中高温太阳光谱选择性吸收涂层专利技术进展

谭力 陈苏苏

摘 要：槽式太阳能热发电技术是目前技术最成熟、也是商业化运行最成功的太阳能热发电模式，而中高温太阳光谱选择性吸收涂层是提高发电效率的重要因素，因此其研究进展一直受到广泛的关注。文章以专利技术为主，重点分析国内外对中高温太阳光谱选择性吸收涂层技术的研究进展，以期为槽式太阳能热发电技术提供新的发展指引。

关键词：槽式太阳能；选择性吸收涂层；干涉吸收；金属陶瓷

中图分类号：T-18 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0028-02

Abstract： The trough solar thermal power generation technology is the most mature and commercial solar thermal power generation mode at present， while the selective absorption coating of middle and high temperature solar spectrum is an important factor to improve the power generation efficiency. Therefore， its research progress has been widely concerned. In this paper， the research progress of solar selective absorption coating technology at medium and high temperature is analyzed in order to provide a new guide for the development of trough solar thermal power generation technology， which is mainly based on the patent technology and focuses on the analysis of the research progress at home and abroad.

Keywords： trough solar energy； selective absorption coating； interference absorption； cermet

1 概述

槽式太阳能热发电技术是目前技术最成熟、也是商业化运行最成功的太阳能热发电模式[1]，太阳光谱选择性吸收涂层是提高其发电效率的重要因素。自19世纪50年代以色列科学家Tabor在专利US2917817A中提出太阳光谱选择性吸收涂层以来，其在光热转换领域的应用备受关注。通常，太阳光谱选择性吸收涂层要求高的太阳光吸收率、低的红外发射率以及优良的热稳定性[2-4]。笔者通过分析槽式太阳能热发电技术中的太阳光谱选择性吸收涂层的相关专利，以期为槽式太阳能热发电技术提供新的發展指引。

2 技术进展

太阳光谱选择性吸收涂层通常由以下几部分组成：基底层、红外反射层、吸收层、减反层。槽式太阳能真空集热管的工作温度为中高温，多采用光学干涉吸收涂层和金属陶瓷吸收涂层：

光干涉吸收涂层：基于光的干涉原理设计，由多层具有确定光学常数和规定厚度的光学薄膜堆叠而成，使其对光产生干涉相消，增加吸收率、降低发射率。由于涂层需要通过预先设计，其制备难度较大、成本较高。

金属陶瓷吸收涂层：在电介质基体中嵌入分散的金属粒子即形成了金属陶瓷材料，由于颗粒共振和金属带间跃迁使得其在太阳光谱范围具有高吸收率。金属陶瓷吸收涂层一般由多个亚层组成，形成折射率逐渐递增的结构。其制备方式简单，目前已经商业化生产。

2.1 国外研究进展

澳大利亚悉尼大学的章其初等人在专利US5523132A中提出双层干涉吸收型选择性吸收涂层，包括：基底层/红外反射层/高体积分数金属陶瓷层/低体积分数金属陶瓷层/减反层，各层的折射率和消光系数逐渐减小。其具有更加优良的光谱选择吸收性，并且两层金属陶瓷吸收层能够产生相互干涉效应；此外相比于梯度吸收层，双层结构使得膜层厚度进一步减小、制备更加简便。

2001年，肖特公司的专利DE10150738C1提出抗老化性能优良的辐射选择性吸收涂层，包括第一层红外反射层、包含铝和氮化铝的第二层、包含铝和氧化铝的第三层和Al2O3的最终封闭层，在施加第三层时调整一定的氧体积流量。2006年，专利DE102006056536B3对其进一步改进，将反射层布置在至少两个阻挡层上，在反射层和吸收层之间设有第三阻挡层。

为了提高涂层的热稳定性，章其初等人在专利WO9700335A1中提出将金属陶瓷吸收层中的金属颗粒选择为钨、镍、钼及上述的合金等高熔点金属材料，同时改进制备工艺，溅射时电极一溅射出金属颗粒、电极二溅射出介质颗粒，显著降低制造成本。

金属粒子的氧化温度决定了金属陶瓷吸收涂层的使用温度，过渡金属如Mo、Zr、W、Cr等具有优良的抗氧化特性，被广泛用作金属陶瓷吸收层中的金属掺杂材料，而用非过渡金属氮化物代替纯金属同样可以解决热稳定性问题。

