金属氮化物太阳光谱选择性吸收机理及热稳定性研究

太阳光谱选择性吸收涂层是太阳能光-热转换装置的关键材料。应用磁控溅射技术制备其膜层（减反射层、吸收层、扩散阻挡层均由金属氮化物组成），通过氮化物颗粒膜吸收层的结构设计、多层复合膜的膜系结构和层内微结构的设计与调控，结合有效介质理论的计算模拟与反演优化，制备工艺的优化，提高其太阳能吸收率，降低其红外发射率，改善该涂层的高温结构稳定性。通过金属粒子热扩散规律与机制的研究，以及氮化物介质膜可能分解的条件与机理的分析，获得提高涂层热稳定性的方法与途径，确立符合实际应用要求的材料组合、结构设计与光学性能，得到最佳制备工艺。探讨涂层的表面与界面微观结构、涂层中导电粒子的掺杂浓度与分布状态对其光学性能及高温结构稳定性的影响机理。揭示工艺、性能与材料的组分、不同层次的微结构间的相互关系及其机理，为开发高温太阳选择吸收涂层的提供实验与理论依据。

项目组完成了课题要求的所有技术要求，达到了所有的技术指标。针对太阳光谱选择性吸收涂层，主要开展两个方面的研究工作（1）金属氮化物光学性能与微观结构分析；（2）吸热涂层在高温环境中性能变化分析及机理分析。针对过渡金属氮化物，确定了TiAlN作为吸收层的太阳光谱选择性吸收涂层。.对磁控溅射工艺参数对Ti1-xAlxN薄膜微观形貌及相结构的影响进行了研究，结果表明薄膜中Al含量对薄膜影响较大。x<0.67时涂层由立方（Ti，Al）N置换固溶体单一相组成，x≥0.67时涂层由（Ti，Al）N和AlN两相组成。随着Al含量增加，Ti1-xAlxN涂层微观形貌由柱状晶逐渐转转变为不规则状颗粒组成，涂层的致密性和耐高温稳定性增加。.Ti1-xAlxN涂层由颗粒状分布的面心立方Ti3AlN晶体相（晶粒尺寸为5-9nm）和非晶的基底组成，其光学性质取决于涂层中Ti-N键的含量。高Ti-N键含量的Ti0.5Al0.5N涂层折射率和消光系数随着波长的增加而增加，表现为金属特性，而低Ti-N键含量的Ti0.25Al0.75N涂层折射率随着波长的增加而增加，消光系数随着波长增加而增加，在1000nm达到极大值之后开始降低，表现出过渡态特性。.使用TFCalc光学设计软件优化设计了以Ti0.5Al0.5N和Ti0.25Al0.75N为吸收层，AlN为减反射层，Cu或Al为金属反射层的Al(Cu)/Ti0.5Al0.5N/Ti0.25Al0.75N/AlN四层结构光谱选择性吸收涂层，优化后Ti0.5Al0.5N、Ti0.25Al0.75N和AlN膜层厚度分别为50、18和22nm，涂层吸收和发射率分别为0.945和0.04，设计与实验结果具有良好的相符性。.对光谱涂层的高温稳定性进行了研究，结果表明：Al/Ti0.5Al0.5N/Ti0.25Al0.75N/AlN在空气中稳定使用温度为475℃，经过500℃退火2h后光谱选择性明显下降（0.7877/0.32），这主要是高温退火破坏了涂层的四层膜结构，环境中氧扩散并与Ti-Al-N反应低吸收系数的Ti-Al-O-N相，以及Ti1-xAlxN涂层中非晶基体晶化使原有非晶/晶态颗粒岛状分布形态消失等因素有关。Cu/Ti0.5Al0.5N/Ti0.25Al0.75N/AlN涂层在空气中热稳定性较差（低于250℃），但是可以期待其在真空环境中的应用。