摘要：太陽能作為清潔的可再生能源其儲量極其豐富，光熱轉換技術可實現對太陽能的有效利用。太陽能選擇性吸收涂層是光熱轉換技術的核心。闡述了太陽能選擇性吸收涂層的選擇性吸收原理，并對太陽能選擇性吸收涂層的種類、制備方法以及目前的研究進展進行了介紹，最后提出了太陽能選擇性吸收涂層目前仍需解決的問題，并對未來的研究方向進行了展望。

　　關鍵詞：太陽能;太陽能選擇性吸收涂層;吸收原理;制備方法

　　伴隨著社會的發展，人類對于化石能源的過度利用，使得全球變暖問題日趨嚴重。在此背景下，“低碳”成為當今世界發展的主旋律。為此，世界各國都在積極探索研究，以求找到可替代化石能源的清潔能源[1-2]。太陽能因其巨大的儲量和環境友好性成為解決上述問題的一種新能源。太陽能選擇性吸收涂層作為太陽能集熱器的核心構件，一直以來備受關注[3]。

　　太陽能利用論文范例： 基于聚光太陽能的油品管道減阻與節能研究

　　以色列科學家Tabor[4]早在20世紀50年代就提出光譜選擇性吸收涂層的概念，并稱之為選擇性黑色低發射率表面。目前，已在我國普及的太陽能熱水器正是太陽能選擇性吸收涂層在中低溫領域的應用，由于在耐候性、耐腐蝕性以及吸收效率等問題上 一直無法達到理想狀態，對于應用在中高溫領域下的太陽能選擇性吸收涂層的研究仍在進行中。

　　1太陽能涂層選擇性吸收原理

　　太陽光譜輻射范圍主要集中在0.3～25μm[5]。物體產生黑體輻射的范圍在2～100μm，因此需要將集熱器的輻射能量盡可能降低。在太陽光譜范圍內，太陽能選擇性吸收涂層在保持較高吸收率α的同時還會將發射率ε維持在較低值，并且α值越高，ε值越低，涂層的選擇吸收性能越優異[6]。

　　2太陽能選擇性吸收涂層的類型

　　根據材料和涂層結構對太陽能選擇性吸收涂層進行分類，大致可分為本征吸收涂層、光干涉型涂層、金屬陶瓷復合型涂層、多層漸變型涂層和表面微不平結構涂層[9]。雖然各類涂層吸收能量的方式大致相同，但結構上的微小差異，會對涂層的吸收性能產生重要影響。例如，單一材料的本征吸收涂層具有明顯的局限性，在吸收性能上也不理想，但通過摻雜和共混的方式對單一的本征吸收材料進行改性，所得的選擇性吸收涂層在性能上就會大幅度提升。

　　對于光干涉型涂層，其每一層膜結構的厚度以及干涉系數等都必須預先經過嚴格的設計，否則會導致涂層的選擇性能不佳甚至無法對太陽能選擇吸收。再例如，多層漸變型涂層，若去掉減反層這一結構，那么由于這類涂層材料的局限性，涂層的發射率將急劇上升，無法達到使用要求。

　　2.1本征吸收涂層

　　本征吸收涂層又稱本體吸收性涂層，由自身具備光譜選擇性吸收這一性質的材料所組成，這些材料包括具有合適禁帶寬度的半導體和過渡金屬，其吸收理論為能帶理論。當入射光的能量大于材料的禁帶寬度Eg時，材料的價電子隨之發生躍遷，此時就會發生材料對入射光的吸收現象;反之，入射光就會被反射;當入射光強適宜時，材料就會產生對光譜的選擇吸收性[10-11]。

　　本征吸收涂層在材料的選擇上，除半導體材料外，部分過渡金屬(Cr、W、Mo、Ni、Pt)等以及它們的碳化物、氧化物、氮化物以及硼化物都被廣泛使用[12-14]。雖然本征吸收涂層在材料的選擇上比較廣泛，但該涂層也有一定缺點，大多數本征吸收涂層在制備過程中所選擇的工藝都相對苛刻，成本較高，并且單一的材料選擇機制使其太陽能選擇性吸收性能不理想，受材料本身的限制較大，無法滿足高選擇性和高溫環境下的使用要求。

