多弧离子镀制备AlCrN基太阳能选择性吸收涂层及光学性能研究

摘要

随着科技的不断进步，人类社会对能源的需求将越来越巨大，但是目前传统化石能源的消耗巨大，储量日益减少。因此，开发和利用清洁高效的新能源成为未来社会发展的一个重要方向。近年来，太阳能光热发电系统作为太阳能资源利用的一种重要方法，已逐渐成为各国研究的热点领域，而其中的核心部件，太阳能选择性吸收涂层的种类和制备工艺也受到了极大的关注，包括Al、Ti、CrN、AlCrNO、TiNO在内的多种金属及其氮化物，氮氧化物作为太阳能选择性吸收涂层的热门备选材料，其制备工艺和选择性吸收性能得到了广泛的研究。 本论文采用多弧离子镀工艺在不锈钢基体表面沉积SS/AlCrN基太阳能选择性吸收涂层。通过制定正交试验设计方案，研究了在不同沉积电流、沉积时间和氮气流量下AlCrN层的光学吸收性能和热发射性能，从而得到了优化的工艺参数，制备出优化后的SS/AlCrN基太阳能选择性吸收涂层，借助扫描电子显微镜 (SEM)、能谱仪 (EDS)、X射线衍射仪 (XRD)、X射线光电子谱仪 (XPS) 分别对涂层的微观形貌、元素组成、物相种类和元素化合状态进行分析表征。发现表面结构比较光滑，存在少量的金属颗粒，涂层的主要物相包括金属相（Al、Cr）和陶瓷相（AlN和Cr2N）。优化后的涂层具有较好的光学选择性吸收性能，吸收率为0.733，发射率为0.146。 为进一步优化涂层的选择性吸收性能，在SS/AlCrN表面沉积一层Al2O3减反层，以降低涂层的光学反射率，从而提高其光学吸收效果。通过改变减反层的沉积电流，得到三种不同厚度的表面减反层，研究发现随着沉积时间的增加，减反层表面颗粒的尺寸增大，同时厚度呈线性趋势增长，表层的物相主要为非晶态的Al2O3。对涂层的光学性能测试发现，当减反层的沉积时间为 1 min 时，减反层的厚度为 91.7 nm 时，得到了能量转化效率最高的SS/AlCrN/Al2O3涂层，其光学吸收率为0.832，发射率为0.159。

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