CN114576873A - 一种彩色太阳能光热转换元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种彩色太阳能光热转换元件，包括基底及由下至上依次设置在基底上的基底、反射层、相位调制层、吸收层和减反射层。其中，反射层、相位调制层和吸收层构造了非对称的法布里‑珀罗腔结构，对近红外波段实现高效率的吸收。并能通过改变相位调制层的厚度，交替实现干涉相消或干涉相长以实现高吸收或高反射，同时调节相应可见波段的谐振波长以实现不同的显示颜色。另外，随着减反射层厚度的逐渐变化，光热器件的减反射波段逐渐偏移，从而实现变化的视觉色彩。本发明的光热转换元件在实现高效率的太阳能吸收的同时，还具备了色彩装饰的功能，能在光热转换、清洁能源、建筑装饰等方面广泛应用，为经济、社会发展、科学技术等领域作出贡献。

Description

一种彩色太阳能光热转换元件
技术领域
本发明属于清洁能源、室外装饰、建筑等技术领域，具体涉及一种彩色太阳能光热转换元件。
背景技术
太阳能作为各种可再生能源中最重要的基础能源，太阳能应用可以大量减少化石燃料的使用，在我们的生活中发挥着越来越重要的作用。光热转换是太阳能的一种高效而广泛的应用，它通过白天在室外加热介质将太阳能转化为热能。光热转换装置对太阳光的有效吸收是实现光热转换的关键。
传统的光热转换是利用集热体表面的光热转换涂层对入射的太阳辐射进行吸收，并将其转换为热能。国内之前应用较广的是中国专利CN85100142公开的渐变Al-N/Al涂层，该涂层的优点是采用一种靶材便能制备光热转换涂层。中国专利文献CN102620456A公开一种太阳能选择吸收薄膜及其制备方法，该薄膜主要包括依次沉积在具有红外反射功能的衬底上的扩散阻挡层、吸收层和减反射层。该薄膜具有较高的太阳光谱吸收率以及较低的红外发射率，较好的热稳定性和耐候性。中国专利文献CN101922816B公开一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，在吸热体基底表面自下而上依次为红外反射层，吸收层和减反射层。该涂层吸收率为≥0.93，发射率≤0.09，该涂层具有很好的热稳定性，可长期在600℃的真空环境下使用。
传统的光热转换元件都是在光热转换效率和环境稳定性上进行完善，很少有光热转换元件与色彩装饰进行结合。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种彩色太阳能光热转换元件，该光热转换元件不仅具有光热转换的功能，还具有色彩装饰的作用。该光热转换元件结构简单，制备方便，成本低，便于大规模、批量化生产。
一种彩色太阳能光热转换元件，包括基底，还包括由下至上依次设置在基底上的反射层、相位调制层和吸收层，太阳光由吸收层一侧入射。
上述光热转换元件结构中，反射层、相位调制层和吸收层构造了非对称的法布里-珀罗腔结构，对近红外波段实现高效率的吸收。并能通过改变相位调制层的厚度，可以交替地实现干涉相消或干涉相长以达到高吸收或高反射特性，同时调节相应可见波段的谐振波长以实现不同的显示颜色。
上述基底材料没有限制，可以选择玻璃，K9，熔融石英等等，也可以选择硅,砷化镓，金属及合金等。
作为优选，所述反射层为全介质反射层或金属反射层。
所述全介质反射层可以选择现有的全介质反射镜膜材料。
为大大提高带宽，作为进一步优选，所述反射层为金属反射层。
作为进一步优选方案，所述金属反射层材料为银、铝、金、铜、铂中的一种或多种的合金。更进一步优选为银。
作为优选，所述相位调制层材料选自氧化物、氮化物、氟化物、硫化物、硒化物中的一种或多种。
作为进一步优选，所述相位调制层材料选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铌、氮化硅、氟化镁、硫化锌、硒化锌中的一种或多种。更进一步优选为氧化硅。
作为优选，所述吸收层材料为铬、钛、铱、镍中的一种或多种的合金。作为进一步优选，所述吸收层材料为铬。
作为优选，所述反射层的厚度为50～1500nm。进一步优选为100～1000nm。更进一步优选为100～300nm。
作为优选，所述相位调制层的厚度为20～1000nm。进一步优选为50～300nm。更进一步优选为80～220nm。
作为优选，所述吸收层的厚度为4～50nm。进一步优选为8～40nm。更进一步优选为15～40nm。
