【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(guān)鍵部件——聚光集熱器表面實(shí)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(shí)在中高溫(T≥400℃)服役條件下還應(yīng)兼具結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性。為進(jìn)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(duì)前期研發(fā)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)TiAl(O)N薄膜存在的:(1)Mo-TiAlN/Mo-TiAl(O)N雙吸收層尺度對(duì)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(duì)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(gòu)TiAl(O)N光熱薄膜成分結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上利用直流反應(yīng)磁控濺射制備并驗(yàn)證了對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)尺度的雙吸收層功能層薄膜,實(shí)驗(yàn)研究了吸收層尺度對(duì)薄膜光熱吸收性能及成分結(jié)構(gòu)特征的影響,澄清了吸收層尺度對(duì)具有微量Mo摻雜TiAlN/TiAlON雙吸收層的串列結(jié)構(gòu)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(duì)Al2O3減反層結(jié)構(gòu)性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)并制備了具有不同吸收層構(gòu)型尺度但結(jié)構(gòu)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(duì)其結(jié)構(gòu)形貌、吸收特性及熱氧化穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)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(shù)形成了研究基礎(chǔ)和技術(shù)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(duì)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(duì)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(huì)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(gòu)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(dá)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(duì)A12O3薄膜成分結(jié)構(gòu)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(duì)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(dá)到最大值98.01%。(3)采用直流和射頻交替沉積技術(shù),可成功制備出與設(shè)計(jì)尺度吻合的多層結(jié)構(gòu)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M(fèi)o時(shí),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(shí),薄膜整體吸收性能更為理想,此時(shí)吸收率可達(dá)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(gòu)完整性均發(fā)生破壞,其主要原因?yàn)榧t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(gòu)特征,因此該薄膜各功能層均需具有較強(qiáng)氧化抗力,有必要對(duì)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(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2681953