太阳能光热转换薄膜技术优化方案

以前太阳能光热转换薄膜主要用于太阳的光热利用，而不是用于太阳电池。但是，随着技术进步，太阳电池未曾加以利用的、白白损耗掉的光热将会被利用起来，以提高光电转换效率。因此这里介绍太阳能光热转换薄膜，以作为提高晶硅太阳电池效率的知识准备。

1.用于光热转换的太阳光谱波段 太阳光谱分布范围十分宽广（10^-10～10¹⁰μm），经过大气层的透射、折射、反射及物体的吸收，仅剩很少的一部分进入大气层。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上波长是在0.15～4.0μm。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区（波长0.4～0.76μm）；7%在紫外光谱区（波长﹤0.4μm）；43%在红外光谱区（波长﹥0.76μm）；最大能量在波长0.475μm处。红外线的波长是0.77～1000μm，分近红外、中红外、远红外线等。其中，远红外线波长为2.5～30μm，占红外线光波的20%左右。太阳光谱中的红外线直接产生热，发出红外线波长。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，波长9.6μm，是地球物体辐射中最大光谱辐射亮度处。

2.光热转换最佳材料结构 光热转换最佳材料就是要具备尽量高的吸收率和尽量低的发射率。吸收率α、反射率R、透射率T的关系是α+R+T＝1。对于不透明材料，透射率T＝0，则α+R＝1；对于黑色物体，反射率R≈0，透射率T＝0，则α＝1，此时吸收率最高。最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内，即波长λ﹤2.5μm，α≈1（即R≈0）；而在太阳光谱波长λ﹥2_μm，即热辐射波长范围内，有发射率ε≈0。满足尽量高的吸收率和尽量低的发射率条件的材料，称为选择性吸收材料。如果发射率ε有较大值，尽管吸收率α＝1，仍有较大的热辐射损失。

光热转换选择性吸收材料结构由两部分组成：红外反射底层和太阳光谱吸收层。红外反射底层由铜Cu、铝Al、不锈钢SS等高红外反射率金属构成。太阳光谱吸收层即吸收薄膜在太阳光谱峰值波长0.5μm附近产生强烈的吸收，如Al₂O₃-Mo。光热转换太阳光的吸收机理分为本征吸收和光干涉吸收。金属陶瓷薄膜是光干涉吸收，这种薄膜是将金属纳米颗粒均匀地嵌入电介质材料中。常用的金属有Al、Cr、Ni、Co、Cu、Mo、W；常用的电介质材料有AlN、Al₂O₃、Cr₂O₃、NiO、Co₂O₃等。

3.选择性吸收材料制造

（1）物理气相沉积法。此法包括真空热蒸发、溅射镀膜和离子镀，是薄膜制备的基本技术。磁控溅射技术可以制备多种光谱选择性吸收薄膜，其中多层（渐变）Al-N/Al选择性吸收薄膜是研究最深入、应用最广泛的薄膜。其吸收率α＝0.92，发射率ε≈0.05，占据国内大部分太阳能热水器市场。全玻璃真空集热管，在太阳辐射为900W/m²时，集热管的空晒温度可达270℃。获得高质量的薄膜，要优化工艺和工艺参数，例如控制合适靶材大小、靶基距离、衬底温度及溅射速率等。(www.xing528.com)

（2）电镀法。此法制备的材料有黑铬、黑钴、黑钼、黑镍、黑镍-钼等涂层。黑镍制备方法是采用氯化物电解液，制成的吸收层由空隙率不同，且孔不重叠的两层膜构成，吸收率α﹥0.92，发射率ε﹤0.15。沉积的黑镍性能优良，加热到200℃，持续800h，在潮湿室内湿老化处理500h，其光学性能不变。

（3）两种制造方法的比较。表2-17列出选择性吸收材料两种制造方法比较。

表2-17选择性吸收材料两种制造方法比较