摘 要

随着对化石能源总量和使用危害的进一步了解，太阳能作为一种无污染，可再生，可持续获取的新型能源被认为是可以推动人类社会进一步发展的新的动力。在较低温度环境下太阳能的应用已经日渐成熟，但是在中温和高温环境下的应用还未能广泛的实用。我的毕业设计研究的目的是制备一种具有高选择性能的中高温太阳能吸收涂层。

本文采用TFCal膜系设计软件对所需涂层的厚度变化对涂层性能的影响趋势进行了模拟，采用多弧离子镀膜工艺制备了6组样片，其中1、2、3组为涂层结构依次堆叠的对照组，4、5、6组具有不同O、N含量的对比组。实验分别对5组样片进行了吸收发射率的测定，以及通过SEM、AFM对4、5、6组样片表面粗糙度和形貌进行了观察，最后利用XPS（光电子能谱）和XRD对4、5、6组进行了测试。实验结果表明6号样片具有吸收比0.90、发射比0.10、选择性9.0的优良性能。最后对样片进行了550摄氏度的热振处理，结果表明样片性能结构未出现大的改变。

关键词：太阳能，多弧离子镀，光谱选择性吸收，涂层

Abstract

With the further understanding of fossil energy and the use of hazards, solar energy as a pollution-free, renewable, sustainable access to new energy is considered to be able to promote the further development of human society.In the low temperature environment, the application of solar energy has become increasingly mature, but in the moderate and high temperature environment, the application has not been widely practical. The purpose of my graduation design study was to prepare a medium-high temperature solar absorbing coating with high selectivity.

In this paper, TFCal film design software was used to simulate the influence of the thickness variation of the coating on the coating performance. Six groups of samples were prepared by vacuum arc deposition (VAD). The control group, 4,5,6 group had different O, N content of the contrast group. The surface roughness and morphology of the samples were observed by SEM and AFM. XPS (photoelectron spectroscopy) and XRD were used to test 4,5,6 groups . The experimental results show that sample No. 6 has excellent absorption ratio of 0.90, emission ratio of 0.10 and selectivity of 9.0. Finally, the sample was heat-treated at 550 degrees Celsius, the results show that the performance of the sample showed a large change.

Key words: solar energy, vacuum arc deposition, spectral selective absorption, coating

目录

第一章 绪论 1

1.1 太阳能的发展背景与现状 1

1.2 选择性涂层理论依据 2

1.2.1太阳辐照波长分布情况 2

1.2.2 太阳能选择性吸收涂层与光伏材料 2

1.3 太阳能选择性吸收涂层的制备工艺 4

1.3.1 常见的涂层制备工艺 4

1.3.2 涂层制备工艺的选择 5

1.4 太阳能选择性吸收涂层的材料选择 6

1.4.1 基体的选择 6

1.4.2 涂层材料的选择 6

1.5 研究思路 6

第二章 太阳能选择性吸收涂层的设计 7

2.1 涂层结构与材料的选用 7

2.2 涂层结构的设计 7

2.3 TFCalc膜系设计软件对涂层厚度影响的模拟 8

2.4 涂层结构 9

2.5多弧离子度制备涂层 9

2.5.1 镀膜前基片的处理 9

2.5.2 多弧离子镀制备涂层 10

第三章 选择性吸收涂层的性能测试与分析 12

3.1 涂层吸收发射比的测定与计算 12

3.1.1 太阳能选择性吸收涂层反射率的测试 12

3.1.2 太阳能选择性吸收涂层的吸收发射数据与分析 13

3.2 涂层表面形貌分析 15

3.2.1 SEM（扫描电镜） 15

3.2.2 AFM（原子力探针） 16

3.3 涂层物相结构和键型分析 17

3.3.1拉曼光谱分析 17

3.3.2 XPS（光电子能谱分析）与XRD 18

3.4 模拟与实验对比和涂层的热处理后对比 19

3.4.1模拟获得的曲线和实际曲线的对比 19

3.4.2 涂层中高温度热处理后的涂层性能 20

第4章 结论 20

致谢 21

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 太阳能的发展背景与现状

历史上几次工业大革命推动了产业的工业化，促使社会的生产力得到了爆发式的提升。由此，煤炭，石油，天然气等不可再生能源快速的取代人力驱动着人类社会的现代化进程。随着工业进程的加快和科学技术的发展，能源需求的快速增长和对不可再生能源储量的探索预示着如果不寻找新的可再生的替代能源我们将面临着严重能源危机威胁到人类的发展和进步甚至生存。自工业革命以来，化石能源：煤炭、石油、天然气等一次不可再生能源消耗在总能源消耗中所占的比例迅速提升，消耗总量也在急剧的增加。据统计，2015年世界各国一次不可再生能源消耗总量达到了1.147.3Mtoe（百万吨），占总能源消耗的88%且这一数值任然在缓慢上升。就储量而言，据美国地质局估计，全世界最终可采石油储量为3万亿桶。由此推算，世界石油产量的顶峰将在2030年出现。由于剩余储量开采难度增大，石油产量会快速下降。世界煤炭总可采储量大约为8475亿吨。长期来看，尽管世界煤炭可采储量相对稳定，但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平，最多也只能维持200年左右的时间。世界天然气储量大约为177万亿立方米。如果年开采量维持在2.3万亿立方米，则天然气将在80年内枯竭。在这种入不敷出的能源储备情况下，寻找能够替代化石能源的新型清洁可再生能源迫在眉睫。近二、三十年来科学家对与地球上可以被利用的各种能量形式进行研究和实验，到目前为止对太阳能、风能、潮汐能、核能等新型可再生能源的实验研究与实际运用日益成熟。此外，化石能源的大规模使用会对自然环境造成难以逆转的破坏，这是化石能源应用以来许多国家和地区惨痛的历史和教训。目前为止，化石能源的大规模使用已经导致许多环境问题：温室效应、酸雨、雾霾、地质陷塌、光学污染等。这对于人类的生存和发展是极大的阻力。在这种入不敷出的能源储备情况和严峻的环境危机下，寻找能够替代化石能源的新型清洁可再生能源迫在眉睫。近二、三十年来科学家对与地球上可以被利用的各种能量形式进行研究和实验，到目前为止对太阳能、风能、潮汐能、核能、地热能、生物质能等新型可再生能源的实验研究与实际运用日益成熟。但是新能源（NE）都各自具有其优点和限制，就综合而言太阳能具有其他新能源所不具备的优点：1.可持续使用（太阳寿命目前还剩下50亿年左右），能源储量巨大；2.使用环境对地形，资源要求小（风能需要在风力强度较大的海上或平原、潮汐能电站建立在江河入海口、地热能电站多位于火山、裂缝等地热资源丰富的地区）；3.清洁、无污染（核电站具有的辐射污染和泄露风险对环境危害巨大）；4.能量来源稳定，不受季节时间的限制（风能、潮汐能受地球季节，气候的限制）。

就目前而言，对太阳能的运用包括：1.太阳能的直接热运用（太阳能加热、太阳能热水器等）；2.对太阳能的热电转换运用（太阳能集热电站）；3.对太阳能的光电转换运用（太阳能电池）^[1]。就目前而言太阳在低温度环境下的直接热运用技术已经发展成熟并开始大规模的推广应用，但是太阳能～电能的转换技术还不够成熟。鉴于，人类生存活动使用的能源形式主要为电能，太阳能～电能的转换技术的研发意义重大。