氮化钛太阳光谱选择性吸收薄膜研究进展

1、氮化钛太阳光谱选择性吸收薄膜研究进展第30卷第1期2021年2月热处理技术与装备RECHULIJISHUYUZHUANGBEIVo1.30,No.1Feb.2OO9?综述?氮化钛太阳光谱选择性吸收薄膜研究进展付淑英,钟炜(新余高等专科学校太阳能科学与工程系,江西新余338031)摘要:当煤炭,石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济开展的瓶颈时,太阳能作为一种可再生的清洁新能源,已越来越引起人们的关注,太阳能光伏已是目前最热门的环保技术之一.综合利用太阳能的研究是当前和长远的社会开展需要,也是科技工作者深感兴趣的重大研究课题.太阳光谱选择性吸收薄膜是太阳能光热转换中极为重要

2、的关键材料,是提高光热转换效率的重要手段,国内外关于各种太阳光谱选择性吸收薄膜或涂层的研究方兴未艾,这也是当前太阳能热利用中的前沿课题,其中应用最广的为氮化钛(TiNx)薄膜.关键词:太阳能;太阳能光热转换;太阳光谱选择性吸收薄膜;氮化钛(TiNx)中图分类号:TB34文献标识码:A文章编号:16734971(2021)01000103ResearchProgressesonTiNSolarSpectroscopicSelectiveAbsorbingFilmFUShuying,ZHONGWei(DepartmentofSolarEnergyScienceandEngineeringXinyu

3、College,XinyuJiangxi338031,China)Abstract:Nowadaysfossilenergysuchascoalandpetroleumhasrunshort,andenergyproblemhasbecomeabottleneckforsocialandconomicdevelopmentinternationally.Solarenergyasakindofenvironmentalfriendlyregenerativeenergy,hasattractedmoreandmoreattention,andsolarphotovoltaictechnolog

4、yisoneofthehottestenvironmentalpmtectiantechnologies.Theresearchonthecomprehensiveutilizationofsolarenergyiscurrentandlongtermsocialdevelopmentneed,andisconsideredasaveryattractiveandimportantstudyobjectbyresearchers.Solarspectroscopicselectiveabsorbingfilmisimportantandcrucialmaterialinphotothemalt

5、rans?-formationofsolarenergyandisaneffectivewaytoimprovephotothermaltransformationefficiency.Theresearchonvarioussolarspectroscopicselectiveabsorbingfilmshadbecomeahotresearch,andisapioneeringsubjectintheheatutilizationofsolarenergy.AndTjfilmisappliedmostwidelyinthisarea.Keywords:solarenergy;phototh

6、ermaltansformationofsotarenergy;solarspectroscopicselectiveabsorbingfilm;titaniumnitride(TiNx)0引言当煤炭,石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济开展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行阳光方案:开发太阳能资源.美国科学家特拉维斯?布拉德福德在其出版的?太阳革命?一书中预言:太阳能将在未来20年内成收稿日期:202109一O2作者简介:付淑英(1963一),女,教授,主要从事普通物理学,电子技术及材料物理,太阳能利用的教学和研究.联系 :07906536046;Email:xygzf

7、sy163.tom基金工程:新余高等专科学校2007年科研工程(0747).热处理技术与装备第30卷为成效最正确,价格最低廉的替代能源.太阳能一般指太阳光的辐射能量,是太阳内部连续不断的核聚变反响过程产生的能量.根据目前太阳产生的核能速率估算,太阳内部的这种核聚变反响可以维持几十亿至上百亿年的时间,而地球的寿命约为几十亿年,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是用之不竭的.太阳能是各种可再生能源中最重要的根本能源,生物质能,风能,海洋能,水能等都来自太阳能,因此,广义地说,太阳能包含以上各种可再生能源,它是现今世界上可以开发的最大能源.太阳能大局部集中在波长0.22.5m的区域内,虽然只有约20亿

8、分之一的辐射能量到达地面,其数量仍然高达8O万亿千瓦,相当于全世界目前所有发电站总功率的几百万倍.如今,煤炭的巨量消费已成为我国大气污染的主要来源;而全球二氧化碳的排放量已到达每1600万吨/天.常规能源资源的有限性和环境压力的增加,都促使世界各国加强了对新能源和可再生能源技术开展的支持,突出表现就是各国政府推出的旨在提高太阳能转换效率的光伏方案.太阳能作为一种可再生的清洁新能源,已引起越来越多的关注,太阳能已是目前最受青睐火红的环保能源之一.综合利用太阳能的研究是当前和长远的社会开展需要,也是众多科技工作者深感兴趣的重大研究课题.225O年22O0正2150矩2100燕警_世界豳中国约30矩