为减少大的菲涅尔反射，作为优选，上述彩色太阳能光热转换元件还包括设于所述吸收层表面上的减反射层。减反射层用来减少金属吸收层引起的高反射从而增加器件(元件)对近红外波段的宽波段吸收。随着减反射层厚度的逐渐变化，光热器件(元件)的减反射波段逐渐偏移，从而实现变化的视觉色彩。
作为进一步优选，所述减反射层材料选自氧化物、氮化物、氟化物、硫化物、硒化物、碳化物中的一种或多种。
作为进一步优选，所述减反射层材料选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铌、氮化硅、氟化镁、硫化锌、硒化锌、碳化硅中的一种或多种。
当吸收层材料选用铬时，理想的减反射层材料为二氧化钛(氧化钛)，其折射率范围为2.25至2.5。
作为进一步优选，所述减反射层的厚度为20～1000nm。优选为50～500nm。进一步优选为80～250nm。
作为具有优选，一种彩色太阳能光热转换元件，包括由下至上依次设置的基底、反射层、相位调制层、吸收层和减反射层，太阳光由减反射层层一侧入射；
其中，基底材料为K9，反射层材料为银，相位调制层材料为氧化硅，吸收层材料为铬，减反射层材料为氧化钛。
本发明的彩色太阳能光热转换元件，以实现具有不同装饰颜色的太阳能-热转换特性。该装置结构简单，制备过程简便，成本低。因此本发明的太阳能光热转换元件有望在光热转换、清洁能源、建筑装饰等方面广泛应用，为我国国民经济、社会发展、科学技术等领域作出贡献。
本发明利用反射层、相位调制层和吸收层构造的非对称的法布里-珀罗腔结构，对近红外波段实现高效率的吸收。通过改变相位调制层的厚度，可以交替地实现干涉相消或干涉相长以达到高吸收或高反射特性，同时调节相应可见波段的谐振波长以实现不同的显示颜色。减反射层用来减少金属吸收层引起的高反射从而增加器件对近红外波段的宽波段吸收。随着减反射层厚度的逐渐增加，光热器件的减反射波段逐渐红移，同样也能实现变化的视觉色彩。总的来说，该结构不仅能实现可见光波段(400～700nm)部分吸收和部分反射以显示特定颜色，达到色彩装饰的作用；还能实现近红外波段(800～2500nm)平均吸收率～95％的高吸收，从而达到光热转换的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的一种彩色太阳能光热转换元件，相比于传统的光热转换元件，在保证高太阳能转换效率的同时，还具有了彩色装饰的功能。本发明的太阳能光热转换元件有望在光热转换、清洁能源、建筑装饰等方面广泛应用，为我国国民经济、社会发展、科学技术和国防建设等领域作出贡献。
附图说明
图1为本发明彩色太阳能光热转换元件结构示意图；其中，1--基板、2--反射层、3--相位调制层、4--吸收层、5--减反射层；
图2为本发明实施例1中制得的彩色太阳能光热转换元件的近红外吸收光谱图，其中基板为k9玻璃，膜系结构为银(100nm)|氧化硅(87nm)|铬(35nm)|氧化钛(100nm)；
图3为本发明实施例1中制得的彩色太阳能光热转换元件的可见反射光谱图，其中基板为k9玻璃，膜系结构为银(100nm)|氧化硅(87nm)|铬(35nm)|氧化钛(100nm)；
图4为本发明实施例2中制得的彩色太阳能光热转换元件在不同相位调制层厚度下近红外吸收光谱图，其中相位调制层采用二氧化硅材料，厚度变化区间为105～205nm，其他结构参数同图3结构；
图5为本发明实施例2中制得的彩色太阳能光热转换元件在不同相位调制层厚度下可见反射光谱图，其中相位调制层采用二氧化硅材料，厚度变化区间为105～205nm，其他结构参数同图3结构；
图6为本发明实施例3中制得的彩色太阳能光热转换元件在不同减反射层厚度下近红外吸收光谱图，其中减反射层采用二氧化钛材料，厚度变化区间为100～200nm，其他结构参数同图3结构；
图7为本发明实施例3中制得的彩色太阳能光热转换元件在不同减反射层厚度下可见反射光谱图，其中减反射层采用二氧化钛材料，厚度变化区间为100～200nm，其他结构参数同图3结构；
图8为本发明彩色太阳能光热转换元件具有不同减反射层厚度(厚度变化区间105～210nm)的样品实拍图；
图9显示了彩色太阳能光热转换元件不同减反射层厚度(厚度变化区间100～200nm)样品在CIE1931色品图上色坐标的分布；
