太陽能選擇性吸收薄膜常用制備方法

2013-07-21 張霖 合肥工業大學機械與汽車工程學院

  太陽能選擇性吸收薄膜的制作工藝與涂層的光譜輻射特性有著密不可分的關系。不同工藝方法制備的薄膜,其組織結構、機械、電學及光學性能都不同。太陽能選擇性吸收薄膜常用的制備方法主要有化學鍍、電化學沉積法( 電鍍和陽極氧化法)、化學轉換著色法、溶膠凝膠法、刷涂法、高頻磁控濺射法、氣相沉積法及等離子噴涂法等。其中金屬- 陶瓷復合鍍、塑料鍍以及電刷鍍是近幾年開發的新工藝。應用較廣的太陽能選擇性吸收薄膜制備方法主要有:

  (1) 電化學沉積法

  即常規電鍍法。將被加工部件置于含有所沉積元素的離子溶液中,溶液極板為正極,所鍍金屬部件為負極。薄膜厚度由電鍍時間控制。電鍍法的優點是設備工藝成熟,電鍍材料多,生產效率高,成本低廉,可電鍍大工件,并可連續生產;但缺點也顯而易見,用電化學沉積法制備理想的、復雜組成的薄膜材料較為困難,且對于基體表面上晶核的生成和長大速度不能控制,制得的化合物半導體薄膜多為多晶態或非晶態,性能不高。個別工藝需用劇毒藥品,無法在介電質材料上沉積鍍膜,故此法一般只能制作中等吸收- 發射比的薄膜。

  (2) 化學轉換著色法

  即采用化學方法,在待加工部件表面生成很薄的光譜選擇性薄膜。其材料通常是金屬氧化物和硫化物,采用浸漬處理或者噴涂處理制備。此法優點是工藝設備簡單,操作方便,生產效率高,成本低廉,可做大工件、連續生產;缺點是個別工藝需用劇毒藥品,且薄膜厚度有時不夠均勻,因此該法只能制作中下等級的吸收- 發射比薄膜。

  (3) 溶膠凝膠法

  即采用合適的有機或無機鹽配制成溶液,然后加入能使之成核、凝膠化的溶液,控制其凝膠化過程得到具有球形顆粒的凝膠體,經一定溫度煅燒分解得到所需氧化物薄膜的方法。采用溶膠- 凝膠法制備的薄膜具有組分混合均勻、成分易控制、成膜均勻、可制備面積較大、成本低、周期短、易于工業化生產等優點。但其也存在一定問題,目前所使用的原料價格比較昂貴,有些原料為有機物,對健康有害,而且一般整個溶膠-凝膠過程所需時間較長,常需要幾天或幾周;凝膠中存在大量微孔,在干燥過程中又將會逸出許多氣體及有機物,并產生收縮等。

  (4) 高頻磁控濺射法

  真空條件下,陰陽極之間加上正交磁場,從陰極發射的電子受到磁場作用,增大行程并撞擊Ar 使其電離。電離后的Ar離子在強電場作用下轟擊靶材,濺射出大量的金屬原子,沉積在置于靶材附近的基材表面形成薄膜。這種方法已大量應用于工業生產,工藝成熟,成本低廉。但此法的缺點也比較明顯,不能制備絕緣體膜, 而且磁控電極中采用的不均勻磁場會使靶材產生顯著的不均勻刻蝕, 導致靶材利用率不高。

  (5) 真空蒸發沉積法

  利用物質在真空室中加熱蒸發原理,使各種膜材的分子或原子從表面氣化逸出,形成蒸汽流,入射到固體(襯底或者基片)表面制成薄膜。此法優點是簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高且可以準確地把握工藝參數和涂層厚度,能制備具有高反射率或者高吸收- 發射比的薄膜;缺點是薄膜與基片結合較差、工藝重復性不好,對真空室、蒸發源以及蒸發加熱裝置要求較高, 因此也會加大制作成本,且真空室大小限制了所能制備的產品尺寸。

  (6) 等離子噴涂法

  采用由直流電驅動的等離子電弧作為熱源,將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態,并以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。該法能涂布任何可熔但不會分解的材料,噴涂速度較快,但基底材料需要能夠承受高溫,制備的選擇性吸收薄膜吸收- 反射比不高,且均為漫反射。

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