基于ZrB2本征光吸收特性开展ZrB2-Al2O3双相陶瓷复合耐高温（600℃）太阳能吸收膜研究

Improving the operating temperature in the Concentrating Solar Power (CSP) could be able to enhance the generation efficiency and reduce the cost. The solar selective coating deposited onto the evacuated tubes is the crucial material promising high efficient conversion of solar energy into heat. However, the increment of working temperature needs the coatings tolerating more critical thermal stability and chemical stability in all its lifetime. The ultra-refractory metal boride such as ZrB2 has excellent thermal stability and intrinsic spectral absorbing characteristics, but its absorptivity is not high enough to meet the demand used in CSP as solar absorbing coatings. Thus this work designs a new kind of solar selective coating that preparing ZrB2 particles dispersing into Al2O3 matrix constituting a duplex ceramics of ZrB2-Al2O3 as optical absorbing layers where Al2O3 modulating the dielectric property of ZrB2 and owing to their localized plasmon resonances enhancing the absorption of light in visible and near-infrared region. By investigating the microstructure changes of ZrB2-Al2O3 duplex ceramic composites on its optical properties and thermal performance, clarifying the physical nature of interaction between photon and nano-film materials in a complex system, find out the structure evolution and failure mechanism in the functional coatings under high temperature.

提高太阳能热发电工作温度可使发电效率提高，降低度电成本。但是高温工况条件对实现光热能量转换的核心材料——太阳能吸收膜的耐高温性能提出更为严苛的要求。难熔金属硼化物ZrB2热稳定性能极为优异且具有本征光吸收特性，但因其类金属特性使其在太阳光谱范围内反射比较大，光子吸收能力较差（烧结块体ZrB2吸收比约为50%）。本项目设计利用Al2O3的电介质特性调制ZrB2介电性能，即将ZrB2与Al2O3双相陶瓷复合，构制可满足局域等离激元共振增强涂层光吸收能力的特定微观结构，表面辅以Al2O3减反射层，以期提高涂层的光吸收性能。项目通过研究微观组织结构变化对ZrB2-Al2O3双相陶瓷复合涂层光学性能和耐热性能的影响规律，弄清复杂体系中光子与纳米薄膜材料相互作用的物理本质，探明纳米功能涂层在高温工况条件下的结构演化和失效机制，为发展我国高温太阳能热发电事业奠定理论与实践研究基础。

太阳能吸收膜是将太阳光子能转换成热能、进而通过热发电获取可再生清洁能源的关键功能材料。提高光热发电系统工作温度至550 ℃甚至600 ℃以上可显著降低度电成本，对于促进太阳能热发电技术广泛应用具有十分重要的意义，但是对太阳能吸收膜的热稳定性也提出了更为严苛的要求。本项目基于难熔金属硼化物ZrB2薄膜兼具较好的光谱选择吸收性能和良好的高温热稳定性，开展ZrB2-Al2O3双相陶瓷复合高温太阳能吸收膜制备工艺与光学性能的基础研究。项目首先对ZrB2薄膜制备工艺对其微观组织结构与电学、光学性能的影响规律进行深入研究。发现ZrB2薄膜晶化与否主要取决于溅射功率和气压，与溅射粒子入射角度无关。在正入射模式下制成的ZrB2薄膜致密均匀、无显著结构特征；而在斜入射模式下制成ZrB2薄膜为柱状结构，在紫外-可见光波段具有较强的光吸收能力，适宜于用作太阳光吸收功能层。在导电性能方面，发现ZrB2薄膜具有负的电阻率温度系数特性，而且纳米晶ZrB2薄膜具有用作精密薄膜电阻材料的潜质。变温导电机制研究结果表明，ZrB2薄膜电阻率随温度变化主要受控于弱局域化跃迁和小极化子最近邻跃迁。在光学性能研究方面，通过不同厚度ZrB2薄膜反射谱与透射谱反演计算，建立了ZrB2薄膜光学常数基础数据库文件。在此基础上通过软件模拟与实验相结合，制成ZrB2-Al2O3双相陶瓷复合太阳能吸收膜，吸收率可达94.5%，550℃发射比为0.121。高温热稳定性实验结果表明，550 ℃真空退火后复合膜耐久性评价因子为0.014，远低于门槛阈值，表明该复合膜可耐受550℃真空环境下长时间使用。而600℃真空退火后，膜层色泽与光吸收性能均发生显著变化。失效机理分析结果表明，高温工况条件下B原子与O原子结合生成挥发性B2O3，应是涂层成份变化和光学匹配性失衡的主要原因。项目研究对于发展我国自主知识产权高温太阳能吸收膜进行了有益的探索。