太阳能槽式热发电用高温稳定的光谱选择性吸收涂层M/NbXN/NbXON/Si3N4 (X=Al,Cu,Zr,M=Cu,Si)的研究

太阳能选择性吸收涂层的研究是太阳能热利用的关键技术问题。目前，低温应用的涂层比较成熟，但是太阳能槽式热发电使用的中高温涂层尚在实验室研究阶段。目前普遍采用的中高温太阳能吸收涂层采用大三层双干涉吸收结构的金属陶瓷多层膜，但在高温（500℃）下由于金属粒子在介质基体及其界面中的扩散、聚集、氧化等原因，导致结构稳定性下降的问题是比较突出的。课题组在以前的工作中重点探讨了高温不稳定的机理与原因，但如何解决由于微结构在高温下不稳定导致的光谱选择性能下降，研制出适合太阳能槽式热发电使用的长寿命涂层，这是本课题的核心问题。我们选择M/NbXN/NbXON/Si3N4作为重点研究对象，应用直流磁控溅射技术制备多层膜，对其微结构、光学性能进一步优化，并评估和提高其高温稳定性。另外，通过计算机模拟计算涂层的光学性能，并建立相应的模型。其研究成果将为太阳能中高温热利用提供重要的理论和实验基础。

太阳光谱选择性吸收薄膜是太阳能槽式热发电用真空集热管的关键材料。随着太阳能高层次光热利用技术被广泛重视，高温太阳能真空集热管市场需求迫切，但是我国尚不能商业化生产。在国际上也只有肖特，西门子两家大公司能够生产高温（400℃以上）真空集热管，因此国际市场对我们形成垄断，极大地限制了我国太阳能深层次开发和利用。其关键难题在于这个总厚度不超过1μm的纳米多层膜体系的高温稳定性与工作寿命，要求其光学性能：吸收率α≥95%，发射率ε≤8%，在400℃以上高温环境下工作寿命期望达到25年以上。申请人正对这一国际难题，承担国家自然科学基金面上项目，获得如下创新性成果：.（1）揭示了光谱选择性吸收涂层高温不稳定的因素与机理，认为单金属元素的界面扩散与氧化是高温下光学性能变差的主要原因，在此基础上系统研究了不同成分的界面扩散规律，提出”采用高温合金或陶瓷代替单金属以提高介质热稳定性“的思路与方法。.（2）在上述基础上设计开发出M(合金)-Al2O3 以及 NbXNO 耐高温的光谱选择性吸收薄膜新体系，其吸收率α≥95%，发射率ε≤7%，耐高温500℃以上，达到了实际应用的要求。技术居国内领先水平。. 通过该项目，我们与协作企业共同研制出一种新型的长4米高温太阳能金属－玻璃复合型真空集热管，突破国内技术瓶颈，实现了太阳能聚焦热发电核心技术国产化，拥有自主知识产权，最终为太阳能高温热能应用技术的商业化，特别是太阳能的热发电技术奠定了坚实基础。这一研究方向的成果重点体现在：3项国家发明专利以及已发表的包括2篇Solar Energy Materials and Solar Cells的11篇学术论文中。.总之，在该项目研究中，我们获得：论文与专利：我们发表学术论文11篇，其中SCI收录10篇， 影响因子大于3的有3篇。授权国家发明专利3份。.奖励：获得2012年度高等学校科学研究优秀成果（科学技术）自然科学二等奖(本人作为第4作者。（已公示）.会议与国际交流：参加国际学术会议7次，均为大会或分会邀请报告，其中出国参会4次(澳大利亚，日本，加拿大，瑞典)。参加国内学术会议6次，其中大会、分会邀 请报告4 次。.人才培养：在这个研究方向上培养博士生6名，其中毕业3名，在读3名；硕士生3名，其中毕业2名，在读1名。本科毕业论文3人。