太陽能選擇性涂層復(fù)合材料高低折射率的光學(xué)性能

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 譯文 太陽能選擇性涂層復(fù)合材料高低折射率的光學(xué)性能 作者：M. Farooqa,*, M.G. Hutchinsb 國家研究所的硅技術(shù), No. 25, H-9,巴基斯坦伊斯蘭堡 太陽能材料研究實(shí)驗(yàn)室,工程學(xué)院,牛津布魯克斯大學(xué) 牛津OX3 0英國石油公司、英國 收到日期2000年5月25日,修訂后收到日期2001年2月10日摘要 本次研究的是材料的選擇對(duì)太陽能選擇性涂料光學(xué)常數(shù)的影響。利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算了光學(xué)常數(shù)、太陽能吸收是在空氣質(zhì)量(AM)2,和熱發(fā)射率在300 k,e是200 nm 厚選擇性涂層,同時(shí)假設(shè)麥克斯韋加內(nèi)特和布萊格曼理論的金屬體積分?jǐn)?shù)低于或高于0

2、.3,分別用于設(shè)計(jì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)系統(tǒng)的復(fù)合薄膜金屬和介質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過射頻和直流濺射捏造涂布機(jī)和電腦模擬進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)包含低折射率復(fù)合材料如:二氧化硅和其他高折射率材料如:氧化鋁。在光譜范圍是0.3 -20毫米，這些薄膜被裝配在紅外反射基片上如鍍鎳銅或鋁。銅基板的結(jié)果公布在這里。進(jìn)行了比較和驗(yàn)證，鎢、鈷和鉻基復(fù)合材料,具有不同的折射率,從而驗(yàn)證了選擇的材料在選擇性涂層的研究。觀察高折射率材料有更低的反射特性,通過選擇合適的金屬體積分?jǐn)?shù)在電介質(zhì)和增透膜。越高的折射率的因素k,是負(fù)責(zé)高吸收的因素 pk = l。太陽能吸收率的0.98和0.96是通過模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小于0.05熱發(fā)射率200

3、納米厚的復(fù)合材料的氧化鋁。其結(jié)果是更高的值，兩個(gè)n和k的材料更適合太陽能選擇性涂層。 2002愛思唯爾科學(xué)保留所有權(quán)利。1 介紹 太陽能選擇性涂層性能提高太陽能收集器的性能。最大可能的吸收在太陽光譜(0.3 - -2.5毫米)和最高反射紅外線譜(2.5 -50毫米)的要求，并滿足太陽能收集和最低熱損失的要求。吸收是函數(shù)光學(xué)特征的材料和結(jié)構(gòu)(包括數(shù)量的層的涂層和體積分?jǐn)?shù)個(gè)人的薄層)選擇性涂層的反射高或低，但更高熱發(fā)射率取決于金屬基板。吸收的依賴行為上的光學(xué)常數(shù)的材料是這里重點(diǎn)。光譜選擇性涂層應(yīng)用太陽能,窗戶磨光和國防。他泊是選擇性吸收器1的前沿。大量的光學(xué)材料已經(jīng)開發(fā)利用金屬/絕緣體復(fù)合材料2和

4、光學(xué)性能的復(fù)合薄膜太陽能選擇性涂料被廣泛研究3。有效的光學(xué)常數(shù)的金屬/絕緣體復(fù)合材料是由有效介質(zhì)理論如麥克斯韋加內(nèi)特和布萊格曼4,5。光學(xué)常數(shù)的涂料可能不同標(biāo)準(zhǔn)Drude法6,取決于沉積條件下,粒子大小和光學(xué)常數(shù)的各個(gè)組件的電影。差異光學(xué)常數(shù)的氣急敗壞的電影的鎳、釩、氧化鋁和二氧化硅和他們的散裝材料顯然是由于不同大小的顆粒。這光學(xué)常數(shù)的差異的原因是不同的實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果。興趣利用太陽能促使這個(gè)調(diào)查基本概念的理解吸收太陽輻射的材料。已多次嘗試解釋濺射條件和金屬體積分?jǐn)?shù)(VF)在復(fù)合材料,為更高的折射率(n t反向)材料得到高一個(gè) VFm是體積分?jǐn)?shù)的磁帶信息處理機(jī)層,Xm代表相對(duì)金屬嗎濃度在磁帶信

