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CN103946645B - 太阳光-热转换构件、太阳光-热转换装置和太阳热发电装置 - Google Patents

太阳光-热转换构件、太阳光-热转换装置和太阳热发电装置 Download PDF

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CN103946645B CN201280055745.7A CN201280055745A CN103946645B CN 103946645 B CN103946645 B CN 103946645B CN 201280055745 A CN201280055745 A CN 201280055745A CN 103946645 B CN103946645 B CN 103946645B
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Abstract

本发明提供了一种太阳光‑热转换构件，其包含β‑FeSiz相材料。所述太阳光‑热转换构件对数百nm波长下的可见光表现出高吸光率而对数千nm波长下的红外光表现出低吸光率，因此高效地吸收数百nm波长下的可见光并将其转换为热并且因在数百℃的温度下的热发射所致的热辐射很小。所述太阳光‑热转换构件因此可高效地吸收太阳光和提供热并可防止因热发射所致的热辐射。

Description

太阳光-热转换构件、太阳光-热转换装置和太阳热发电装置
技术领域
本发明涉及太阳光-热转换构件、太阳光-热转换装置和太阳热发电装置。
背景技术
常规的太阳热发电装置将太阳光转换为热并使用该热来发电。在这些装置中，太阳光在集光部集中并使用该经集中的太阳光来加热容器或流动通道中的热介质(油、溶解盐、熔融钠等)。
已对涂布容器或流动通道的表面以用该涂层来促进经集中的太阳光的吸收和抑制因从容器或流动通道向外部的热发射所致的热辐射进行了研究(2002年7月，NREL/TP-520-31267，“Review of Mid-to High-Temperature Solar Selective AbsorberMaterials”，C.E.Kennedy(下文称为Kennedy))。
关于这点，如图1中所示，太阳光谱(大约5500℃的黑体辐射温度下的热发射谱)延伸居中于数百nm波长下的可见光区。另一方面，在为太阳光-热转换装置中易于获得温度的数百℃(例如，大约580℃)下的热发射谱延伸居中于数千nm波长下的红外区。因此，在太阳光-热转换装置中获得的温度下的热发射谱的范围偏离太阳光谱的范围。
在特定温度下热发射的辐射率与对应于该温度的热发射谱中的光的吸光率相对应。因此，归因于数百℃的温度下的热发射的低热辐射意味着对应于数百℃的温度的热发射谱中的光的吸光率小，即，对数千nm波长下的红外光的吸光率小。
因此，对太阳光表现出高吸光率和由在数百℃的温度下的热发射所致的低热辐射的涂层可以说是这样一种涂层，其对数百nm波长下的可见光的吸光率大而对数千nm波长下的红外光的吸光率小。这样的涂层可有利地用来促进经集中的太阳光的吸收并抑制从容器或流动通道向外部的因热发射所致的热辐射。
Kennedy列出了用于此类涂层的材料并具体给出了W、MoO3-掺杂的Mo、B-掺杂的Si、CaF2、HfC、ZrB2、SnO2、In2O3、Eu2O3、ReO3、V2O5、LaB6等。
除了用于此类涂层的材料自身的选择外，还常规上优化涂层的层结构。
例如Kennedy和WO02/103257中明确描述了涂层结构。这些文件还提出，可利用因在多个具有不同折射率的层叠的层的界面处的反射所致的干涉来提供对数百nm波长下的可见光表现出高吸光率而对数千nm波长下的红外光表现出低吸光率的涂层。这里，Kennedy描述了例如金属层如Mo、Ag、Cu和Ni与介电层如Al2O3、SiO2、CeO2和ZnS的层叠体的使用。
发明内容
