太陽能選擇性涂層復合材料高低折射率的光學性能

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 譯文 太陽能選擇性涂層復合材料高低折射率的光學性能 作者：M. Farooqa,*, M.G. Hutchinsb 國家研究所的硅技術, No. 25, H-9,巴基斯坦伊斯蘭堡 太陽能材料研究實驗室,工程學院,牛津布魯克斯大學 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太陽能選擇性涂料光學常數(shù)的影響。利用計算機程序計算了光學常數(shù)、太陽能吸收是在空氣質量(AM)2,和熱發(fā)射率在300 k,e是200 nm 厚選擇性涂層,同時假設麥克斯韋加內特和布萊格曼理論的金屬體積分數(shù)低于或高于0

2、.3,分別用于設計復合膜的結構。兩個系統(tǒng)的復合薄膜金屬和介質進行了實驗研究,通過射頻和直流濺射捏造涂布機和電腦模擬進行驗證。系統(tǒng)包含低折射率復合材料如: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。銅基板的結果公布在這里。進行了比較和驗證，鎢、鈷和鉻基復合材料,具有不同的折射率,從而驗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數(shù)在電介質和增透膜。越高的折射率的因素k,是負責高吸收的因素 pk = l。太陽能吸收率的0.98和0.96是通過模擬和實驗發(fā)現(xiàn)小于0.05熱發(fā)射率200

3、納米厚的復合材料的氧化鋁。其結果是更高的值，兩個n和k的材料更適合太陽能選擇性涂層。 2002愛思唯爾科學保留所有權利。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)光學特征的材料和結構(包括數(shù)量的層的涂層和體積分數(shù)個人的薄層)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常數(shù)的材料是這里重點。光譜選擇性涂層應用太陽能,窗戶磨光和國防。他泊是選擇性吸收器1的前沿。大量的光學材料已經(jīng)開發(fā)利用金屬/絕緣體復合材料2和

4、光學性能的復合薄膜太陽能選擇性涂料被廣泛研究3。有效的光學常數(shù)的金屬/絕緣體復合材料是由有效介質理論如麥克斯韋加內特和布萊格曼4,5。光學常數(shù)的涂料可能不同標準Drude法6,取決于沉積條件下,粒子大小和光學常數(shù)的各個組件的電影。差異光學常數(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。這光學常數(shù)的差異的原因是不同的實驗和模擬的結果。興趣利用太陽能促使這個調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數(shù)(VF)在復合材料,為更高的折射率(n t反向)材料得到高一個 VFm是體積分數(shù)的磁帶信息處理機層,Xm代表相對金屬嗎濃度在磁帶信

5、息處理機層對金屬濃度在層1,這是規(guī)范化為1,即Xm+1和Xm的計算方式是 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數(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。的細節(jié)PGSAC正在盡快發(fā)布82 實驗 計算機模擬工具,基于有效介質模型的使用采用麥克斯韋加內特理論體積分數(shù)小于0.3和布萊格曼形式為0.3和更高的體積分數(shù),已開發(fā),以啟用吸收器設計的復合選擇性。在我們的情況下,體積分數(shù)較大比0.3,所以這里介紹的結果是基于布萊格曼形式。 設計工具已經(jīng)驗證了實驗工作和已使用進一步調查系統(tǒng)的關鍵設計參數(shù)對各種屈光涂料指數(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、,在室溫下適當清潔20%稀硝酸和10 m氫氧化鈉分別使用到這200海里復合膜厚的V:氧化鋁、鎳:二氧化硅被存放。 一個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。這個系統(tǒng)包含一個1.25千瓦射頻和6千瓦直流發(fā)電機和400電極,10厘米遠離目標。基質載體是八角形的,可以在不同的速度旋轉所需的公司濺射沉積。美國商會被疏散到低于10 6托在氬引入氣體濺射。這里我們使用一個濺射壓力的3.0 - -3.5毫托在質量流率18 sccm。 光學性能的復合膜在太陽能的范圍從0.3 - -2.5 mm被測量使用雙光束比錄音,貝克曼5240積分球分光光度計。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@個儀器分為兩個光譜范圍從0.3到0.8和0.8到2.5毫米的源頭氘和鎢燈。標準儀器的儀器誤差是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,IFS66 Bruker,裝備一個黃金積分球和水星碲化鎘(MCT)紅外探測器,由計算機控制操作的作品/紅外軟件。光譜發(fā)射率推導了波長值為20毫米。標準的儀器誤差的該儀器是70.006。2.1。 計算反射率 矩陣法9是應用來計算反射率的涂料在E和H是電場和磁場矢量的電磁嗎輻射。矩陣在Eq。(3)描述一層和決定性因素方程是