图10为本发明实施例1中制得的彩色太阳能光热转换元件和涂有染料的塑料板在阳光下光热转换效果(升温)对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种彩色太阳能光热转换元件，由下至上依次包括基板1、反射层2、相位调制层3、吸收层4、减反射层5，光从减反射层入射。
基底1材料没有限制，可以选择玻璃，K9，熔融石英等，也可以选择硅，砷化镓，金属及合金等。金属反射层2材料可选用银、铝、金、铜、铂及其合金，优选为银。所述金属反射层厚度为50～1500nm，优选为100～1000nm，进一步优选为100～300nm。相位调制层材料3可以选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铌等氧化物、氮化硅等氮化物、氟化镁等氟化物、硫化锌等硫化物、硒化锌等硒化物及其混合物。作为进一步优选，所述相位调制层材料为氧化硅。所述相位调制层厚度为20～1000nm，进一步优选为50～300nm，进一步优选为80～220nm。金属吸收层4可以选择铬、钛、铱、镍以及上述材料的合金，本发明金属吸收层优选为铬，厚度为4～50nm，优选为8～40nm，进一步优选为15～40nm。减反射层5材料可选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铌等氧化物、氮化硅等氮化物、氟化镁等氟化物、硫化锌等硫化物、硒化锌等硒化物碳化硅及其化合混合物。对于常见的吸收金属铬，理想的减反射材料是二氧化钛，其折射率范围为2.25至2.5。所述减反射层厚度为20～1000nm，进一步优选为50～500nm，进一步优选为80～250nm。
实施例1
一种彩色太阳能光热转换元件，由下至上依次包括基板、反射层、相位调制层、吸收层、减反射层，光从减反射层入射。
其中，基底材料为K9玻璃；反射层材料为银，厚度为100nm；相位调制层材料为氧化硅，厚度为87nm；吸收层材料为铬，厚度为35nm；减反射层材料为氧化钛，厚度为100nm。
本实施例制备的彩色太阳能光热转换元件的近红外吸收光谱图如图2所示。由图2可以看到，近红外波段(800～2500nm)的光几乎全被吸收以实现光热转换，平均吸收率达到92％。本实例所对应的基板和膜层材料依次为k9玻璃、银、氧化硅、铬、氧化钛，各膜层所对应的膜层厚度分别为100nm(银)、87nm(氧化硅)、35nm(铬)、100nm(氧化钛)。
本实施例制备的彩色太阳能光热转换元件的可见反射光谱图如图3所示。由图3可以看到，可见光波段(400～700nm)的光被部分吸收和反射，勾勒出可见光波段的反射峰谷图形，从而显示特定的颜色。本实例所对应的基板和膜层材料依次为k9玻璃、银、氧化硅、铬、氧化钛，各膜层所对应的膜层厚度分别为100nm(银)、87nm(氧化硅)、35nm(铬)、100nm(氧化钛)。
实施例2：不同相位调制层厚度的彩色太阳能光热转换元件的制备
一种彩色太阳能光热转换元件，由下至上依次包括基板、反射层、相位调制层、吸收层、减反射层，光从减反射层入射。
其中，基底材料为K9玻璃；反射层材料为银，厚度为100nm；相位调制层材料为氧化硅，厚度分别为105nm、125nm、145nm、165nm、185nm以及205nm；吸收层材料为铬，厚度为35nm；减反射层材料为氧化钛，厚度为100nm。
本实施例制得的彩色太阳能光热转换元件在不同相位调制层厚度下的近红外吸收光谱图如图4所示。由图4可以看到，近红外波段(800～2500nm)的光都有高(>80％)吸收，保证了太阳能的有效收集。其中，相位调制层材料是二氧化硅(氧化硅)，厚度分别为105nm、125nm、145nm、165nm、185nm以及205nm。
本实施例制得的彩色太阳能光热转换元件在不同相位调制层厚度下的可见反射光谱图如图5所示。由图5可以看到，可见光波段(400～700nm)的光被部分反射，显示出特定的颜色。随着相位调制层厚度的增加，峰值反射波长向长波方向偏移，从而实现反射颜色的可控变化，以达到色彩装饰的作用。其中，相位调制层材料是二氧化硅(氧化硅)，厚度分别为105nm、125nm、145nm、165nm、185nm以及205nm。
实施例3：不同减反射层厚度的彩色太阳能光热转换元件的制备
一种彩色太阳能光热转换元件，由下至上依次包括基板、反射层、相位调制层、吸收层、减反射层，光从减反射层入射。
其中，基底材料为K9玻璃；反射层材料为银，厚度为100nm；相位调制层材料为氧化硅，厚度为87nm；吸收层材料为铬，厚度为35nm；减反射层材料为氧化钛，厚度分别为100nm、120nm、140nm、160nm、180nm及200nm。
