中科院開發了復合陶瓷基太陽能選擇性吸收涂層

從太陽輻射中獲取能量，并將其轉化為熱能加以利用，是應對能源危機和環境污染、加快向可持續低碳世界過渡的前瞻性策略。太陽能選擇性吸收涂層作為光熱轉化技術的重要組成部分，要求在太陽能光譜波段（0.3-2.5μm）具有高吸收率，同時在中紅外波段（2.5-20μm）具有低發射率，從而使其表現出更高的光熱轉換效率，無論在高溫太陽能熱利用領域如太陽能光熱發電，還是低溫太陽能熱利用領域如光熱殺菌、除冰、海水淡化，均表現出應用前景。然而，目前大部分太陽能吸收涂層在真空條件下的熱穩定性低于650 ℃，限制了其在高溫條件下的應用。因此，開發一種具有優異熱穩定性（大于700 ℃）、可擴展、結構簡單、易于制備的太陽能吸收涂層具有重要意義。 

　　近日，中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料研究室低碳能源材料組副研究員高祥虎、研究員劉剛團隊，開發了一種基于復合陶瓷雙層結構的高溫太陽能選擇性吸收涂層，其中復合陶瓷（TiB₂-HfB₂）作為吸收層、Al₂O₃作為減反射層（圖1）。 

　　該材料經過低溫退火處理后，涂層的吸收率可提高到93.2%、發射率降低到8.9%，這是由于復合陶瓷層與減反射層之間形成了新的中間層，得到了一種具有三層光學梯度結構的太陽能吸收涂層，從而增強了涂層材料的光學性能。同時，該吸收涂層的吸收率對入射光角度不敏感，可在0-60°入射角范圍內實現高效的太陽能轉換，這對降低太陽能追蹤系統的運行成本具有重要意義。 

　　此外，低溫退火處理后的吸收涂層具有優異的熱穩定性（圖2）。在800 ℃真空條件下退火處理240 h，該吸收涂層反射譜圖沒有明顯變化，依然表現出良好的光學性能。該涂層在工作溫度800 ℃、光照強度100 suns時，太陽能的光熱轉化效率為68.6%。  

　　復合陶瓷（TiB₂-HfB₂）基太陽能選擇性吸收涂層具有良好的光熱轉化效率、優異的熱穩定性、結構簡單、易于制備等優點，有望推動該材料在不同溫度領域的太陽能光熱發展。相關研究成果以Reinforcement optical performance and thermal tolerance in a TiB₂-HfB₂-based double-layer spectral selective absorber via a pre-annealing strategy為題，發表在Materials Today Physics上。研究工作得到中科院青年創新促進會、中科院科技服務網絡計劃區域重點項目和甘肅省科技重大專項的支持。

圖1.復合陶瓷基太陽能選擇性吸收涂層的反射譜圖以及結構表征

圖2.太陽能選擇性吸收涂層的熱穩定性研究、光熱轉換效率對比及失效分析