8、團結,作為一個檢查計算。對于N層數(shù)我們可以重寫方程為地點在不合格品是復雜的折射率的復合“磁帶信息處理機”層和“我”是嗎廣場負一根 “tm”是膜厚度的“磁帶信息處理機”層和l是波長。復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)反射率是計算為10為非透明基板:哪里是反射在Rl單一波長點和ns是復雜的折射率的襯底。2.2。 計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算出來的反射譜定義為計算太陽能吸收率,反射率被在20個選擇縱坐標11對于空氣質量(AM)2。光譜發(fā)射率的評估使用普朗克黑體譜分布在20個選擇300 k的熱發(fā)射率縱坐標12。對于波長大于20毫米,它的測量范圍之外的儀器、反射率是假定為常數(shù)計算的目的。3。結果與討論3.1。 基于鎳和釩選擇性吸收器 大部分金屬的光學特性明顯改變當他們氣急敗壞。釩、銅基體上后氣急敗壞,并顯示一個低反射率在較短的波長(太陽光譜)導致高吸收率。在紅外地區(qū)(l 2:5毫米)薄膜的影響是無關緊要的,因為長波長輻射可以透過基質和基質是光禿禿的,這種輻射。這個氣急敗壞的粒子的大小小

10、于太陽輻射的波長。這個厚度的表面,改變了截止波長向紅外光譜。只有一個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)射率由于不同粗細的釩薄膜。鎳復合部分和高折射率介質(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。不同的實驗和理論結果是由于光學常量的區(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)。吸收是一個線性函數(shù)的滅絕系數(shù)“k”即艾爾。pk = l15。如果兩個“n”和“k”電影是更高的,吸收的輻射會更高,可

11、以進入,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高折射率介質作為一個防反射(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,波將會降低。圖 2 200 nm厚的計算相對于紅光70%金屬,復合材料的4-PGSAC:二氧化硅和V:氧化鋁。圖3 計算和實驗太陽能吸收率的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。二氧化硅有一個折射率為1.45,這等于70%的平方根金屬嗎復合膜的鎳和滿足AR涂層標準。氧化鋁有更高的折射率(1.76)和不適合鎳基復合材料。釩已一個更高的折射

12、率,因此準則來確定介質的選用對一個吸收器是相反鎳和高折射率介質優(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,光太陽能選擇性涂層的性能降低。進行比較計算反射光譜的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從二氧化硅,氧化鋁,鎳復合材料和1.4%氧化鋁,二氧化硅改變?yōu)殁C復合材料。從這里就推斷金屬一個適當?shù)木仃嚳梢园l(fā)揮更積極作用在復合材料吸收。圖 4 200 nm厚的計算相對于紅光70%金屬,復合材料的4-PGSAC釩。3.2。 鎢涂層的基礎 出版的基礎上16光學性質的鎢,其復合材料的基礎反射光譜計算并呈現(xiàn)在圖。5。在太陽能地區(qū),更

13、高的光學常數(shù)的鎢使其可行的使用更高折射率介質如氧化鋁(W:氧化鋁)。這給了一個較低的反射率比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吸收器。釩基復合材料有光學特性優(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。擴展系數(shù)“k”的鎢是相對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。 鈷和鉻的影響在復合涂料 鉻、鈷是兩個研究最

14、多的材料進行選擇性吸收器17。擴展系數(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),而對于鉻它增加2至4在這個范圍。出于這個原因,在圖7可見反射率降低大幅基于鉻吸收器。圖 5 200 nm厚的計算相對于紅光70%金屬,4-PGSAC鎢和釩的基礎復合材料。圖 6 太陽能absorptances計算和熱emittances 200 nm厚,70%的金屬,4-PGSAC復合材料的各種金屬和電介質不合適。圖 7 200 nm厚的計算相對于紅光70%金屬,復合材料4-PGSAC鉻增加波長。對于較短的波長,“n”為鉻較低和需要一個低折射率介質但對于一半的可見光和

15、更長時間波長折射率較高,需要更高的折射率介質。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計算性能的基于鈷和鉻,70%的金屬,4-PGSAC、復合材料。3 結論 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合氧化鋁制造太陽能選擇性的復合吸收器。最好的材料的組合稱為“優(yōu)化組合”在這里進行了總結。V:氧化鋁

16、、鎳:二氧化硅W:氧化鋁,二氧化硅進行了優(yōu)化組合Co:。同時對鉻組合(Cr:二氧化硅和Cr:氧化鋁)是關于同樣好,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,金融和道義上的支持，這項研究中,沒有它不可能繼續(xù)這項研究。我感謝瓦希德貝格a先生協(xié)助我在計算和配置的文章上的幫助。參考文獻1 H. Tabor, Bull. Res. Counc. Isr. 5A (2) (1956) 119.2 J.H. Schon, G

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