光譜選擇吸收涂層的優化設計研究現狀

張恩耀（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

光譜選擇吸收涂層的優化設計研究現狀

張恩耀
（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

概述了光譜選擇吸收涂層的發展，并對Maxwell-Garnett理論、Bruggeman理論以及Ping-Sheng理論等三種模擬計算理論進行了簡要介紹。

選擇性吸收涂層；優化設計；研究現狀

1　引言

近些年，隨著能源及環境問題的日益突出，太陽能作為一種理想潔凈的新能源，受到廣泛關注。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不會對環境產生任何污染。太陽作為一個溫度極高的物體，通過自身的熱核反應持續的向外輻射熱量。太陽光譜可分為紫外光區（＜0.38μm）、可見光區域（0.38～0.78μm）、近紅外區域（0.780～2.5μm），其能量總和占太陽輻射能的98%以上。因此如何汲取這部分能量將是太陽能光熱涂層的研究重點。根據涂層工作溫度可分為低溫涂層（＜100℃）、中溫涂層（100℃＜T＜400℃）、高溫涂層（＞400℃）。其中，中低溫涂層的發展已經比較成熟，且商業化運行比較成功。而高溫光譜選擇性吸收涂層的發展還面臨諸多問題，一般要求這類涂層在高溫環境下使用時應具有低的發射率，良好的熱穩定性、抗氧化性和化學惰性等。

利用太陽能的各種新材料、新設計、新技術成為當今新能源領域的研究熱點。在光熱涂層的研究過程中，采用計算機模擬和優化的手段已經成為預測和開發新涂層的有效手段。在優化模擬方面，許多研究學者通過模擬涂層不同光學常數來實現涂層的最優設計。在模擬優化研究中等效介質理論作為研究涂層光學性能的專門理論。目前應用較廣的等效介質理論有Maxwell-Garnett理論（簡稱M-G理論）、Bruggeman理論（簡稱Br理論）以及Ping-Sheng理論（簡稱P-S理論）［1］。

2　Maxwell-Garnett理論

MG理論模型簡單，適用于金屬體積分數很低或很高的金屬介質復合薄膜光學常數計算。金屬介質復合薄膜材料的介電特性及光譜特性與復合體每一組分的微結構有著密切的聯系，在這方面已經進行了大量的理論和實驗研究。

3　Bruggeman理論

Br理論是Bruggeman于1936年提出的稱為聚集勢近似模型，該理論認為，當兩種材料A和B體積相當，它們具有同等的地位，兩種材料隨機地相互連接成混合物，形成聚合組織結構Br理論適用于金屬和介質體積相當的復合薄膜光學常數的計算。清華大學楊曉繼等人利用Bruggeman理論可以計算出不同金屬體積分數下復合Al-AlN的介電常數，從而得到復合材料的光學常數（折射率n、消光系數k）。

4　Ping-Sheng理論

Ping Sheng理論微結構模型和Br理論模型類似，前者考慮了電介質的不規則性和近鄰晶粒之間的相互作用，對金屬體積分數作了適當修正，使得理論計算與實驗結果更為接近。悉尼大學的Zhang QC等使用Ping sheng理論模擬出 Mo-Al2O3金屬陶瓷膜的光學常數，并優化設計得到了光學性能良好的Mo-Al2O3選擇性吸收涂層［4］。

根據以上分析發現，等效理論模型計算已經成為預測涂層性能的重要手段。在以上三種模型中，Maxwell-Garnett理論和Bruggeman理論是應用比較廣泛的兩種模型，較為成熟。

［1］ Shuxi Zhao，The optical properties of sputtered composite of Al-Al N［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90：1861-1874.

［2］ 周瓏，王天民.Mo-Al2O3金屬陶瓷顆粒膜的光學常數研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（5）：825-829.

［3］ 王佩紅，蔡琪，王磊，等.有效介質理論在Ag-Mg F2復合納米顆粒薄膜中的應用［J］.真空科學與技術，2003，（6）：413-416.

［4］ Qi-Chu Zhang，Yongbai Yin，David R.Mills.High efficiency Mo-Al203 cermet selective surfaces for high-temperature application J.Solar Energy Materials and Solar Cells，1996，40：43-53.

［5］ 索妮，張敏，王菲菲，趙雙.光譜選擇吸收涂層的膜層設計與優化［C］.第十屆全國表面工程大會暨第六屆全國青年表面工程論壇論文集（二）.2014.

［6］ 余麗娜，江紹基.光譜選擇性吸收薄膜的優化設計［C］//2013年廣東省真空學會學術年會論文集.2013.

［7］ 余麗娜，江紹基.太陽光譜選擇性吸收薄膜的研究［C］//中國真空學會2014學術年會論文摘要集.2014.

Study on Optimal Design of Absorption Coatings by Spectrum Selective Design

Zhang En-yao

Outlines the development of spectrally selective absorbing coating，and the theory of three analog Maxwell-Garnett，Bruggeman theory and Ping-Sheng theory calculation theory gives a brief introduction.

selective absorbing coating；optimization design；Research Status

TK02

A

1003-6490（2016）05-0203-01

2016-05-10

陜西省教育廳2014年科學研究項目計劃（14JK1366）。

張恩耀（1981—），男，陜西西安人，講師，主要研究方向為磁性及新能源材料。