9、蕾l约61年喧s年-年-3.年雪1太阳光谱选择性吸收薄膜太阳能作为可再生能源的一种,指的是太阳能量的直接转化和利用.按其直接转化和利用的方式,可分为太阳能热利用技术与太阳能电利用技术(即光伏技术).通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术,当前太阳能热利用最活泼,并已形成产业的,当属太阳能热水器和太阳能热发电【】J.太阳能集热器(solarcollector)是太阳能热水器装置的关键局部,而太阳光谱选择性吸收薄膜(涂层)是太阳能热水器的核心元件,它直接影响着太阳能热水器的集热效率和加工本钱,是太阳能光热转换中极为重要的关键材料.清华大学电子工程系殷志强教授研制成功磁控溅射渐

10、变铝一氮/铝太阳选择性吸收涂层J,使得太阳能集热管的大规模生产和商业化应用成为可能,并直接催生了中国太阳能热水器市场的形成.目前,太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛,产业化开展最迅速的领域.较早使用的各类太阳能集热器大都采用没有光谱选择性的黑色涂料或油漆作为吸热外表涂层,这些涂层耐蚀性和耐候性较差,无光谱选择性,在环境温度较低或运行温度较高的情况下,转换效能低.1954年以色列的泰勒和美国的吉尔顿柯尔首先分别提出黑镍和黑铬两种外表涂层,此后一系列的涂层系统被开发出来.我国太阳能选择性吸收外表的研究也较早,上世纪50年代葛新石教授就开展了选择性吸收涂层的研究工作.从上世纪8O年代开始,我国

11、加快了在太阳能吸热材料方面的研究.清华大学,北京太阳能研究所等单位先后研制出一系列优良的选择性涂层材料,所研制的黑钴选择性吸收涂层具有良好的光谱选择性,适合应用在工作温度较高的真空集热管上.1.1选择性吸收薄膜(涂层)的分类作为光热转换材料,一方面要求对太阳能的吸收越多越好,另一方面要求发出的热辐射越少越好,也就是说要有一定的选择性.选择性薄膜的吸收光谱与太阳发射光谱相匹配,能极大地提高太阳能集热器的集热效率和利用效率,其独特的性能越来越引起世界各国学者的关注与研究.常见选择性吸收薄膜,依据其作用机理和薄膜(涂层)构造的不同,大体可分为以下四类:(1)半导体膜:半导体存在禁带宽度,只有禁带宽度

12、在0.5eV(2.5Ixm)到1.26eV(1.0ixm)的半导体,如si(1.1ev),Ge(0.7eV)和PbS(0.4eV)等,对于太阳能的选择性吸收才有意义.(2)光干预膜:利用光第1期付淑英等;氮化钛太阳光谱选择性吸收薄膜研究进展?3?的干预原理,使其对可见光谱区产生破坏性的干预效应,降低对太阳光波长中心局部的反射率,在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰,如Al:0,一MoO.A120.(AMA)三层膜,AINAl/,Al八层膜,PMo,双层黑镍和双层黑铬等.(3)金属陶瓷膜:金属粒子和氧化物的共析镀层CrCr203,NiA12O3,Mo-A12O3,Fe-AI203,CoA12O3和P

13、tA12O3等属于此类.(4)光学陷阱膜:通过控制薄膜外表的形貌和结构对可见光起陷阱作用,对长波辐射具有很好反射作用,从而大大提高对太阳能的吸收率.根据制备工艺的不同,又可将选择性吸收薄膜分为以下四类J:(1)电镀膜:主要有黑镍,黑铬,黑钴等,均具有良好的光学性能.(2)电化学转化膜:常用的有铝阳极氧化镀层,CuO转化镀层和钢的阳极氧化镀层等.其中铝阳极氧化镀层光谱选择性,耐腐蚀,耐光照性能良好,在太阳能热水器上得到了广泛应用.(3)真空镀膜:有不锈钢一碳/铜镀层,A1CN镀层,A1NO镀层和NiCr镀层等.应用比拟多的是多层渐变铝氮铝(AIN/A1)镀层,该镀层具有良好的光谱选择性.(4)涂