本实施例中制得的彩色太阳能光热转换元件在不同减反射层厚度下的近红外吸收光谱图如图6所示。由图6可以看到，近红外波段(800～2500nm)的光都有高(>80％)吸收，保证了太阳能的有效收集。其中，减反射层材料是二氧化钛(氧化钛)，厚度变化区间为100～200nm。
本实施例中制得的彩色太阳能光热转换元件在不同减反射层厚度下的可见反射光谱图如图7所示。由图7可以看到，可见光波段(400～700nm)的光被部分反射，显示出特定的颜色。随着减反射层厚度的增加，谷值反射波长向长波方向偏移，从而实现反射颜色的可控变化，以达到色彩装饰的作用。其中，减反射层材料是二氧化钛(氧化钛)，厚度变化区间为100～200nm。
图8显示了彩色太阳能光热转换元件不同减反射层厚度(厚度变化区间105～210nm)样品实拍图。图8中，七种光热转换元件的颜色从左至右依次为银色、黄色、橙色、粉色、紫色、蓝色和淡蓝色，呈现了不同的视觉色彩。
图9显示了彩色太阳能光热转换元件不同减反射层厚度(厚度变化区间100～200nm)样品在CIE1931色品图上色坐标的分布。可以看到，随着最外减反射层厚度的变化，色坐标逐渐移动，遍及较大的色域，因此能呈现较多的颜色显示效果。
上述实际制备的光热转换元件证实了本发明彩色太阳能光热转换元件的色彩装饰作用，可以通过结构参数的不同组合生成不同的视觉色彩。
光热转换性能测试
实施例1中制得的彩色太阳能光热转换元件和涂有染料的塑料板在阳光下光热转换效果(升温)对比图如图10所示。由图10可以看到，在相同的光照条件下，实施例1中制得的彩色太阳能光热转换元件与传统的吸收涂层平均温差在12℃，前者具有更高的光热转换效率。
因此，综上实验证明，本发明的彩色太阳能光热转换元件不仅能实现丰富的色彩显示，还能展现高效的光热转换功能。

Claims (10)

1.一种彩色太阳能光热转换元件，包括基板，其特征在于，还包括由下至上依次设置在基板上的反射层、相位调制层和吸收层，太阳光由吸收层一侧入射。
2.根据权利要求1所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述反射层为全介质反射层或金属反射层；
所述相位调制层材料选自氧化物、氮化物、氟化物、硫化物、硒化物中的一种或多种；
所述吸收层材料为铬、钛、铱、镍中的一种或多种的合金。
3.根据权利要求2所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述金属反射层材料为银、铝、金、铜、铂中的一种或多种的合金。
4.根据权利要求2所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述相位调制层材料选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铌、氮化硅、氟化镁、硫化锌、硒化锌中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述反射层的厚度为50～1500nm。
6.根据权利要求1所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述相位调制层的厚度为20～1000nm。
7.根据权利要求1所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述吸收层的厚度为4～50nm。
8.根据权利要求1所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，还包括设于所述吸收层表面的减反射层。
9.根据权利要求8所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述减反射层材料选自氧化物、氮化物、氟化物、硫化物、硒化物、碳化物中的一种或多种；
所述减反射层的厚度为20～1000nm。
10.根据权利要求9所述的彩色太阳能光热转换元件，其特征在于，所述减反射层材料选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化铌、氮化硅、氟化镁、硫化锌、硒化锌、碳化硅中的一种或多种。
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