论文摘要：高温太阳光谱选择性吸收涂层模拟优化制备及稳定性研究

    本文立足于开发操作温度为600℃的高温太阳光谱选择性吸收涂层，首先从耐高温材料入手，针对耐高温候选材料进行吸收涂层的构造和数值模拟优化，选出光学性能良好的太阳光谱选择性吸收涂层材料体系；然后通过光学软件辅助模拟优化和磁控溅射方法来制备高性能光谱选择性吸收涂层；最后根据吸收涂层实际应用环境，研究其角度吸收性能及稳定性能。

    本文提出的新型评价因子F，成功用于优化选择性吸收涂层的光热转换效率，理论模拟优化得到Mo-SiO2、Mo-Al2O3、Mo-AlN、W-SiO2、W-Al2O3、V-Si02、V-Al2O3七种耐高温材料体系的选择性吸收涂层预测的光热转换效率 值大于86%，适合于制备高温选择性吸收涂层，尤其是Mo-SiO2选择性吸收涂层(吸收率α= 0.9435，450 ºC发射率ε= 0.0472)光热转换效率 值最高，达到89.9%。

    为了优化制备高性能的Mo-SiO2选择性吸收涂层，通过磁控溅射方法在光学玻璃基底上制备金属Mo层，介质SiO2层和一系列不同金属填充因子的金属陶瓷层Mo-SiO2单层膜。在250-2500nm波长范围内，通过建立相应的色散模型，拟合金属Mo层、介质SiO2层、LMVF和HMVF层的反射谱和透射谱，能快速有效提取单层膜光学常数、膜层厚度等参数。基于提取的光学常数用于优化选择性吸收涂层，优化得到Mo-SiO2选择性吸收涂层，其吸收率达到0.945。Maxwell Garnett 和 Bruggeman 等效媒质理论成功地用于描述金属陶瓷HMVF和LMVF层的介电函数，所有单层膜的测试光谱曲线和通过色散函数计算的光谱曲线基本一致。基于光谱拟合提取的溅射速率和优化得到Mo-SiO2选择性吸收涂层结构，用磁控溅射工艺制备得到吸收率达到0.95、热发射率为0.15（400℃）的Mo-SiO2吸收涂层，其反射光谱跟优化得到的反射光谱能够很好的吻合。

    在槽式太阳能热发电应用中，基于不同地理位置和不同的时间，吸收涂层的入射角在0°至60°范围内变化。模拟了Mo-SiO2吸收涂层的不同角度入射光的反射曲线，同时测试了磁控溅射制备的Mo-SiO2吸收涂层的0°，15°，30°，45°，60°，75°角度入射的反射光谱曲线，角度反射光谱模拟曲线和实验测试基本一致。计算了Mo-SiO2吸收涂层的角度吸收性能，结果表明制备的Mo-SiO2双金属陶瓷吸收涂层在入射角0°到60°范围的吸收率保持在0.945，能满足太阳能热发电应用中大角度吸收涂层的要求。

    研究真空退火、真空热震循环和空气中退火对Mo-SiO2选择性吸收涂层光学性能、微观结构和形貌特征的影响。600℃真空（3×10-2 Pa）退火6h后，金属Mo层呈棒状结晶结构，晶粒大小由12.6nm减少到9.2 nm，出现明显晶粒细化现象，同时金属陶瓷层趋于致密化，这些都有助于提高涂层热稳定性能。涂层光学性能保持稳定，其光热转换系数值还增加了0.6%；800℃真空（3×10-2 Pa）退火6h后，金属Mo层呈球状结晶结构，出现多晶结构和晶粒长大的现象，金属陶瓷亚层和介质层界面变模糊，发生元素相互扩散，导致涂层吸收率的下降，光热转换系数值也下降了1.3%。在220℃到560℃真空热震循环360次后，出现Mo晶粒细化和降低涂层应力现象，涂层光热转换系数值基本保持不变，没有发现涂层开裂和脱落。在400℃空气中退火6h，能保持光学性能稳定，其光热转换系数增加了0.1%；退火温度升至500℃，Mo出现晶粒细化，涂层反射值在可见光波段明显增加，导致涂层吸收率下降了4.7%，其光热转换系数值由0.789下降至0.754；退火温度继续升高至600℃，涂层中Mo完全被氧化，金属陶瓷层和红外反射层结构被破坏，导致吸收率大幅下降，发射率上升，最终涂层光热转换系数值下降了20.1%。

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