基于SiO2金属陶瓷基准光学微腔对太阳光谱调控的研究

The manipulation of solar spectrum for specific applications is crucial to efficiently utilize solar energy, however the performance of the coatings has touched the ceiling if just one kind of controlling mechanism is employed. Based on our previous work, optical microcavity absorption and cermet solar thermal absorption theory, the project suggests to introduce a new type of spectral controlling mechanism combining the optical microcavity absorption and the spectrally selective absorption of cermet, and replace the traditional dielectric layer in the traditional F-P optical microcavity with SiO2 based cermets filled with metals to construct a new type of quasi-optical microcavity structure. Also the project suggests to illuminate the controlling mechanism of new quasi-optical microcavities on solar spectrum, uncover the spectrally selective mechanism of SiO2-based cermet quasi-optical microcavity, demonstrate the spectral response dependence of the metal composition change, particle size, metal volume ratio in the cermet layer, predict and design multilayer structure coatings beneficial to the solar absorption and suppression of infrared radiation loss by the optical transfer matrix theory, investigate the effect of the difference of each layer thickness on spectral response, explore the relationship between spectral controlling and the one-side metal layer of quasi-optical microcavity with high temperature stable metal, and achieve an effective approach to suppress the phase and microstructure change, combined with the causes for high temperature performance degradation. Finally, the project would develop an effective strategy for making spectral-controlling coatings with the theory of quasi-optical microcavity.

根据特定应用来调控太阳光谱是高效利用太阳能的关键，但是单一利用一种调控机制很难有进一步的提升。在申请人前期工作的基础上，结合光学微腔吸收和金属陶瓷光热吸收理论，本项目拟引入协同光学微腔吸收和金属陶瓷选择性吸收相结合的新型光谱调控机制，采用金属填充的二氧化硅陶瓷取代传统F-P光学微腔中的传统介电层，构筑新型准光学微腔结构；深入研究新型准光学微腔对光谱的调控机理；阐明基于SiO2基金属陶瓷准光学微腔光谱选择性吸收的微观机理；揭示金属陶瓷层中金属成分的改变、颗粒大小、金属体积比等与光谱响应的依赖关系；采用光学转移矩阵理论预测并设计，有利于太阳光吸收并抑制红外辐射的多层膜结构，考察多层膜各层厚度差异对光响应的影响；探究高温稳定金属作为准光学微腔一端金属层与光谱的调控关系，并结合高温下性能衰减的原因，获得抑制其氧化扩散与微结构变化的有效途径。在此基础上发展基于新型准光学微腔光谱调涂策略。

太阳光谱选择性吸收涂层作为太阳能集热器的核心组件之一，可利用光谱选择性吸收实现光到热的直接高效转换。当前研究大多集中在利用单一吸收机制提升该吸收涂层的光学性能，因此其光谱选择性亟待进一步提升。本项目采用协同金属陶瓷和多层膜吸收机制构筑新型准光学微腔结构，利用膜层表面等离子体极化、膜层间的相互作用、金属的带间跃迁以及小颗粒共振等效应提升准光学微腔吸收涂层的光谱选择性。项目清晰阐明了SiO2基金属陶瓷准光学微腔对太阳光谱的调控机制，掌握了光谱调控的有效方法。系统阐述了W-SiO2、WTa-SiO2及超高温陶瓷ZrC、ZrB2基准光学微腔选择性吸收涂层的光谱响应机制及涂层高温稳定性的内在缘由，分析出不同金属、高温导电陶瓷添加对光吸收的调控作用，理清楚涂层中各成分氧化及扩散的内在机制，探索出优化准光学微腔基光谱选择性吸收涂层高温稳定性的有效策略。在W-SiO2基准光学微腔选择性吸收涂层中获得95.7%的光吸收。实现具有900℃下稳定在ZrC、ZrB2基准光学微腔涂层设计，在1000倍太阳聚焦的条件下，使用该吸收器的理想太阳光转换效率可达到68%。同时将项目中优化得到的调控方法应用到宽入射角下的光谱调控领域，实现了吸收体在75o的宽入射角范围内具有约97%全向吸收，在近法向入射时具有接近完全吸收，在倾斜 75o入射时表现出高于85%光吸收。项目解决调控过程中的科学问题，得到国际国内认可的重要科学成果。参加国内外学术会议4次，项目执行期内支持2名博士后在站工作，培养4名博士生、4名硕士生。发表学术论文11篇，参编英语专著1部，申请国家发明专利7项，已授权3项。