本发明提供了新型太阳光-热转换构件。本发明还提供了太阳光-热转换装置和包括该太阳光-热转换构件的太阳热发电装置。
本发明人发现，β-FeSi2相材料适用于太阳光-热转换构件并因此实现下述发明。
本发明的第一方面涉及一种包含β-FeSi2相材料的太阳光-热转换构件。
该β-FeSi2相材料在太阳光-热转换构件中的比例可为至少95体积％。由β-FeSi2相材料制成的颗粒可分散在无机材料的基质中。所述太阳光-热转换构件可为膜。膜厚度可为1nm至10μm。
本发明的第二方面涉及一种太阳光-热转换层叠体，其中由前述太阳光-热转换构件形成的第一层和由无机材料形成的第二层是层叠的。
所述第二层可包括由氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物或氧碳氮化物形成的陶瓷层。所述太阳光-热转换层叠体的最外层可为该陶瓷层。该第二层可包括金属层并且该金属层、所述陶瓷层和所述第一层可以此顺序层叠。第二层可包括金属层；所述陶瓷层可包括第一陶瓷层和第二陶瓷层；并且该金属层、所述第一陶瓷层、所述第一层和所述第二陶瓷层可以此顺序层叠。所述第二陶瓷层可为最外层。这里，所述太阳光-热转换层叠体可包括除了所述金属层、第一陶瓷层、第一层和第二陶瓷层之外的层。例如，所述太阳光-热转换层叠体可在所述第一层和所述第二陶瓷层之间包含不同于所述第一层并且含有太阳光-热转换构件的层以及含有氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物或氧碳氮化物的第三陶瓷层。前述金属层可直接层叠在基材上或以其间插入另一层的方式层叠在基材上。所述金属层可为钼层并且所述陶瓷层可为SiO2层。
本发明的第三方面涉及一种太阳光-热转换装置，其具有由上述太阳光-热转换构件形成的第一层或上述太阳光-热转换层叠体。所述太阳光-热转换装置包括集光部、热介质以及用于所述热介质的容器和/或流动通道。优选地，上述第一层或太阳光-热转换层叠体设置在所述容器和/或流动通道的表面上；所述热介质保持在所述容器和/或流动通道内；在集光部中光集中在所述容器和/或流动通道上；和在所述容器和/或流动通道内的热介质被经集中的光加热。
所述热介质可被加热到300℃至900℃的温度。所述太阳光-热转换装置可为抛物面碟型、太阳塔型、抛物面槽型、菲涅耳型或线性菲涅耳型。
本发明的第四方面涉及一种太阳热发电装置，其包括上述太阳光-热转换装置和发电机。在此太阳热发电装置中，所述容器和/或流动通道中的热介质被所述太阳光-热转换装置加热，并且利用经加热的热介质的热能由发电机产生电力。
本发明的第五方面涉及一种制造太阳光-热转换构件的方法，其中通过在至少300℃的基材温度下的物理气相沉积(PVD)来获得上述β-FeSi2相材料。可将FeSi2相材料加热到至少300℃的温度以使FeSi2相转化为β-FeSi2相。
本发明的第六方面涉及β-FeSi2相材料作为太阳光-热转换构件的用途。
本发明的新型太阳光-热转换构件对数百nm波长下的可见光具有高吸光率并且还对数千nm波长下的红外光具有低吸光率。因此，数百nm波长下的可见光被高效地吸收并转换为热，而几乎没有因在数百℃的温度下的热发射所致的热辐射。相应地，本发明的新型太阳光-热转换构件可通过高效地吸收太阳光而产生热并且可抑制因热发射所致的热辐射。
附图说明
本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性将在下文结合附图描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素，且其中：
图1为示出了太阳光谱(大约5500℃的黑体辐射温度下的热发射谱)与大约580℃下的热发射谱之间的关系的图，所述大约580℃为太阳光-热转换装置中易于获得的温度；
图2A为示出了在600℃和室温(24℃)的基材温度下产生的Mo膜的透射和反射率谱图的图，图2B为示出了实施例1中在600℃和室温(24℃)的基材温度下产生的Mo膜的吸光率谱图的图；
