Mo、W掺杂TiAlON光热吸收薄膜的制备及表征

摘要

与光伏发电相比,光热发电成本低、规模大、后端发电并网技术成熟;但与低温光热利用相比,其对光热转换材料的要求更高,不但要求优良的选择吸收性能,且期望其在450℃以上大气环境中可直接稳定服役,以进一步提高热电转换效率、降低集热器制造维护成本,亟需解决传统光热薄膜材料热氧化抗力不足、高温工作需真空保护的问题。为此,本文提出以TiAl(O)N系薄膜为基本介质,利用等离子发射光谱监测(PEM)技术控制的N2-O2双气氛自适应反应溅射技术,制备具有高氧化抗力减反层(Al2O3)/氮氧化物双吸收层(TiAlON/TiAlN)/金属红外反射层(Ti)三层结构的TiAl(O)N系光热吸收薄膜,同时利用氮化活性差异,在其双吸收层内通过微量掺杂形成一定比例的Mo、W金属纳米尺度填充因子相,通过反应溅射过程的精确控制,获得了具有不同掺杂成分、比例及多层结构尺度特征的Mo、W掺杂TiAlON光热吸收薄膜。通过对所制备薄膜高温热氧化处理前后成分、结构及关键性能的实验表征,明确了掺杂相种类、比例和掺入模式、吸收层尺度特征以及层间过渡模式的不同对薄膜吸收性能、力学性能及热氧化稳定性的影响规律,探讨了其可能的影响机制,优化了薄膜结构设计及制备工艺,成功制备出高温抗氧化性能及选择性吸收性能均较为理想的Mo、W掺杂TiAlON系光热薄膜,其在大气环境下稳定工作温度>550℃,吸收率(α)可达90％以上,热发射率?@150℃<10％、吸收比(α/ε)均在15以上。
　　研究结果表明:基于本文提出的双气氛自适应反应溅射方法,可成功制备出具有预期Ti/W(Mo)-TiAlN/W(Mo)-TiAlON/Al2O3成分渐变多层结构的Mo、W掺杂TiAlON薄膜,通过控制Mo、W靶电流能够实现吸收层掺杂相种类、比例和掺入模式的较大范围调整控制,同时,通过调整吸收层沉积时间及引入样品架“启-停”工艺,可以控制薄膜的吸收层尺度特征,一定程度上实现成分过渡悬殊的功能层层间过渡区域的最小化。
　　W靶电流在1.0~1.6A之间变化时,沉积态W-TiAlON薄膜总W含量近似满足W at％≈3.7*IW+2.4的线性关系,W含量在6.0~8.2at％间变化,显示其掺杂比例便于通过不同靶电流进行控制。随沉积态薄膜W含量增加,薄膜中(Ti+Al)/(O+N)比维持在0.5左右基本不变,暗示掺杂W相不参与反应溅射过程而以单质形态进入薄膜,部分热氧化处理条件下的薄膜中出现了W结晶相衍射峰,佐证了这一推测。这表明,本文提出的溅射工艺,能够实现预期的对吸收层介质材料的可控Mo、W掺杂。
　　性能表征结果表明:W含量在4.1-6.0at％范围内、Mo含量为1.5at％的TiAlON薄膜的综合性能更为理想。W含量在4.1-6.0at％,经热氧化处理后的W-TiAlON薄膜相比于W含量大于6.0at％的薄膜,吸收峰偏向于可见光,具有更宽的强吸收峰,薄膜的热发射率均较低,在0.05-0.07之间。W含量为4.9at％时性能最佳,经550℃热氧化8h后的薄膜在300nm-1200nm波段有宽吸收平台,吸收率α=92％,发射率ε=0.02(室温),ε=0.06(150℃)。因此在本课题提出的膜层结构中W含量保持在4.9at％左右较为合适。经550℃热氧化处理后的Mo含量为1.5at％的Mo-TiAlON薄膜较Mo含量为4.1at％薄膜的吸收峰发生蓝移,吸收峰覆盖频段更宽,在750nm-1300nm,薄膜吸收率由沉积态的66％升高至91％,发射率ε=0.03(室温),ε=0.05(150℃),光热转化性能达到最佳,说明Mo含量应控制在1.5at％左右。吸收层尺度适中(440nm)的薄膜具有较好的光热转化性能,尺度较厚(810nm)薄膜的吸收峰易红移,薄膜光热转化性能低;尺度较薄(280nm),薄膜热氧化抗力不足。经550℃热氧化处理后吸收层尺度为440nm薄膜光热性能最佳,α=90％,ε=0.02(室温),ε=0.06(150℃)。在层中成分过渡悬殊的功能层层间过渡区域引入样品架“启-停”工艺获得的薄膜,厚度变化较小(小于15％)。通过此类工艺制备的W-TiAlON薄膜在各温度热氧化处理后、Mo-TiAlON薄膜在部分温度热氧化处理后,均出现“M”形的双吸收峰,推测此工艺在一定条件下可出现双吸收峰并发生交叠,拓宽有利吸收谱段的吸收,提高薄膜的吸收率,对薄膜热发射性能影响较小。经550℃热氧化处理后的W-TiAlON薄膜综合性能最佳,吸收率α=91％,ε=0.04(室温),ε=0.08(150℃时),膜基结合性能等级评价为HF3。有层间过渡最小化的Mo-TiAlON薄膜经450℃热氧化处理后光热转化性能略低于无双峰间凹谷、更为宽平的平台吸收峰的“完整”结构薄膜。
　　综合考察结果表明:Mo、W掺杂相比例分别为1.5at％和4.9at％的TiAlON薄膜均在550℃热氧化处理8h后显示出最佳性能,此时前者的α=91％,ε@RT≈0.03,ε@150℃≈0.05;后者的α=92％,ε@RT≈0.02,ε@150℃≈0.06。制备的Mo、W掺杂TiAiON薄膜在550℃热氧化处理后均有良好的热稳定性,掺杂比例较低的薄膜具有较好的膜基结合性能。

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1 绪论

1.1 选题背景

1.2 太阳能资源概述

1.3 光热选择性吸收薄膜

1.4 反应磁控溅射技术

1.5 研究目的及意义

1.6 论文的研究内容及技术路线

2 实验内容及实验方法

2.1 W、Mo掺杂TiAlON光热薄膜的结构设计

2.2 薄膜沉积设备介绍

2.3 W、Mo掺杂TiAlON光热薄膜工艺参数的确定

2.4 W、Mo掺杂TiAlON光热薄膜的表征

3 实验结果与讨论

3.1 掺杂相种类、比例和掺入模式对W、Mo掺杂TiAlON薄膜成分、结构、性能的影响

3.2 吸收层尺度特征对W-TiAlON薄膜结构、性能的影响

3.3 层间过渡最小化对W/Mo-TiAlON薄膜结构、性能的影响

4 结论

致谢

参考文献