磁控溅射法制备Cr-Cr_2O_3干涉型太阳能选择吸收薄膜的研究

【摘要】：太阳能选择性吸收薄膜是太阳能光热应用中关键的技术，但是现阶段太阳能选择性吸收薄膜普遍存在光热转换效率低、工艺重复性差、高温下稳定性差等缺点，国内在这方面的研究更是相对落后。因此，在常规能源相对匮乏的情况下，对太阳能选择性吸收薄膜的研究显得重要。本文采用射频反应磁控溅射的方法制备太阳选择吸收薄膜，并研究膜的制备工艺，分析膜的光学性能。 以纯度99.99%的单质Cr为靶材，Ar为工作气体，O2为反应气体，在玻璃基片上溅射制备Cr-Cr_2O_3薄膜。研究溅射时间、氧气流量、溅射功率对薄膜成分结构的影响，溅射时间和靶基距离对薄膜厚度的影响。结果表明氧气流量和溅射功率对薄膜成分影响较大，随着氧气流量的增加，薄膜中Cr2O3成分逐渐增多，Cr的含量逐渐减小，氧气流量配比不合适的时候薄膜中还会出现铬的其他氧化物。随着溅射功率的增大，薄膜中Cr2O3含量逐渐减少，Cr含量逐渐增多。薄膜的厚度随溅射时间呈线性增长。 以抛光金属Cu基片为红外反射层，磁控溅射法制备不同Cr含量的Cr-Cr_2O_3金属陶瓷双吸收层，并使用SnO2为减反射层，获得干涉型选择性吸收薄膜。着重研究双吸收层的厚度、低金属层的金属含量和高金属层的金属含量对薄膜光谱选择吸收性能的影响。结果表明：（1）双吸收层的厚度将影响吸收峰的位置和吸收极值的大小。随着厚度的增加吸收峰向长波方向移动，吸收极值趋近于反射零点。（2）低金属层的金属含量影响薄膜的光吸收效果。随金属含量的增加，吸收效果明显加强，当金属含量进一步增加时，反射率明显增加，干涉效应消失。（3）高金属层的金属含量影响薄膜的截止波长和吸收效果。随金属含量的减少，薄膜的截止波长向长波方向移动，吸收效果增强，但是红外反射率明显变弱，光谱选择性变差。 综合考虑溅射时间、氧气流量、溅射功率、靶基距离等各因素的影响，优化溅射工艺，制备了性能优良的干涉型太阳能选择性吸收薄膜。薄膜具有明显的光谱选择性，在470nm和1500nm处出现吸收峰，截止波长在2500nm处。高金属含量层和低金属含量层的厚度分别为110nm和78nm，吸收率为0.9486。 【关键词】：射频反应磁控溅射 选择性吸收薄膜 Cr-Cr_2O_3 金属含量 厚度 吸收率
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O484.1
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第一章 概述10-18
• 1.1 太阳能的热利用10-11
• 1.2 太阳能光谱选择性吸收薄膜11-16
• 1.2.1 选择性吸收薄膜的工作原理11-12
• 1.2.2 选择性吸收薄膜的分类12-14
• 1.2.3 选择性吸收薄膜的制备工艺14-16
• 1.3 膜系设计和工艺选择16-17
• 1.4 本课题的主要内容和研究意义17-18
• 1.4.1 主要内容17
• 1.4.2 研究意义17-18
• 第二章 薄膜制备和检测18-25
• 2.1 磁控溅射技术18-20
• 2.1.1 溅射技术基础18
• 2.1.2 磁控溅射工作原理18-19
• 2.1.3 反应磁控溅射简介19-20
• 2.2 薄膜制备20-22
• 2.2.1 磁控溅射设备介绍20-21
• 2.2.2 基底材料及预处理21
• 2.2.3 薄膜的制备工艺流程21-22
• 2.3 薄膜检测手段22-25
• 2.3.1 薄膜厚度的测量22-23
• 2.3.2 薄膜反射率的测量23
• 2.3.3 X 射线衍射分析23-24
• 2.3.4 X 射线光电子能谱分析24-25
• 第三章 单层 Cr-Cr_2O_3金属陶瓷薄膜的性能研究25-35
• 3.1 Cr2O3薄膜25-27
• 3.1.1 沉积 Cr-Cr_2O_3薄膜的最优工艺参数25-26
• 3.1.2 最优工艺条件下 Cr-Cr_2O_3薄膜的性能分析26-27
• 3.2 反应溅射工艺对薄膜物相成分的影响27-32
• 3.2.1 溅射时间对 Cr-Cr_2O_3薄膜物相成分的影响27-28
• 3.2.2 氧气流量对 Cr-Cr_2O_3薄膜物相成分的影响28-30
• 3.2.3 溅射功率对 Cr-Cr_2O_3薄膜物相成分的影响30-32
• 3.3 反应溅射工艺对薄膜厚度的影响32-34
• 3.3.1 溅射时间对薄膜 Cr-Cr_2O_3厚度的影响32-33
• 3.3.2 靶基距对薄膜 Cr-Cr_2O_3厚度的影响33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 双吸收层 Cr-Cr_2O_3干涉型选择吸收薄膜特性研究35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 双吸收层薄膜厚度对光学性能的影响35-37
• 4.3 低金属含量层中金属相含量对薄膜光学性能的影响37-39
• 4.4 高金属含量层中金属相含量对薄膜光学性能的影响39-40
• 4.5 优化工艺条件下制备选择性吸收薄膜的性能分析40-41
• 4.6 小结41-43
• 第五章 总结43-45
• 参考文献45-48
• 致谢48-49
• 附录A 攻读学位期间所发表学术论文目录49

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