图3A为示出了实施例1中在600℃和室温(24℃)的基材温度下产生的FeSi2膜的透射和反射率谱图的图，图3B为示出了实施例1中在600℃和室温(24℃)的基材温度下产生的FeSi2膜的吸光率谱图的图；
图4为示出了实施例1中在600℃和室温(24℃)的基材温度下产生的FeSi2膜的X-射线衍射分析结果的图；
图5A为示出了实施例2中通过计算获得的层叠体1-1至1-3的反射率谱图的图，图5B为示出了实施例2中通过计算获得的层叠体1-3和1-4的反射率谱图的图；
图6A为示出了实施例3中获得的层叠体的结构的图，图6B为示出了实施例3中获得的层叠体的反射率谱图的图；
图7A为示出了实施例4中获得的层叠体的结构的图，图7B为给出了用扫描电子显微镜(SEM)对实施例4中获得的层叠体的截面拍摄的照片的图；
图8A为示出了太阳光谱与大约580℃下的热发射谱之间的关系的图，图8B为示出了实施例4中获得的层叠体的反射率谱图的图；
图9A和图9B为示出了实施例5中获得的FeSi2-SiO2复合材料膜和Mo-SiO2复合材料膜的透射和反射率谱图的图；
图10为示出了实施例5中获得的FeSi2-SiO2复合材料膜和Mo-SiO2复合材料膜的吸光率谱图的图；
图11A为示出了实施例6中获得的层叠体的结构的图，图11B为给出了用SEM对实施例6中获得的层叠体的截面拍摄的照片的图；
图12A为示出了太阳光谱与大约580℃下的热发射谱之间的关系的图，图12B为示出了实施例6中获得的层叠体的反射率谱图的图；
图13A为示出了实施例7中获得的层叠体的结构的图，图13B为给出了用SEM对实施例7中获得的层叠体的截面拍摄的照片的图；
图14A为示出了太阳光谱与大约580℃下的热发射谱之间的关系的图，图14B为示出了实施例7中获得的层叠体的反射率谱图的图；
图15为太阳热发电装置的示意图；和
图16为集光部与发电机之间的热介质循环路径的示意图。
具体实施方式
(太阳光-热转换构件)
本发明的一个实施方案中的太阳光-热转换构件包含β-FeSi2相材料。
本发明人确定，β-FeSi2相材料的光学特性包括对数百nm波长下的可见光的大吸光率和对数千nm波长下的红外光的小吸光率。相应地，包含这样的β-FeSi2相材料的本实施方案的太阳光-热转换构件可有效地吸收太阳光并将其转换为热并可抑制因热发射所致的热辐射。
与该实施方案相关的β-FeSi2相材料指其中所含的Fe和Si中的至少一部分形成β-FeSi2相的材料以及基本上由β-FeSi2相构成的材料。更特别地，关于该实施方案，β-FeSi2相材料指其中所含的Fe和Si形成β-FeSi2相至在通过X-射线衍射分析进行分析时将识别出β-FeSi2相的存在的程度的材料。
<太阳光-热转换构件(组成)>
本实施方案的太阳光-热转换构件可以以任何比例包含β-FeSi2相材料并且例如可以至少10体积％、至少20体积％、至少30体积％、至少40体积％、至少50体积％、至少60体积％、至少70体积％、至少80体积％、至少90体积％或至少95体积％的比例包含β-FeSi2相材料。另外，该比例可例如为小于100体积％、不大于95体积％、不大于90体积％、不大于80体积％、不大于70体积％、不大于60体积％、不大于50体积％、不大于40体积％或不大于30体积％。
本实施方案的太阳光-热转换构件可基本上仅由β-FeSi2相材料构成。另外，β-FeSi2相材料的比例可为至少80体积％、至少90体积％或至少95体积％。
本实施方案的太阳光-热转换构件也可为β-FeSi2相材料与另一材料的复合材料。
具体而言，例如，本实施方案的太阳光-热转换构件中的β-FeSi2相材料可为微粒并且β-FeSi2相材料的颗粒可分散在无机材料的基质中。
在这种情况下，可通过充当基质的无机材料来防止β-FeSi2相材料与另一材料之间的反应。另外，在这种情况下，可使用充当基质的无机材料来调节本实施方案的太阳光-热转换构件的折射率。
可使用可分散并保持β-FeSi2相材料颗粒的任何材料作为充当基质的无机材料，具体地说，可使用金属和半金属的氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物和氧碳氮化物，例如二氧化硅(SiO2)。
