、W:二氧化矽,W:氧化铝和V:二氧化硅比较图6。光学常数的钨高于镍和有较小的差异其“n”和“k”,使钨更好候选人比镍。3.3。钴和铬的影响在复合涂料铬、钴是两个研究最多的材料进行选择性吸收器[17]。扩展系数“k”的材料都是相同的(D4)在太阳谱。折射率'n'的钴几乎是常数(约2.2)在太阳地区,而对于铬它增加2至4在这个范围。出于这个原因,在图7可见反射率降低大幅基于铬吸收器。图5200nm厚的计算相对于红光70%金属,4-PGSAC钨和钒的基础复合材料。图6太阳能absorptances计算和热emittances200nm厚,70%的金属,4-PGSAC复合材料的各种金属和电介质不合适。图7200nm厚的计算相对于红光70%金属,复合材料4-PGSAC铬增加波长。对于较短的波长,“n”为铬较低和需要一个低折射率介质但对于一半的可见光和更长时间波长折射率较高,需要更高的折射率介质。由于这些原因,在更短的波长,反射率是最低的克雷格:二氧化硅和高铬:氧化铝和反之亦然为近红外光谱。的反射率对于Cr:二氧化硅是低可见,最大太阳能谎言,让它更合适的比Cr:氧化铝。之间的差异既表现组合的铬是小,以便可以使用任何组合。这个各自的太阳能absorptances和热emittances他们的可能的组合介绍了图8。图8计算性能的基于钴和铬,70%的金属,4-PGSAC、复合材料。3．结论这是观察到,一些金属使合适的组合与二氧化硅而其他人使更适合结合氧化铝制造太阳能选择性的复合吸收器。最好的材料的组合称为“优化组合”在这里进行了总结。V:氧化铝、镍:二氧化硅W:氧化铝,二氧化硅进行了优化组合Co:。同时对铬组合(Cr:二氧化硅和Cr:氧化铝)是关于同样好,可以称为优化组合。如果我们将优化涂层,V:氧化铝具有较高的太阳能吸收率比优化W:氧化铝。后者材料具有更高的吸收率比倪:二氧化矽。最小的值克雷格:二氧化硅,二氧化硅和有限公司:进行优化。致谢我感谢伊斯兰开发银行、沙特阿拉伯的吉达,金融和道义上的支持，这项研究中,没有它不可能继续这项研究。我感谢瓦希德贝格a先生协助我在计算和配置的文章上的帮助。参考文献[1]H.Tabor,Bull.Res.Counc.Isr.5A(2)(1956)119.[2]J.H.Schon,G.Binder,E.Bucher,Sol.EnergyMater.Sol.Cells33(1994)403.[3]G.A.Niklasson,C.G.Granqvist,J.Mater.Sci.18(1983)3475.[4]G.A.Niklasson,C.G.Granqvist,J.Appl.Phys.55(1984)3382.[5]D.E.Aspnes,ThinSolidFilms89(1982)249.[6]R.Joerger,R.Gampp,A.Heinzel,W.Graf,M.Kohl,P.Gantenbein,P.Oelhafen,So