溶胶凝胶法太阳能选择性吸收涂层的制备及其性能研究

作     者：邓小红 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李风;曾国勋

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：太阳能 选择性吸收 溶胶凝胶法 品质因子 涂层 

摘      要：能源是人们赖以生存的基础,在新能源的开发中,太阳能具有独特的优势。太阳能的热转化,是利用太阳能的主要途径之一,在太阳能热发电领域,有极大的应用。太阳能选择性吸收涂层,是热发电集热器的核心元件,该类涂层的开发,是太阳能热转化课题中研究的重点之一。优质的选材,合理的结构,简单的工艺,良好的性能是研制涂层的主要目标和方向。目前已开发出的涂层均存在一些缺陷,尤其表现在制备成本、生产工艺和中高温热稳定性等方面。因此,本文探索性的从寻求新材料体系、优化制备工艺、热稳定性分析等方面作了相关研究。由于纯金属w和Mo对太阳光具有明显的选择性吸收性,且由它们组成的涂层具备良好的中高温稳定性,因此本课题选择在涂层中掺入Mo元素,以制备具有一定中高温热稳定性能且选择性吸收效果良好的MoO2-NiO-Al2O3涂层,并在此基础上制备了W-A12O3涂层,以期促进我国太阳能光热技术的发展。本课题采用溶胶凝胶的方法,通过均匀设计法设计实验方案,在石英基底上成功的制备出MoO2-NiO-Al2O3涂层和W-Al2O3涂层,并通过TG-DSC测试仪器、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和分光光度计检测分析涂层的性能。研究和分析了组分配比、混合溶胶的体积和热处理制度对涂层性能的影响。并考察了填充因子和Ni掺杂对涂层光学性能的影响,以及涂层的热稳定性能。在MoO2-NiO-Al2O3涂层的研究中,探讨了涂层中各组分配比和混合溶胶的体积对涂层光学性能的影响,研究发现：当涂层的高、中、低掺杂层的填充因子分别为0.68,0.60,0.25,高掺杂、中掺杂、低掺杂、减反射层各层的溶胶体积分别为0.14ml、0.16m、 0.12ml、 0.26ml时,涂层具有最佳的吸收性能,其吸收率为86.6%,发射率为66.3%,品质因子为1.31。在MoO2-NiO-Al2O3涂层研究的基础上,将涂层的组成成分改为W和A1203,采用同样的方法,探讨W-A12O3涂层中各组分配比和混合溶胶的体积对涂层光学性能的影响,研究表明：当涂层的高、中、低掺杂层的填充因子分别为0.95,0.43,0.18,高掺杂、中掺杂、低掺杂、减反射层各层的溶胶体积分别为0.20ml,0.18ml,0.22ml, 0.08ml,涂层具有最佳的光吸收性能,其吸收率约达91%,发射率为79%,品质因子为1.14。相比较两种涂层,在同样的制备方法条件下,从优选出的性能最佳样品的品质因子可以看出,较W-A12O3涂层而言,MoO2-NiO-Al2O3涂层具有更优的太阳能选择性吸收性能。基于MoO2-NiO-Al2O3涂层和W-Al2O3涂层优选分析的基础上,对这两种涂层的性能分别进行了研究分析。对于MoO2-NiO-Al2O3涂层,通过研究热处理对涂层结构、形貌、光学性能的影响,提出了涂层的最佳烧结升温速率。研究发现,当采用5℃/min匀速升温时,MoO2-NiO-Al2O3涂层具有最好的光学性能,其品质因子为1.32。对于W-Al2O3涂层,通过利用缺少不同填充因子掺杂层为单一变量,探究填充因子对涂层光学性能的影响。并在维持原W-Al2O3涂层制备参数不变的基础上,通过对涂层掺杂Ni金属红外高反射层,探究掺入Ni金属层后,涂层光学性能的变化。研究发现：填充因子对复合涂层光吸收性能的影响随太阳光波段的不同而不同,在紫外可见光波段,缺少了中等大小填充因子层的涂层,具有更高的吸收率,在近红外波段,缺少了最大填充因子层的涂层,具有更高的吸收率。当原涂层掺杂Ni金属层后,磁控溅射时间t=10min时,α/ε达到最佳,其值为1.15,比原涂层的α/ε提升了1%。为了对选择性吸收涂层的热稳定性能作出分析,MoO2-NiO-Al2O3涂层和W-Al2O3涂层分别进行了耐热性能测试,将涂层置于电阻炉中烘烤5h,观察其性能的变化。研究发现,当MoO2-NiO-Al2O3涂层的使用温度不超过400℃时,涂层没有开裂和剥落,相结构未发生变化,具有较好的热稳定性能,而对于W-Al2O3涂层,温度在500℃或以下时,涂层热稳定性能良好。发生这种差异是由于两种涂层结构和成分的不同造成的。