5、息處理機(jī)層對(duì)金屬濃度在層1,這是規(guī)范化為1,即Xm+1和Xm的計(jì)算方式是 這里N是總層數(shù),m是數(shù)量的層。VF范圍是在金屬體積分?jǐn)?shù)之間的差異底部和頂部的薄膜。在可見光區(qū)域的吸收太陽光譜7。的細(xì)節(jié)PGSAC正在盡快發(fā)布82 實(shí)驗(yàn) 計(jì)算機(jī)模擬工具,基于有效介質(zhì)模型的使用采用麥克斯韋加內(nèi)特理論體積分?jǐn)?shù)小于0.3和布萊格曼形式為0.3和更高的體積分?jǐn)?shù),已開發(fā),以啟用吸收器設(shè)計(jì)的復(fù)合選擇性。在我們的情況下,體積分?jǐn)?shù)較大比0.3,所以這里介紹的結(jié)果是基于布萊格曼形式。 設(shè)計(jì)工具已經(jīng)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)工作和已使用進(jìn)一步調(diào)查系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)各種屈光涂料指數(shù)的材料,目的是優(yōu)化選擇性吸收涂層。銅和鋁基板(50平方厘米)

6、,在室溫下適當(dāng)清潔20%稀硝酸和10 m氫氧化鈉分別使用到這200海里復(fù)合膜厚的V:氧化鋁、鎳:二氧化硅被存放。 一個(gè)Nordiko ns - 3750系列磁控濺射系統(tǒng)被用于制造薄薄膜太陽能選擇性吸收器。這個(gè)系統(tǒng)包含一個(gè)1.25千瓦射頻和6千瓦直流發(fā)電機(jī)和400電極,10厘米遠(yuǎn)離目標(biāo)。基質(zhì)載體是八角形的,可以在不同的速度旋轉(zhuǎn)所需的公司濺射沉積。美國商會(huì)被疏散到低于10 6托在氬引入氣體濺射。這里我們使用一個(gè)濺射壓力的3.0 - -3.5毫托在質(zhì)量流率18 sccm。 光學(xué)性能的復(fù)合膜在太陽能的范圍從0.3 - -2.5 mm被測(cè)量使用雙光束比錄音,貝克曼5240積分球分光光度計(jì)。球體(0.15

7、米直徑)是涂以硫酸鋇 (重晶石砂等)。引用被壓粉和鋁鏡重晶石砂等來衡量漫反射和鏡面反射,分別?；旧线@個(gè)儀器分為兩個(gè)光譜范圍從0.3到0.8和0.8到2.5毫米的源頭氘和鎢燈。標(biāo)準(zhǔn)儀器的儀器誤差是70.01。 接近于正常的半球形總反射率也決心用傅里葉改變單一的梁比記錄分光光度計(jì),IFS66 Bruker,裝備一個(gè)黃金積分球和水星碲化鎘(MCT)紅外探測(cè)器,由計(jì)算機(jī)控制操作的作品/紅外軟件。光譜發(fā)射率推導(dǎo)了波長值為20毫米。標(biāo)準(zhǔn)的儀器誤差的該儀器是70.006。2.1。 計(jì)算反射率 矩陣法9是應(yīng)用來計(jì)算反射率的涂料在E和H是電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量的電磁嗎輻射。矩陣在Eq。(3)描述一層和決定性因素方程是

8、團(tuán)結(jié),作為一個(gè)檢查計(jì)算。對(duì)于N層數(shù)我們可以重寫方程為地點(diǎn)在不合格品是復(fù)雜的折射率的復(fù)合“磁帶信息處理機(jī)”層和“我”是嗎廣場(chǎng)負(fù)一根 “tm”是膜厚度的“磁帶信息處理機(jī)”層和l是波長。復(fù)合膜是裝配在金屬表面,所以沒有傳輸?shù)妮椛洹Ｎㄒ粎?shù),以推斷出吸收率和發(fā)射率的系統(tǒng)反射率是計(jì)算為10為非透明基板:哪里是反射在Rl單一波長點(diǎn)和ns是復(fù)雜的折射率的襯底。2.2。 計(jì)算太陽能吸收率和熱發(fā)射率 太陽能吸收率和熱發(fā)射率的涂層可以被計(jì)算出來的反射譜定義為在Il是光譜入射輻射,Rl是光譜反射率和l1和l2嗎定義光譜吸收率和熱發(fā)射率的游俠的涂料可以計(jì)算出來的反射譜定義為在Il是光譜入射輻射,Rl是光譜反射率,l1

