太阳能选择性吸收涂层的研究进展与应用前景

　　摘要：太阳能作为清洁的可再生能源其储量极其丰富，光热转换技术可实现对太阳能的有效利用。太阳能选择性吸收涂层是光热转换技术的核心。阐述了太阳能选择性吸收涂层的选择性吸收原理，并对太阳能选择性吸收涂层的种类、制备方法以及目前的研究进展进行了介绍，最后提出了太阳能选择性吸收涂层目前仍需解决的问题，并对未来的研究方向进行了展望。

　　关键词：太阳能;太阳能选择性吸收涂层;吸收原理;制备方法

　　伴随着社会的发展，人类对于化石能源的过度利用，使得全球变暖问题日趋严重。在此背景下，“低碳”成为当今世界发展的主旋律。为此，世界各国都在积极探索研究，以求找到可替代化石能源的清洁能源[1-2]。太阳能因其巨大的储量和环境友好性成为解决上述问题的一种新能源。太阳能选择性吸收涂层作为太阳能集热器的核心构件，一直以来备受关注[3]。

　　太阳能利用论文范例： 基于聚光太阳能的油品管道减阻与节能研究

　　以色列科学家Tabor[4]早在20世纪50年代就提出光谱选择性吸收涂层的概念，并称之为选择性黑色低发射率表面。目前，已在我国普及的太阳能热水器正是太阳能选择性吸收涂层在中低温领域的应用，由于在耐候性、耐腐蚀性以及吸收效率等问题上 一直无法达到理想状态，对于应用在中高温领域下的太阳能选择性吸收涂层的研究仍在进行中。

　　1太阳能涂层选择性吸收原理

　　太阳光谱辐射范围主要集中在0.3～25μm[5]。物体产生黑体辐射的范围在2～100μm，因此需要将集热器的辐射能量尽可能降低。在太阳光谱范围内，太阳能选择性吸收涂层在保持较高吸收率α的同时还会将发射率ε维持在较低值，并且α值越高，ε值越低，涂层的选择吸收性能越优异[6]。

　　2太阳能选择性吸收涂层的类型

　　根据材料和涂层结构对太阳能选择性吸收涂层进行分类，大致可分为本征吸收涂层、光干涉型涂层、金属陶瓷复合型涂层、多层渐变型涂层和表面微不平结构涂层[9]。虽然各类涂层吸收能量的方式大致相同，但结构上的微小差异，会对涂层的吸收性能产生重要影响。例如，单一材料的本征吸收涂层具有明显的局限性，在吸收性能上也不理想，但通过掺杂和共混的方式对单一的本征吸收材料进行改性，所得的选择性吸收涂层在性能上就会大幅度提升。

　　对于光干涉型涂层，其每一层膜结构的厚度以及干涉系数等都必须预先经过严格的设计，否则会导致涂层的选择性能不佳甚至无法对太阳能选择吸收。再例如，多层渐变型涂层，若去掉减反层这一结构，那么由于这类涂层材料的局限性，涂层的发射率将急剧上升，无法达到使用要求。

　　2.1本征吸收涂层

　　本征吸收涂层又称本体吸收性涂层，由自身具备光谱选择性吸收这一性质的材料所组成，这些材料包括具有合适禁带宽度的半导体和过渡金属，其吸收理论为能带理论。当入射光的能量大于材料的禁带宽度Eg时，材料的价电子随之发生跃迁，此时就会发生材料对入射光的吸收现象;反之，入射光就会被反射;当入射光强适宜时，材料就会产生对光谱的选择吸收性[10-11]。

　　本征吸收涂层在材料的选择上，除半导体材料外，部分过渡金属(Cr、W、Mo、Ni、Pt)等以及它们的碳化物、氧化物、氮化物以及硼化物都被广泛使用[12-14]。虽然本征吸收涂层在材料的选择上比较广泛，但该涂层也有一定缺点，大多数本征吸收涂层在制备过程中所选择的工艺都相对苛刻，成本较高，并且单一的材料选择机制使其太阳能选择性吸收性能不理想，受材料本身的限制较大，无法满足高选择性和高温环境下的使用要求。

　　2.2光干涉型涂层

　　光干涉型涂层通常利用数层薄膜在适宜光谱范围内的干涉效应来实现对光谱的选择性吸收，以此来达到利用太阳能的目的[17]。光干涉型涂层从结构上看为多层结构涂层。对于这类涂层每一层膜结构的厚度、干涉系数等都必须经过预先设计，以此来达到对光谱的选择性吸收[18-19]。一般采用可抵消光系数的电介质材料作为减反层，常用的减反层材料一般有Al2O3、SiO2、PbS、ZnS等。目前，较为成熟的双层黑镍、双层黑铬、Al-AlN、Ni-SiO2、Al2O3-Mo-Al2O3等涂层都是常见的光干涉型涂层[20]。

　　徐英杰[21]制备出SS/AlCrN基光干涉型太阳能选择性吸收涂层，其吸收率和发射率分别为0.733和0.146，对其表面进行Al2O3减反层涂敷，其吸收率和发射率得到优化，分别达到0.832和0.159。由于光干涉型涂层的多层厚度必须严格控制，故对涂层的制备工艺有更高的要求，可控制膜厚度的制备工艺如磁控溅射法、多弧离子镀等可实现对此类涂层的制备，但生产成本较高等缺点使其在大规模商业化生产方面存在较大困难。

