铜基NiCr系高吸收阳光选择性薄膜性能的研究

摘要

近年来太阳光谱选择性吸收涂层的研究及其在热水器上的的应用已经成为国内外感兴趣的课题。欧洲国家特别是德国以平板式热水器为主，实现了在柔性基上磁控溅射制备选择性薄膜的卷绕镀工艺，且已规模化生产。在总结了国内外研究成果的基础上，论文依据薄膜设计理论设计了四层NiCr膜系，采用反应磁控溅射方法制备了铜基NiCr系薄膜，应用薄膜材料的分析研究手段测试和分析了薄膜的组织成分、性能和表面形貌。
　　基于等效媒质理论设计了NiCr四层渐变膜系。以4:1的NiCr合金靶材，氧气和氮气为反应气体，氩气为工作气体，采用磁控反应溅射法制备蓝色NiCr系太阳能光谱选择性吸收薄膜，实验测试分析表明薄膜附着力好，太阳吸收比为0.8～0.88、发射率为0.08～0.13。
　　薄膜反射谱表明氮气流量的增大会使薄膜的吸收比减小和可见光谱的反射低谷右移。单层吸收膜的填充因子在两层吸收莫的填充因子之间时，两层吸收膜的吸收比大于单层吸收膜，发射比则小于单层吸收膜。
　　四层膜系的吸收比随着减反射层厚度的增大先增大后减小，发射率则一直增大。两层吸收膜的厚度在80～100nm和减反射层的厚度在50～60nm可以得到比较好的吸收比和发射率的综合效果。
　　薄膜的TEM和XRD分析表明存在fcc结构的NiO多晶颗粒；在基片温度180℃下制备的薄膜的颗粒比在基片温度80℃下制备的薄膜的颗粒更细小致密，分布也更加均匀；增大氧气的流量或者氩气的流量会造成薄膜的颗粒分布不均匀，形成更多的岛状结构，并产生裂纹。
　　铜基NiCr系高吸收阳光选择性薄膜的研究成果为高吸收阳光选择性薄膜的工业化生产提供了依据。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 太阳能

1.2.1 太阳辐射能量

1.2.2 地球表面的太阳辐射能

1.2.3 不同大气质量的太阳辐射能

1.3 太阳光谱选择性吸收薄膜的光学基础理论

1.3.1 薄膜的光学参数和光学定律

1.3.2 薄膜的干涉

1.3.3 介质膜的反射性质

1.4 太阳光谱选择性吸收薄膜理论

1.4.1 理论依据

1.4.2 能带理论基础

1.4.3 典型的太阳光谱选择性吸收涂层的吸收机理

1.5 课题的内容和意义

第二章 多层渐变选择性吸收膜系理论设计

2.1 前言

2.2 等效媒质理论

2.3 减反射膜的设计

2.4 多层渐变选择性吸收膜系的理论设计

2.4.1 截止波长

2.4.2 吸收比和截止波长的反射率

2.4.3 膜系的四层结构

2.5 本章小结

第三章 NiCr膜系的制备

3.1 前言

3.2 电化学法

3.3 磁控溅射

3.3.1 溅射原理

3.3.2 溅射沉积的种类

3.4 NiCr系光谱选择性吸收薄膜的制备

3.4.1 制备工艺

3.4.2 膜系颜色

3.5 本章小结

第四章 膜系的吸收比和发射率的测量和影响因素

4.1 前言

4.2 吸收比的测量

4.2.1 方法介绍

4.2.2 积分法

4.2.3 光谱法测量反射谱图

4.2.4 NiCr系光谱选择性吸收薄膜的反射谱图

4.3 发射率的测量

4.3.1 稳态计量法测量半球反射率

4.3.2 NiCr光谱选择性吸收膜系测量方法

4.4 膜层厚度对吸收比和反射率的影响

4.5 基片对发射率的影响

4.6 本章小结

第五章 薄膜的组织成分、表面形貌和光学参数分析

5.1 前言

5.2 样品的透射电镜和X射线衍射分析

5.3 SEM观察氧气对表面形貌的影响

5.4 薄膜的光学参数

5.5 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

硕士期间发表的论文