　　2.2光干涉型涂層

　　光干涉型涂層通常利用數層薄膜在適宜光譜范圍內的干涉效應來實現對光譜的選擇性吸收，以此來達到利用太陽能的目的[17]。光干涉型涂層從結構上看為多層結構涂層。對于這類涂層每一層膜結構的厚度、干涉系數等都必須經過預先設計，以此來達到對光譜的選擇性吸收[18-19]。一般采用可抵消光系數的電介質材料作為減反層，常用的減反層材料一般有Al2O3、SiO2、PbS、ZnS等。目前，較為成熟的雙層黑鎳、雙層黑鉻、Al-AlN、Ni-SiO2、Al2O3-Mo-Al2O3等涂層都是常見的光干涉型涂層[20]。

　　徐英杰[21]制備出SS/AlCrN基光干涉型太陽能選擇性吸收涂層，其吸收率和發射率分別為0.733和0.146，對其表面進行Al2O3減反層涂敷，其吸收率和發射率得到優化，分別達到0.832和0.159。由于光干涉型涂層的多層厚度必須嚴格控制，故對涂層的制備工藝有更高的要求，可控制膜厚度的制備工藝如磁控濺射法、多弧離子鍍等可實現對此類涂層的制備，但生產成本較高等缺點使其在大規模商業化生產方面存在較大困難。

　　2.3金屬陶瓷復合型涂層

　　金屬陶瓷復合型涂層也稱金屬-電介質復合型涂層。該類涂層利用沉積在電介質材料中的金屬微小顆粒的帶間躍遷和相互作用以及金屬基底的高紅外反射特性使涂層對太陽光譜有了選擇性吸收性能[22-23]。該類涂層具有與光干涉型涂層類似的層狀結構，當各層結構的厚度、金屬顆粒的濃度以及形狀尺寸等參數選擇合理時，涂層可表現出優異的太陽光譜選擇性。陶瓷材料雖然對光的選擇吸收效應較差，但其耐高溫性能和化學穩定性為涂層在較高溫度下的應用提供了保障。

　　馬惠陽等[24]首次將激光熔覆法和表面涂敷法相結合，在不銹鋼基底上制備了Ni/Mo-TiC金屬陶瓷單層涂層。經600℃退火1h后，涂層吸收率為0.807，發射率為0.06，光學性能無明顯變化，涂層具備一定的熱穩定性。段小華等[25]探究了添加不同含量的Al2O3對已有Co-WC金屬陶瓷涂層的光學性能的影響。在復合粉末MCo∶MWC=8∶2的前提下，當Al2O3添加量為10%wt時，涂層表現出較好的太陽光譜選擇性，吸收率和發射率分別為0.84和0.363，添加Al2O3作為減反層后，吸收率增加至0.89。

　　3太陽能選擇性吸收涂層的制備方法

　　目前，常用的太陽能選擇性吸收涂層制備方法分類以及各制備方法的特點。

　　3.1涂料法

　　涂料法發展較早，此方法所用到的涂料為多組分材料體系，一般由有機樹脂作為粘結劑，金屬氧化物等具備光譜選擇性的化合物為顏料，通過噴涂、涂刷等方法將涂料覆蓋在基體表層。此方法適用于各類粉體材料涂層的制備，但對涂層的附著程度即粘結劑的要求很高[5]。楊永剛等[31]將Cu-Zn-Sn合金粉末和硫粉混合制成粉末前驅體涂敷在鈉鈣玻璃基體上，經N2+S(g)氣氛下400℃熱處理2h后，得到比較純凈的具有鋅黃錫礦結構的Cu2ZnSnS4吸收層薄膜，該膜光學性能良好，可作為太陽能電池薄膜吸收層用材。

