Solar Energy Materials & Solar Cells綜述：采用PVD制備中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層

20世紀70年代，在世界范圍內發生的石油危機為太陽能的開發和利用注入了新的動力。太陽能是可再生能源當中總量最為巨大的清潔能源，太陽表面溫度高達6000?K左右，盡管由于大氣層中空氣分子、水蒸氣和塵埃會使太陽輻射強度減弱等原因，到達地球表面的太陽輻射僅占了總輻射能量的22億分之一，但是也已經高達了173000?TW，相當于燃燒500噸煤的熱量。對于取之不盡用之不竭的太陽能，主要的利用方式有光電轉化、光熱轉化、光化學等，其中最直接的方式就是光熱轉化，即利用太陽能集熱器將太陽能轉化為熱能，從而可以用于加熱吸熱管中的工質（常見的有合成油和熔融鹽），再通過吸熱管將熱量傳送到熱交換器中，產生高溫蒸汽使發電機發電，這就是聚光太陽能發電（Concentrating Solar Power，簡稱CSP）。太陽光譜選擇性吸收涂層是太陽能集熱器最重要的部分。在太陽的光譜輻射中，具有實際意義的波長是0.39~100 μm或0.200~100?μm，太陽輻出度最大峰值對應的波長是480 nm，能量主要集中在0.20~2.5?μm波長范圍，其中可見光和近紅外區域占有相當的比重。因此對于高效的中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層，主要技術要求是在500工作溫度下，在太陽光波段（λ ≤ 3 μm）有很高的吸收比（α ≥ 0.98），和在紅外波段（λ ≥ 3 μm）有極低的發射率（ε≤0.05）吸收涂層的工作溫度可以分為低溫吸收涂層（T<100°C），中溫吸收涂層（100°C<T<400°C）和高溫吸收涂層（T>400°C）。其中中溫吸收涂層主要應用于工業生產中太陽能產熱、太陽能熱水器等，而開發在中高溫條件下具有優異的光學性能和熱穩定性的太陽光譜選擇性吸收涂層是實現太陽能高效利用的技術關鍵。

【成果簡介】

印度國家航天航空實驗室N. Selvakumar教授和Harish C. Barshilia教授（通訊作者）等在Solar Energy Materials & Solar Cells（太陽能材料與太陽能電池）上發表了題為“Review of physical vapor deposited (PVD) spectrally selective coatings for?mid- and high-temperature solar thermal applications”的綜述文章。文章總結了采用PVD方法制備的不同材料組成的吸熱膜膜系的研究進展。作者總結了太陽光譜選擇性吸收涂層的工作原理，提出對于高效的中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層，主要技術要求是在500工作溫度下，在太陽光波段（λ ≤ 3 μm）有很高的吸收比（α ≥ 0.98），和在紅外波段（λ ≥ 3 μm）有極低的發射率（ε≤0.05）。其后由于PVD方法相較于濕化學法對環境更加友好，且能夠制備性能更為穩定、優異的選擇性吸收膜系，作者總結了采用主流的PVD方法（蒸發蒸鍍、陰極電弧沉積、磁控濺射）制備的不同類型的新型太陽光譜選擇性吸收涂層作為范例進行了詳細討論，并且對近年來成功實現商業化的吸熱膜膜系進行了介紹和展示，最后對吸熱膜的未來發展方向提出了建議。

【圖文導讀】

圖1.太陽能集熱器分類

圖2.?Cr–Cr₂O₃膜系光學性能

（a）在不銹鋼基底上制備的Cr₂O₃/Cr膜系在剛沉積完和熱處理后的反射光譜圖

（b）Cr–Cr₂O₃膜系在不同退火溫度下的反射光譜圖

圖3.?Pt–Al₂O₃光譜選擇性吸收膜系的反射光譜

圖4.?兩種Mo/Al₂O₃金屬陶瓷膜系的結構圖

（a）標準Mo/Al₂O₃金屬陶瓷膜系結構圖

（b）改進后Mo/Al₂O₃金屬陶瓷膜系結構圖

圖5.?沉積在硅基底上的TiAlN/TiAlON/Si₃N₄疊層膜系的橫截面

（a）TEM明場像

（b）TEM暗場像

（c）選擇區域電子衍射圖像

【結論與展望】

預計太陽能熱能將成為可再生能源的重要來源，以滿足世界不斷增長的能源需求。在這方面，對用于中溫和高溫太陽能熱應用的光譜選擇性涂層的需求日益增長。在本文中，作者回顧了用于中高溫太陽能熱應用的物理氣相沉積太陽能選擇性吸收涂層的最新技術，學者們已經使用各種物理氣相沉積工藝（例如蒸發，離子電鍍，陰極電弧蒸發，脈沖激光沉積和濺射）來開發中溫和高溫太陽能選擇性涂層。其中，濺射技術已成功地用于制備大面積光譜選擇性吸收涂層，并成功商業化應用于平板集熱器和接收管。文章已經總結了各種各樣的太陽能選擇性涂層，并且包括近年來許多滿足高溫應用要求的新型光譜選擇性吸收涂層

對于中溫太陽能光熱應用，采用PVD方法制備的選擇性吸收涂層有：SS-AlN，CrN-Cr₂O₃，TiNOX，Al-AlN，Ni-NiO，a-C：H / Cr等，這些涂層均已經成功開發并正在商業上用于太陽能熱水應用。與電沉積制備黑鉻薄膜一樣，濺射沉積的Cr-Cr₂O₃涂層對于太陽能熱水和中溫應用具有很大的前景，但如果需要在商業規模上成功開發應用，需要消除其中使用了的已知致癌物質的六價Cr離子。

同樣，對于高溫應用，大量的太陽光譜選擇性吸收涂層已經被開發出來，如Pt-Al₂O₃，Ni-Al₂O₃，Ni-SiO₂，Fe-Al₂O₃，Cr-SiO，Mo-Al₂O₃，Mo-SiO₂，W-Al₂O₃等涂層。研究人員重點研究了Pt-Al₂O₃涂層的高溫應用，因為它們在較高的工作溫度下具有高吸收率和低發射率，但是由于鉑金的成本高，因此無法商業化。作為Pt-Al₂O₃的替代品，研究人員開發了用于高溫應用的W-Al₂O₃，Mo-Al₂O₃，Ni-Al₂O₃等金屬陶瓷涂層。其中Mo-Al₂O₃吸熱涂層已應用于太陽能熱電廠中的Luz導熱管。雖然這些涂料在真空中具有良好的熱穩定性，但它們在空氣中300℃以上的熱穩定性較低。德國西門子公司（原Solel公司）對Mo-Al₂O₃金屬陶瓷涂層進行了改性，開發了一種新型Al₂O₃基金屬陶瓷涂層。此外還開發了基于其他介電材料如SiO₂，AlN和MgO的金屬陶瓷涂層。例如，Mo-SiO₂和SS-AlN金屬陶瓷涂層已分別通過ENEA和TurboSun成功商業化用于接收管。盡管如此，金屬陶瓷涂層只在真空中表現出高的熱穩定性，它們的性能會由于暴露在空氣中而顯著惡化。因此，未來的研究要一直關注基于過渡金屬氮化物/氮氧化物/氧化物和硅化物的中高溫太陽能選擇性涂料的發展，并且能夠成功商業化用于太陽能熱發電的導熱管中。

文獻鏈接：Review of physical vapor deposited (PVD) spectrally selective coatings for mid- and high-temperature solar thermal applications（Solar Energy Materials & Solar Cells，2012，https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.10.028）

本文由楊子健供稿。

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