太阳光高吸收黑色玻璃的制备与光谱特性研究

摘要

近年来太阳能利用新技术、新材料是目前国内外研发的热点。黑色玻璃材料制作成本低，它的太阳光吸收率高，而且易于与现有的太阳能利用技术中使用的玻璃板、玻璃管相融合，因此它在太阳能利用方面极具潜力。
　　 本文首先简单介绍了黑色玻璃的应用前景，接着介绍并比较了目前的玻璃着色方法，确定了使用离子着色法、采用硼硅玻璃体系来制作黑色玻璃。接下来介绍了实验制作玻璃的工艺流程、工艺参数，介绍了实验制作的单离子着色玻璃以及离子复合着色黑色玻璃及其光谱透射曲线结果。在实验的基础上，建立了黑色玻璃的光吸收-反射-透射模型。通过着色离子的3d轨道电子光谱项的不同对离子着色玻璃的进行了归类总结。利用配位场理论解释了黑色玻璃的呈色基理并对影响玻璃着色的因素进行了分析。
　　 本文对实验制作的单离子着色玻璃的光谱透射曲线进行了分析，确定了使用Co、Cr、Cu离子对玻璃进行复合着色可以制作出地表太阳光波段高吸收黑色玻璃。实验制作了不同掺杂浓度的Co、Cr、Cu离子复合着色黑色玻璃，其中Co、Cr、Cu分别掺杂百分摩尔比为1%、1%、2%的离子复合着色黑色玻璃，对大气质量为1.5的太阳光透过能量可达到0.3%以下。在实验的基础上，确定在Co、Cr、Cu着色剂的基础上可再添加Fe、Ni离子分别用来调节Cu、Co离子用量。确定了使用的着色剂理想的摩尔百分数为Co：0.1%～3%，Cr：0.1%～0.3%，Cu：0.5%～4%，Fe：0%～2%，Ni：0%～2%，增加（减少）所用各离子着色剂用量可相应地减少（增加）透过的太阳光能量。理论推导出了光在颜色玻璃中的反射-吸收-透射公式，利用公式计算出的离子着色玻璃的光谱透射曲线与实验测试结果十分接近。