　　劉嘉成等[32]合成FeCuMnCoOx粉體和CuS@Cu2O復合粉體，采用自制有機硅樹脂為粘合劑制備太陽能吸收涂層。不同CuS/FeCuMnCoOx復合粉體配比 的涂層太陽能吸收率在0.918～0.945，發射率在0.178～0.211。當m(CuS)∶m(FeCuMnCoOx)=1∶5時，太陽能吸收率為0.945，發射率為0.182，達到最佳性能。由于聚合物樹脂粘結劑在紅外區通常有一定的吸收，所以涂層在大于2.5μm區域的發射率會偏高，近年來在粘結劑的選擇上已經有了新的進展。徐聲瑞等[33]以殼聚糖為結構導向劑，制備了CuCr2O4單晶納米粒子并將其與丙烯酸乳液共混，最終得到吸收率為0.964，發射率為0.258的環境友好型太陽能選擇吸收涂層。

　　3.2電化學轉化法電化學轉化法是制備太陽能選擇性吸收涂層的方法之一，主要包括以下兩類方法：電鍍法是指利用電鍍的方法將具備光選擇性吸收性能的金屬材料鍍在具有較低發射率的基底上，電鍍完成后會在基底上形成一層具備光譜選擇性吸收功能的薄膜[34]。陽極氧化法原理為電解氧化，以Al的陽極氧化法最為成熟。在電解氧化過程中，所沉積的金屬存在于金屬基底的孔隙結構中，該結構可使所沉積金屬在一定程度上不受外界環境影響，提高了涂層的熱穩定性和耐候性[35]。

　　4結語與展望

　　目前，中低溫領域的太陽能選擇性吸收涂層已廣泛應用于市場，但隨著中高溫光熱轉化技術的發展，當前所研制出的太陽能選擇性吸收涂層需要能在500℃以上的環境溫度下工作，這對涂層的性能有了更高要求。除了耐高溫問題，目前太陽能選擇性吸收涂層還面臨著諸如耐候性、服役壽命、發射率偏高等主要問題。開發出新型可用的材料、對材料的合理改性以及合理使用減反層等方法可對上述問題進行很大改進。制備太陽能選擇性吸收涂層，從材料的開發到制備方法的改進和更新再到對所制備涂層的優化處理，已成為一項復雜的綜合性技術。

　　目前，除了開發出具有優異光學性能的涂層材料外，還應開發出適用范圍廣泛的制備方法或者對已有制備方法進行一定的優化，以此來降低制備涂層所需的成本，這些都將是未來太陽能選擇性吸收涂層的研究重點和熱點。只有高性能的太陽能選擇性吸收涂層投入工廠生產線量產，才能使太陽能光熱轉換技術躍上新的臺階，實現太陽能在集熱、發電等方面的應用價值。

　　參考文獻:

　　[1]馬鵬軍，耿慶芬，劉剛.太陽能光譜選擇性吸收涂層研究進展[J].材料導報，2015，29(1)：48-53.

　　[2]姚澤龍.論低碳經濟與低碳能源發展[J].低碳世界，2018(11)：265-266.

　　[3]KalogirouSA.Solarthermalcollectorsandapplications[J].ProgressinEnergyandCombustionScience，2004，30(3)：231-295.

　　[4]TaborH.Solarenergyresearch：Programinthenewdesertresearchinstituteinbeersheba[J].Pergamon，1958，2(1)：12-19.

　　[5]MartinRD，TheoT，NeilH，etal.Commonblackcoatings-reflectanceandageingcharacteristicsinthe0.32-14.3μmwavelengthrange[J].OpticsCommunications，2007，270(2)：262-272.

　　[6]湯時杰，杜娟，洪宇翔.太陽能熱利用選擇性涂層的研究進展[J].廣東化工，2013，40(1)：67-68.

　　[7]MukhopadhyayS，MuhammadS.Calculationoftheeffectivepermeabilitiesoffield-scaleporousmedia[J].ChemicalEngineeringScience，2000，55(20)：4495-4513.

　　[8]KennedyCE，PriceH.Progressindevelopmentofhigh-temperaturesolar-selectivecoating[C]//AsmeInternationalSolarEnergyConference，2005.

　　[9]CaoF，McenaneyK，ChenG，etal.Areviewofcermet-basedspectrallyselectivesolarabsorbers[J].Energy&Environmentalence，2014，7(5)：1615-1627.

　　作者：陳宇飛,蘭亞鵬,古龍,閔捷