14、料镀层:如Fe0一Cr20,涂层.1.2选择性吸收薄膜氮化钛(TiN)的制备薄膜是通过特殊方法制备的,薄膜的性能除了与材料本身性质有关外,还与薄膜的制备技术及工艺条件有关,主要由其微观结构和化学组分决定.不同工艺方法制备的薄膜,其组织结构,机械性能,电学性能及光学性能都会有所不同.第族过渡金属的氮化物的结构通常同时存在金属键和共价键,具有金属晶体和共价晶体的特点:高熔点,高硬度,优异的导热性和化学惰性,优良的导电性和类似金属的反射比.因此,此类薄膜可广泛应用于各个领域,其中应用最广的为氮化钛(TiNx)薄膜.氮化钛薄膜既可作为一种耐磨及硬质薄膜而广泛用于各种切削工具,机械零件,也可作为装饰薄膜

15、应用于各种装饰行业,还可作为集成电路芯片中Cu和si之间的扩散阻挡层.膜层很薄时,还可用作太阳能选择性透射膜,电致变色器件中的导电薄膜以及保护膜,显示器中的反射薄膜和抗静电薄膜.氮化钛(TiN)涂层作为一种独特的外表强化工艺应用于工业上已经20多年.具体而言,氮化钛结构是由离子键,金属键和共价键混合结合而成的,其中氮的P轨道能级低于费米能级,这将导致自由电子的运动有些类似于在金属的d轨道上的运动【6J.这样的电子结构导致氮化钛薄膜的光学性能与金,银等贵金属薄膜相类似,膜较薄时,在可见光区半透明及红外区高反射.其中,氮化钛薄膜中N和Ti元素的比率决定了薄膜的光学性能.TiN薄膜的制备多采用气相沉

16、积技术,其中以物理气相沉积(PVD)应用较多.这是一种利用热蒸发或辉光放电,弧光放电等物理过程在基材外表沉积所需涂层的技术.随着TiN薄膜在各工业领域越来越广泛的应用,对TiN结构与性能的要求也越来越高,因此TiN膜的制备方法也在不断地改良,目前应用较普遍的制备方法有:磁控溅射,离子镀,离子束辅助沉积法,化学气相沉积法和原子层沉积法卜等.溅射现象早在1852年由格罗夫(Grove)所发现.在真空中用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击靶材料外表,入射离子和靶材外表原子进行能量交换,使靶材原子获得足够能量而产生飞溅脱离母材,变为气相,并按相应的溅射方向飞跃出来,被轰击飞溅出的粒子在基体外表上沉积.

17、溅射镀膜利用溅射现象来到达制取各种薄膜的目的.溅射镀膜的致密性好,结合强度高,基片温度较低,但本钱较高.磁控溅射技术是上世纪70年代开展起来的一种新型溅射技术,利用磁场控制辉光放电产生的等离子体来轰击出靶材外表的粒子并使其沉积到基片外表,太阳选择性吸收薄膜的制备也引入了磁控溅射的方法.2课题组的工作近年来,太阳光谱选择性吸收薄膜的研制及其在工业上的应用成为人们日益关注的焦点.出于对TiN薄膜共同的研究志趣,我们氮化钛系薄膜研究团队从2007年起也开始了相关的研究工作,本文是我们的前期研究总结.课题组下一步的工作还有:用磁控溅射方法制备兀Nx薄膜并对膜层结构,膜厚,吸收率及反射率作各种具体的分析

18、.3结论太阳能是目前最受关注的环保能源之一,各国都在全力开发各种有关的新技术与新产品,希望能提高转换效率,即使只有l%的增加,已是很了不起的进展.而且,太阳能是一种清洁的能源,利用太阳能无环境污染之虞.综合利用太阳能的研究是当前(下转第7页)第1期邱星武等:激光相变硬化技术开展现状及展望?7?415.3丁阳喜,杨柳青.激光热处理技术的研究现状及开展J.机械工程师,2006,1:1921.4李风,王大承,张永俊.HT300孕育铸铁激光外表改性研究J.应用激光,20o5,(5):17一l9.5王慧萍,戴建强,张光钧.激光工艺参数对45号钢组织和性能的影响J.上海工程技术大学,2004,18(2):

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