2006年，印度科学与工业研究委员会在专利US20071

96670A1中提出TiAlN/TiAlON/Si3N4的选择性吸收涂层，前两层为吸收层、第三层为减反层，该涂层具有高吸收率、低发射率、光学性能稳定。2011年，专利US2014329073A1对其进一步改进，涂层包含了串联的堆叠层，堆叠层由Ti/Cr间层、包含AlTiN的第一吸收层、包含AlTiON的第二吸收层和包含AlTiO的第三减反层组成，具有高均匀性、长期热稳定性以及高硬度和高耐擦伤性。

2.2 国内研究进展

北京航空航天大学的杜心康等人在专利CN101169485A中提出的涂层包括金属红外反射膜、Nb与其氮化物的混合物的双干涉吸收层、陶瓷减反射膜，具有可见-红外光谱高吸收率、红外光谱低发射率以及良好的中高温热稳定性，吸收层采用单一靶材制备，制备过程中调节N2流量，工艺简便、操作方便、易于控制。专利CN1512119A、CN101

737982A、CN201218622Y等也提出了类似技术方案。

北京市太阳能研究所集团有限公司的专利CN102954611A、皇明太阳能股份有限公司的专利CN102653151A、北京天瑞星真空技术开发有限公司的专利CN102286720A等均研究了双层金属陶瓷结构的选择性吸收涂层，其展现了高吸收率、低反射率及优良的热稳定性能，缺点在于：随温度的升高，涂层中金属原子的扩散会对涂层的光学性能产生影响，造成吸收率下降、发射率升高。

清华大学的史月艳等人在专利CN1360084A中提出的选择性吸收涂层包括基体/反射层/吸收层/减反射层，吸收层以钛及合金铝为阴极在氮气、空气、氮气+氧气气氛中溅射而成的铝氮+钛氮-铝钛膜及铝氮氧+钛氮氧-铝钛膜，减反射层为铝氮+钛氮膜及铝氮氧+钛氮氧膜。通过控制通入气体的量进行反应溅射制备吸收层，随气体量的增加吸收层材料中纯金属钛和铝含量逐渐减少，膜层的折射率和消光系数随之减小，当膜内钛和铝含量为零时，即是膜系的减反射层。上述技术构思在专利CN101445331A、CN201344667Y等中也有阐述。

北京有色金属研究总院的郝雷等人于2008年在专利CN101666557A中提出，将钛铝氮/钛铝氧氮/钛铝氧用作选择性吸收膜层，认为钛铝氮是一种优质的高硬度、耐磨和抗氧化材料，是替代钛氮镀层的理想镀层；此外，钛铝氮薄膜具有低的电阻率，在中远红外具有低的辐射性能。进一步地，钛铝氧氮膜层被设计为高钛铝氮含量和低钛铝氮含量的渐变结构，以提高其吸收性能。2010年，专利CN102121757A进一步提出：将金属氮化物（TiN、TiAlN）作为导电粒子替代目前使用的金属粒子，采用金属氮化物或金属氧化物（AlN、Al2O3）作为陶瓷层和减反射层来制备导电粒子陶瓷复合吸收涂层，认为AlN和Al2O3的电性能优良、光传输特性好、绝缘性能好、电阻率高、化学性能稳定，并且通过调节金属体积分数可获得低电阻率的金属氮化物。2012年，郝雷等人将光干涉吸收涂层和过渡金属陶瓷涂层结合，在CN103808047A中通过第一吸收层TixAl1-xN或NbxAl1-xN（x=0.5-0.8）和第二吸收层TiyAl1-yN或NbyAl1-yN（y=0.1-0.5）的本征吸收和干涉吸收，获得了吸收率为0.93～0.96，发射率为0.04～0.06的选择性吸收涂层，且在真空和空气环境中均具有良好的高温稳定性和抗氧化性。

3 结束语

目前选择性吸收涂层的机理、材料等基础研究已比较深入，并且国内技术的发展已经不逊于国外，应当保持这一发展势头并有所创新，从而尽早占据技术优势。此外，还要积极实现大面积钢管镀膜工艺和生产线的研发，为槽式太阳能热发电技术更广阔的商业应用打好基础。

参考文献：

[1]何梓年.太阳能热利用[M].中国科学技术大学出版社，2009.

[2]王虎，武永鑫，王聰.槽式太阳能集热器用光谱选择性吸收涂层的研究进展[J].分布式能源，2016（1）：52-56.

[3]冯君校.TiN/TiSiN/SiN太阳能选择性吸收光热涂层的研究[D].山东大学，2015.

[4]董亚斌.AlON/TiAlON_D/TiAlON_M/Cu选择性吸收涂层热稳定性研究[D].北京有色金属研究总院，2015.