　　2.3金属陶瓷复合型涂层

　　金属陶瓷复合型涂层也称金属-电介质复合型涂层。该类涂层利用沉积在电介质材料中的金属微小颗粒的带间跃迁和相互作用以及金属基底的高红外反射特性使涂层对太阳光谱有了选择性吸收性能[22-23]。该类涂层具有与光干涉型涂层类似的层状结构，当各层结构的厚度、金属颗粒的浓度以及形状尺寸等参数选择合理时，涂层可表现出优异的太阳光谱选择性。陶瓷材料虽然对光的选择吸收效应较差，但其耐高温性能和化学稳定性为涂层在较高温度下的应用提供了保障。

　　马惠阳等[24]首次将激光熔覆法和表面涂敷法相结合，在不锈钢基底上制备了Ni/Mo-TiC金属陶瓷单层涂层。经600℃退火1h后，涂层吸收率为0.807，发射率为0.06，光学性能无明显变化，涂层具备一定的热稳定性。段小华等[25]探究了添加不同含量的Al2O3对已有Co-WC金属陶瓷涂层的光学性能的影响。在复合粉末MCo∶MWC=8∶2的前提下，当Al2O3添加量为10%wt时，涂层表现出较好的太阳光谱选择性，吸收率和发射率分别为0.84和0.363，添加Al2O3作为减反层后，吸收率增加至0.89。

　　3太阳能选择性吸收涂层的制备方法

　　目前，常用的太阳能选择性吸收涂层制备方法分类以及各制备方法的特点。

　　3.1涂料法

　　涂料法发展较早，此方法所用到的涂料为多组分材料体系，一般由有机树脂作为粘结剂，金属氧化物等具备光谱选择性的化合物为颜料，通过喷涂、涂刷等方法将涂料覆盖在基体表层。此方法适用于各类粉体材料涂层的制备，但对涂层的附着程度即粘结剂的要求很高[5]。杨永刚等[31]将Cu-Zn-Sn合金粉末和硫粉混合制成粉末前驱体涂敷在钠钙玻璃基体上，经N2+S(g)气氛下400℃热处理2h后，得到比较纯净的具有锌黄锡矿结构的Cu2ZnSnS4吸收层薄膜，该膜光学性能良好，可作为太阳能电池薄膜吸收层用材。

　　刘嘉成等[32]合成FeCuMnCoOx粉体和CuS@Cu2O复合粉体，采用自制有机硅树脂为粘合剂制备太阳能吸收涂层。不同CuS/FeCuMnCoOx复合粉体配比 的涂层太阳能吸收率在0.918～0.945，发射率在0.178～0.211。当m(CuS)∶m(FeCuMnCoOx)=1∶5时，太阳能吸收率为0.945，发射率为0.182，达到最佳性能。由于聚合物树脂粘结剂在红外区通常有一定的吸收，所以涂层在大于2.5μm区域的发射率会偏高，近年来在粘结剂的选择上已经有了新的进展。徐声瑞等[33]以壳聚糖为结构导向剂，制备了CuCr2O4单晶纳米粒子并将其与丙烯酸乳液共混，最终得到吸收率为0.964，发射率为0.258的环境友好型太阳能选择吸收涂层。

　　3.2电化学转化法电化学转化法是制备太阳能选择性吸收涂层的方法之一，主要包括以下两类方法：电镀法是指利用电镀的方法将具备光选择性吸收性能的金属材料镀在具有较低发射率的基底上，电镀完成后会在基底上形成一层具备光谱选择性吸收功能的薄膜[34]。阳极氧化法原理为电解氧化，以Al的阳极氧化法最为成熟。在电解氧化过程中，所沉积的金属存在于金属基底的孔隙结构中，该结构可使所沉积金属在一定程度上不受外界环境影响，提高了涂层的热稳定性和耐候性[35]。

　　4结语与展望

　　目前，中低温领域的太阳能选择性吸收涂层已广泛应用于市场，但随着中高温光热转化技术的发展，当前所研制出的太阳能选择性吸收涂层需要能在500℃以上的环境温度下工作，这对涂层的性能有了更高要求。除了耐高温问题，目前太阳能选择性吸收涂层还面临着诸如耐候性、服役寿命、发射率偏高等主要问题。开发出新型可用的材料、对材料的合理改性以及合理使用减反层等方法可对上述问题进行很大改进。制备太阳能选择性吸收涂层，从材料的开发到制备方法的改进和更新再到对所制备涂层的优化处理，已成为一项复杂的综合性技术。

　　目前，除了开发出具有优异光学性能的涂层材料外，还应开发出适用范围广泛的制备方法或者对已有制备方法进行一定的优化，以此来降低制备涂层所需的成本，这些都将是未来太阳能选择性吸收涂层的研究重点和热点。只有高性能的太阳能选择性吸收涂层投入工厂生产线量产，才能使太阳能光热转换技术跃上新的台阶，实现太阳能在集热、发电等方面的应用价值。

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　　[9]CaoF，McenaneyK，ChenG，etal.Areviewofcermet-basedspectrallyselectivesolarabsorbers[J].Energy&Environmentalence，2014，7(5)：1615-1627.

　　作者：陈宇飞,兰亚鹏,古龙,闵捷