光熱膜維持熱穩(wěn)定性的“阿喀琉斯之踵”
當(dāng)前，隨著世界范圍內(nèi)的能源枯竭和環(huán)境污染問題日益加重，太陽能熱力系統(tǒng)由于能夠提供一種具有成本競爭力并且可以替代傳統(tǒng)能源的有效途徑，成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。在太陽能熱力系統(tǒng)中（Fig.1），太陽光譜選擇性吸收涂層是太陽能光熱轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組成部分。從理論上來講，這種涂層具有能夠收集絕大部分的太陽光并且將光能轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)也可以減少熱發(fā)射損耗等特點(diǎn)，它在0.3-2.5 μm波長范圍內(nèi)擁有高的吸收率(α)，在2.0-20 μm的紅外區(qū)域擁有低的發(fā)射率(ε)。吸收率和發(fā)射率的比值，稱之為太陽光譜選擇性，用來評估涂層既能夠吸收太陽光熱量又可以減少熱輻射損失的能力。目前已有的研究工作主要集中在如何提高涂層的光學(xué)性能，然而，為了將光熱系統(tǒng)在其整個(gè)使用壽命周期中性能衰減降到最低，涂層的熱穩(wěn)定性能同樣至關(guān)重要。
Upper one: Schematic of the flat plate collector,in which the absorber plate is the key component；Bottom one: The flat plate collector used in the domestic hot water supply.
最近，由曹鴻濤博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，成功開發(fā)出鉻基材料體系的太陽光譜選擇性吸收涂層，并且提出了相應(yīng)的熱老化機(jī)理。CrNxOy涂層是采用2英寸金屬Cr靶材(99.95%)通過磁控濺射技術(shù)沉積在銅或者硅基襯底上制備得到的。涂層采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Fig. 2），其中包括擴(kuò)散阻擋層（Cr-N層）、吸收層（Cr-O層）、增透減反層（SiO2層）以及紅外反射層（銅基底）。經(jīng)過工藝優(yōu)化，涂層呈現(xiàn)出高的吸收率(α為0.947)和低的發(fā)射率(ε為0.05@80℃)。此外，為了探討涂層性能衰減和老化機(jī)理之間的聯(lián)系，通過顯微拉曼光譜、X射線光電子能譜和俄歇電子能譜等方法對比研究了熱處理前后涂層的光學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分的變化，分析得出涂層維持熱穩(wěn)定性的致命傷是銅元素在涂層整體或者界面處的擴(kuò)散、界面之間的化學(xué)相互作用以及界面寬化（Fig. 3）。
Figure 2. Schematic diagram of Cu/CrOxNy/SiO2 absorber coating
Figure 3. AES analysis results of the Si/CrNxOy/SiO2 coating:
(a) as-deposited; (b) 278 ℃ treated for 300h.
該研究工作成果發(fā)表在Solar Energy Materials & Solar Cells, 114, 186(2013)上。
（納米事業(yè)部）