不锈钢表面形貌对AlN/AlN-Cr/Cu涂层光热性能的影响及优化策略

本文主要探讨了不锈钢衬底表面形貌对AlN/AlN-Cr/Cu太阳能选择性吸收涂层光热性能的影响。研究者采用了数值仿真计算和实验相结合的方法来深入分析这一问题。首先，在数值仿真部分，构建了一维三角形光栅结构模型，通过严格的耦合波分析（RCWA）技术，研究了光栅深度T_z（垂直于衬底表面的深度）和周期T_x（水平方向的周期）对涂层太阳吸收比α（定义为涂层吸收的太阳辐射能量与入射能量的比例）和400℃热发射比ε（涂层在特定温度下的红外发射能力）的影响。这种方法允许精确模拟复杂表面的光学特性，并揭示了表面粗糙度对光热转换性能的潜在影响。 实验部分则更进一步，通过制备具有不同深度和间隔起伏的不锈钢衬底，这些衬底被磁控溅射法用于沉积具有相同结构参数的AlN/AlN-Cr/Cu太阳能选择性吸收涂层。实验数据的采集和分析提供了关于实际应用中的涂层性能与衬底形貌关系的直观证据。结果显示，尽管涂层的太阳吸收比α对衬底表面起伏的敏感度较低，但400℃的热发射比ε却显著受到衬底表面粗糙度的增加而提升。这意味着，当表面形貌恶化时，涂层的热能转换效率会下降。 根据研究发现，为了维持AlN/AlN-Cr/Cu太阳能选择性吸收涂层的有效光热转化，建议不锈钢衬底表面的起伏应控制在深宽比T_z/T_x小于或等于1/20，且深度T_z不应超过0.2微米。这样的控制可以最小化对涂层性能的负面影响，确保在实际应用中的高效光热转换性能。 本文的研究对于优化太阳能选择性吸收涂层的设计和制造过程具有重要的指导意义，尤其是在考虑材料表面处理和结构优化时，应充分考虑衬底形貌对涂层性能的潜在影响，以提高太阳能设备的整体效能。