9、和l2定義光譜吸收率和熱發(fā)射率的游俠的涂料可以計(jì)算出來的反射譜定義為計(jì)算太陽能吸收率,反射率被在20個(gè)選擇縱坐標(biāo)11對(duì)于空氣質(zhì)量(AM)2。光譜發(fā)射率的評(píng)估使用普朗克黑體譜分布在20個(gè)選擇300 k的熱發(fā)射率縱坐標(biāo)12。對(duì)于波長大于20毫米,它的測(cè)量范圍之外的儀器、反射率是假定為常數(shù)計(jì)算的目的。3。結(jié)果與討論3.1。 基于鎳和釩選擇性吸收器 大部分金屬的光學(xué)特性明顯改變當(dāng)他們氣急敗壞。釩、銅基體上后氣急敗壞,并顯示一個(gè)低反射率在較短的波長(太陽光譜)導(dǎo)致高吸收率。在紅外地區(qū)(l 2:5毫米)薄膜的影響是無關(guān)緊要的,因?yàn)殚L波長輻射可以透過基質(zhì)和基質(zhì)是光禿禿的,這種輻射。這個(gè)氣急敗壞的粒子的大小小

10、于太陽輻射的波長。這個(gè)厚度的表面,改變了截止波長向紅外光譜。只有一個(gè)0.02增加發(fā)射率和增加190納米的厚度和太陽能吸收率提高了從0.72到0.80,這增加的厚度這部電影。測(cè)量的熱發(fā)射率和太陽能吸收率是顯示在圖1。圖 1 變異的太陽能吸收比和熱發(fā)射率由于不同粗細(xì)的釩薄膜。鎳復(fù)合部分和高折射率介質(zhì)(氧化鋁)釩、函數(shù)和最佳性能在選擇性吸收器。倪的性能:二氧化矽。不同的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果是由于光學(xué)常量的區(qū)別和散裝的氣急敗壞的材料14。相反,鎳、釩的更好的性能是由于它更高的折射率(n和k)。吸收是一個(gè)線性函數(shù)的滅絕系數(shù)“k”即艾爾。pk = l15。如果兩個(gè)“n”和“k”電影是更高的,吸收的輻射會(huì)更高,可

11、以進(jìn)入,但前表面反射是由于更高的“n”的材料。前表面反射降低通過使用一個(gè)高折射率介質(zhì)作為一個(gè)防反射(AR)涂層。通過菲涅耳定律,如果值之間的差額的“n”和“k”的材料是較低的,波將會(huì)降低。圖 2 200 nm厚的計(jì)算相對(duì)于紅光70%金屬,復(fù)合材料的4-PGSAC:二氧化硅和V:氧化鋁。圖3 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)太陽能吸收率的200 nm厚70%的金屬,4-PGSAC的倪:二氧化硅和V:氧化鋁復(fù)合材料 氧化鋁和二氧化硅出現(xiàn)同樣適合太陽能選擇性涂層。二氧化硅有一個(gè)折射率為1.45,這等于70%的平方根金屬嗎復(fù)合膜的鎳和滿足AR涂層標(biāo)準(zhǔn)。氧化鋁有更高的折射率(1.76)和不適合鎳基復(fù)合材料。釩已一個(gè)更高的折射

12、率,因此準(zhǔn)則來確定介質(zhì)的選用對(duì)一個(gè)吸收器是相反鎳和高折射率介質(zhì)優(yōu)先考慮,如氧化鋁。如果涂料是捏造出來的相反即。更高的折射率較低的折射率的金屬介質(zhì),光太陽能選擇性涂層的性能降低。進(jìn)行比較計(jì)算反射光譜的V:二氧化硅和氧化鋁V:圖4所示。有2.1%的降低太陽能吸收率在改變介質(zhì)從二氧化硅,氧化鋁,鎳復(fù)合材料和1.4%氧化鋁,二氧化硅改變?yōu)殁C復(fù)合材料。從這里就推斷金屬一個(gè)適當(dāng)?shù)木仃嚳梢园l(fā)揮更積極作用在復(fù)合材料吸收。圖 4 200 nm厚的計(jì)算相對(duì)于紅光70%金屬,復(fù)合材料的4-PGSAC釩。3.2。 鎢涂層的基礎(chǔ) 出版的基礎(chǔ)上16光學(xué)性質(zhì)的鎢,其復(fù)合材料的基礎(chǔ)反射光譜計(jì)算并呈現(xiàn)在圖。5。在太陽能地區(qū),更

