用于太阳能智能窗的VO2薄膜研究

摘要

在到达地面的太阳能中,可见光占45％,红外光占50%,目前对于这近50%的红外光的开发应用并不多。随着建筑形式的现代化,窗户和玻璃幕墙占外表面积的比例越来越高,由于其在保温、隔热、和吸收太阳光等方面的多重功能,使得智能窗薄膜材料成为影响建筑物本体能源消耗的最主要因素。
　　应用智能窗薄膜材料,在冬季室内温度低时,自动让太阳能辐射中的红外光高透过率入射到室内,通过光热转换提高室内的温度,减少采暖耗能;在夏季室内温度高时,自动阻止红外光入射到室内,从而阻止室内温度升高,大大减少空调的制冷负担。因此使用智能窗薄膜材料能实现建筑物的全年节能。
　　在诸多的太阳能材料中,热致相变型二氧化钒薄膜由于其独特的开关性能受到越来越多的重视。本论文分别以蓝宝石和K9玻璃为衬底,研究了纳米低温相变二氧化钒薄膜的制备工艺。并对其进行了结构特征、电学特性、光学特性的测试。
　　论文进行了以下主要工作:
　　首先,根据课题提出的智能窗对可见光透过率和红外光开关率的设计目标,通过TFCalc薄膜设计软件分析了以蓝宝石和K9玻璃为衬底的膜层结构,得到了最佳透过率的各层薄膜的厚度,为工艺制备作理论性指导。
　　其次,研究了通过离子束反应溅射和后退火工艺制备二氧化钒薄膜的方法,并详细分析了各个控制参数对薄膜质量的影响,得出制备过程中氧气分压、衬底温度和后退火的温度是最为关键的,并给出详细的工艺参数。
　　最后,对制备的薄膜运用光学轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射测试仪(XRD)、四探针电阻测试仪对薄膜的厚度、表面形貌、薄膜的相结构和电学特性进行了测试。结果显示制备的薄膜具有纳米结构,相变温度接近室温。并探索性地对VO2薄膜进行了光开关时间的测试。通过紫外/可见光/近红外分光光度计对薄膜进行了不同温度下透射光谱测试,并对可见光波段进行了增透设计并通过工艺得到了实现。

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1 概论

1.1 引言

1.2 常见的几种节能玻璃

1.3 钒资源储备及钒的几种氧化物

1.4 课题研究的目的、意义和国内外研究概况

1.5 本文的主要研究工作

1.6 本章小结

2 VO2的相变机理

2.1 VO2的结构以及相变机理

2.2 VO2薄膜的典型性质

2.3 VO2的应用前景

2.4 本章小结

3 膜系设计及VO2薄膜制备的工艺基础

3.1 窗口膜系的设计目标

3.2 窗口膜系的材料层次

3.3 软件仿真

3.4 二氧化钒薄膜的制备工艺

3.5 改变二氧化钒薄膜相变温度的方法

3.6 制备低温相变纳米二氧化钒薄膜的方案

3.7 本章小结

4 制备VO2薄膜的实验研究

4.1 反应溅射的原理

4.2 制备VO2薄膜的实验装置

4.3 制备VO2薄膜的工艺流程

4.4 工艺参数研究过程

4.5 最佳工艺参数

4.6 本章小结

5 VO2薄膜的结构特征及性能研究

5.1 薄膜厚度的测试

5.2 二氧化钒薄膜的扫描电子显微镜（SEM）测试

5.3 二氧化钒薄膜的X射线衍射（XRD）测试

5.4 二氧化钒薄膜电学性能测试

5.5 二氧化钒薄膜对红外光开关时间测试的探索

5.6 二氧化钒薄膜的光学性能测试及改善

5.7 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献