高反射率太阳能薄膜反射材料的性能研究及膜系设计

【摘要】：随着世界范围内能源的短缺和环境问题的加剧，以太阳能为主的可再生能源的研究、开发和利用日益得到重视。太阳能发电主要有太阳能光热发电和太阳能光伏发电两种方式。对于太阳能热发电系统，其核心设备包括聚光集热装置、反射镜传动和跟踪系统；其中聚光系统包括定日镜群和跟踪装置，成本占总投入的50%以上。聚光系统中的反射材料在太阳能中高温应用系统以及聚光光伏系统中有着广泛的应用，它的好坏直接决定了太阳能光伏电池的转换效率与热发电的成本。高反射率的材料是提高上述过程太阳能利用率的关键。 本文采用直流磁控溅射法在玻璃基材上分别制备了纳米Ag和Al薄膜，并采用射频磁控溅射法在其上镀一层SiO_2薄膜作为保护层，利用紫外可见近红外分光光度计测定了薄膜对可见光区（380~780nm）、太阳光区（300~2500nm）的反射率；用EssentialMacleod光学薄膜分析与设计软件对Ag-SiO_2和Al-SiO_2反射薄膜进行了设计模拟，并对薄膜进行了耐磨性测试、附着力测试、抗老化性测试和退火处理等实验。结果表明，薄膜的反射率曲线呈周期性变化，当银膜的厚度为130nm和二氧化硅的为320nm或400nm时，膜反射率最高，太阳光和可见光反射率分别为96.66%和98.84%，并且膜材的耐磨性和抗老化性良好。过渡层Cu能增加Ag与玻璃基底的附着力。退火能提高膜材料的反射率；真空退火在350℃时反射率最大，随着退火温度的升高，反射率略有下降，但都比未退火时高。空气中退火，温度低于250℃时反射率比退火前有所提高，300℃以上反射率明显下降，甚至低于未退火时的。 Al膜厚度选择为50nm较合适，且当SiO2保护膜的厚度为230nm时，反射率为89.50%。模拟计算结果与实验结果基本一致。无保护层的Al膜反射率比有SiO2保护层的高，但自身氧化形成的氧化铝薄膜会导致反射率减小，且其反射率随着氧化铝厚度的增加而减小（70nm之内）；当其厚度极薄时（0~30nm），太阳光反射率由91.13%稍降为88.41%，这对铝的反射率影响甚小。 最后，设计及制备了薄膜：Glass/Ag(130nm)+SiO_2(400nm)+TiO_2/Air，探索了TiO_2的制备工艺及退火处理对薄膜亲水性的影响。 【关键词】：磁控溅射 Essential Macleod 太阳能 反射薄膜 高反射率
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-29
• 1.1 太阳能反射材料的简介10-15
• 1.1.1 太阳能反射材料的发展10-13
• 1.1.2 太阳能反射材料的技术难点13-15
• 1.1.3 太阳能反射材料的现状和应用展望15
• 1.2 薄膜制备技术概述15-23
• 1.2.1 蒸发沉积法（Evaporation Deposite）15-16
• 1.2.2 溅射沉积法（Sputtering Deposite）16-20
• 1.2.3 离子镀和离子束沉积（Ion Beam Deposition, IBD）20-21
• 1.2.4 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）21
• 1.2.5 脉冲激光沉积法（Pulsed Laser Deposition, PLD）21-22
• 1.2.6 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）22
• 1.2.7 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）22-23
• 1.3 光学薄膜特性的理论计算23-26
• 1.4 本研究的意义及研究内容26-29
• 第二章 Ag-SiO_2薄膜的设计、制备、反射率研究及性能测试29-52
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验材料、试剂及仪器30
• 2.3 Ag-SiO_2薄膜的设计30-34
• 2.3.1 Essential Macleod光学薄膜设计软件的操作30-31
• 2.3.2 薄膜反射率的计算31-34
• 2.4 Ag-SiO_2薄膜的制备34-35
• 2.4.1 基片的清洗34
• 2.4.2 Ag薄膜的制备34
• 2.4.3 SiO_2薄膜的制备34-35
• 2.5 Ag-SiO_2薄膜的反射率研究及性能测试35-50
• 2.5.1 Ag薄膜的XRD与SEM分析35-37
• 2.5.2 Ag薄膜厚度对反射率的影响37-39
• 2.5.3 SiO_2薄膜厚度对反射率的影响39-43
• 2.5.4 Ag-SiO_2薄膜耐磨性测试43-45
• 2.5.5 薄膜附着力测试45-46
• 2.5.6 Ag-SiO_2薄膜老化性能测试46-47
• 2.5.7 退火温度对Ag-SiO_2薄膜性能的影响47-50
• 2.6 本章小结50-52
• 第三章 Al-SiO_2和Al-Al_2O_3薄膜的设计、制备及反射率研究52-61
• 3.1 引言52
• 3.2 实验材料、试剂及仪器52-53
• 3.3 Al-SiO_2和Al-Al_2O_3薄膜的制备53
• 3.3.1 基片的清洗53
• 3.3.2 Al-SiO_2和Al-Al_2O_3薄膜的制备53
• 3.4 Al-SiO_2薄膜的反射率研究53-59
• 3.4.1 Al薄膜厚度对反射率的影响53-57
• 3.4.2 SiO_2薄膜厚度变化对Al膜反射率的影响57-59
• 3.5 Al-Al_2O_3薄膜的反射率研究59-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 自清洁高反射率太阳能反射薄膜的设计及性能初探61-68
• 4.1 引言61-62
• 4.2 实验材料、试剂及仪器62
• 4.3 自清洁高反射率太阳能反射薄膜的设计62-64
• 4.4 TiO_2薄膜的制备及自清洁性能初探64-67
• 4.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 展望69-70
• 参考文献70-78
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果78-79
• 致谢79-80
• 附件80

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