13、高的光學(xué)常數(shù)的鎢使其可行的使用更高折射率介質(zhì)如氧化鋁(W:氧化鋁)。這給了一個(gè)較低的反射率比W:二氧化矽。從模擬、W:氧化鋁顯示了n=0:932和e = 0:023?；谶x擇性吸收器比較鎢比鎳的基礎(chǔ)吸收器。釩基復(fù)合材料有光學(xué)特性優(yōu)于鎢。作為釩具有低反射率在近紅外,這提高了太陽能吸收率。擴(kuò)展系數(shù)“k”的鎢是相對(duì)低的比太陽光譜中釩。低吸收由于較低的“k”和前表面反射由于更高的“n”增加了太陽能區(qū)域反射率而釩。光學(xué)性能的鎳:氧化鋁、W:二氧化矽,W:氧化鋁和V:二氧化硅比較圖6。光學(xué)常數(shù)的鎢高于鎳和有較小的差異其“n”和“k”,使鎢更好候選人比鎳。3.3。 鈷和鉻的影響在復(fù)合涂料 鉻、鈷是兩個(gè)研究最

14、多的材料進(jìn)行選擇性吸收器17。擴(kuò)展系數(shù)“k”的材料都是相同的(D4)在太陽譜。折射率 n 的鈷幾乎是常數(shù)(約2.2)在太陽地區(qū),而對(duì)于鉻它增加2至4在這個(gè)范圍。出于這個(gè)原因,在圖7可見反射率降低大幅基于鉻吸收器。圖 5 200 nm厚的計(jì)算相對(duì)于紅光70%金屬,4-PGSAC鎢和釩的基礎(chǔ)復(fù)合材料。圖 6 太陽能absorptances計(jì)算和熱emittances 200 nm厚,70%的金屬,4-PGSAC復(fù)合材料的各種金屬和電介質(zhì)不合適。圖 7 200 nm厚的計(jì)算相對(duì)于紅光70%金屬,復(fù)合材料4-PGSAC鉻增加波長。對(duì)于較短的波長,“n”為鉻較低和需要一個(gè)低折射率介質(zhì)但對(duì)于一半的可見光和

15、更長時(shí)間波長折射率較高,需要更高的折射率介質(zhì)。由于這些原因,在更短的波長,反射率是最低的克雷格:二氧化硅和高鉻:氧化鋁和反之亦然為近紅外光譜。的反射率對(duì)于Cr:二氧化硅是低可見,最大太陽能謊言,讓它更合適的比Cr:氧化鋁。之間的差異既表現(xiàn)組合的鉻是小,以便可以使用任何組合。這個(gè)各自的太陽能absorptances和熱emittances他們的可能的組合介紹了圖8。圖8計(jì)算性能的基于鈷和鉻,70%的金屬,4-PGSAC、復(fù)合材料。3 結(jié)論 這是觀察到,一些金屬使合適的組合與二氧化硅而其他人使更適合結(jié)合氧化鋁制造太陽能選擇性的復(fù)合吸收器。最好的材料的組合稱為“優(yōu)化組合”在這里進(jìn)行了總結(jié)。V:氧化鋁

16、、鎳:二氧化硅W:氧化鋁,二氧化硅進(jìn)行了優(yōu)化組合Co:。同時(shí)對(duì)鉻組合(Cr:二氧化硅和Cr:氧化鋁)是關(guān)于同樣好,可以稱為優(yōu)化組合。如果我們將優(yōu)化涂層,V:氧化鋁具有較高的太陽能吸收率比優(yōu)化W:氧化鋁。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:進(jìn)行優(yōu)化。致謝我感謝伊斯蘭開發(fā)銀行、沙特阿拉伯的吉達(dá),金融和道義上的支持，這項(xiàng)研究中,沒有它不可能繼續(xù)這項(xiàng)研究。我感謝瓦希德貝格a先生協(xié)助我在計(jì)算和配置的文章上的幫助。參考文獻(xiàn)1 H. Tabor, Bull. Res. Counc. Isr. 5A (2) (1956) 119.2 J.H. Schon, G

17、. Binder, E. Bucher, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 33 (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, Thin Solid Films 89 (1982) 249.6 R. Joerger, R. Gampp, A. Heinzel, W. Graf, M. Kohl, P. Gant

18、enbein, P. Oelhafen, Sol. EnergyMater. Sol. Cells 54 (1998) 351361.7 C.M. Lampert, Sol. Energy Mater. 1 (1979) 319341.8 M. Farooq, M.G. Hutchins, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, submitted for publication.9 H.M. Liddell, Computer Aided Techniques for the Design of Multilayer Filters, A. Hilger, Bristol, 1969.10 A. Andersson, O. Hundeeri, C.G. Granqvist, J. Appl. Phys. 51 (1) (1980) 7