<太阳光-热转换构件(形式)>
原则上，本实施方案的太阳光-热转换构件可以以任何形式例如以膜、圆筒或板的形式来使用，特别是可以以膜的形式来使用。
当使用膜形式的太阳光-热转换构件时，其膜厚度可为至少1nm、至少5nm、至少10nm、至少20nm或至少30nm。另外，该膜厚度可不大于10μm、不大于5μm、不大于1μm或不大于500nm。
<太阳光-热转换构件(制造方法)>
本实施方案的太阳光-热转换构件可通过任意方法获得。用于本实施方案的太阳光-热转换构件的β-FeSi2相材料本身是可得的。例如，已考虑将其用作半导体材料(日本专利申请公开第10-153704号(JP10-153704A))及用于光学装置如光盘、照相机和激光打印机中的光吸收元件的光吸收层(日本专利申请公开第2004-303868号(JP-2004-303868A))。因此，关于β-FeSi2相材料的制备，可参考这些领域中的技术。
本实施方案的太阳光-热转换构件中的β-FeSi2相材料可例如通过在至少300℃、至少400℃或至少500℃的基材温度下的物理气相沉积(PVD)、特别是通过溅射获得。对于形成β-FeSi2相来说，这里优选较高的基材温度。另外，基材温度可例如不大于1000℃、不大于900℃、不大于800℃或不大于700℃。
本实施方案的太阳光-热转换构件中的β-FeSi2相材料也可通过如下方法获得，所述方法包括将FeSi2相材料例如沉积于基材上的FeSi2相材料膜加热到至少300℃、至少400℃或至少500℃的温度以将FeSi2相转化为β-FeSi2相。
(太阳光-热转换层叠体)
本实施方案的太阳光-热转换层叠体具有与无机材料的单个层或多个层层叠的本实施方案的膜形式太阳光-热转换构件的单个层或多个层。
当使用本实施方案的太阳光-热转换构件的两个层或更多层时，太阳光-热转换构件层的性质、特别是光学性质如折射率可例如通过改变太阳光-热转换构件中存在的β-FeSi2相材料的比例或通过改变与β-FeSi2相材料组合的太阳光-热转换构件中存在的材料来调节。
采用本实施方案的这类太阳光-热转换层叠体，对数百nm波长下的可见光的吸光率可通过利用构成太阳光-热转换层叠体的不同层之间的干涉来进一步提高。具体而言，可使得在两个不同的层的表面处反射的光的光程差为可见光波长(例如，550nm)的n+1/2倍(当相位因来自两个层的每个表面的反射而偏移(shift)1/2波长时或当相位未因来自两个层的每个表面的反射而偏移时)或可见光波长(例如，550nm)的n倍(当相位仅因来自一个层的表面的反射而偏移1/2波长时)(n为0或正整数)。
在这种情况下，可通过使光程差不为红外光波长(数千nm波长)的n+1/2倍或n倍来避免红外光干涉的发生。
在本实施方案的太阳光-热转换层叠体中，可使用单层或多层无机材料来抑制β-FeSi2相材料与其它材料之间的反应。
可用于该单层或多层无机材料的无机材料可依照预期用途自由地选择，具体地说，可使用金属或半金属的氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物或氧碳氮化物。
通过以所示顺序将金属层；氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物或氧碳氮化物层；和太阳光-热转换构件的层直接层叠在基材上或以其间插入另一层的方式层叠在基材上，可获得因金属层产生的光学性质例如光反射、吸收等所致的效应，同时防止金属层与β-FeSi2相材料之间的反应。这里提及的金属层可为例如钼(Mo)层、钨(W)层、银(Ag)层、金(Au)层或铜(Cu)层，特别是钼(Mo)层。对于所述氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物或氧碳氮化物层，可使用二氧化硅(SiO2)层。所述基材可为例如钢如不锈钢(SUS)。所述另一层可为例如氧化物如SiO2和Al2O3。钢与金属层之间的反应通过由氧化物形成的所述另一层而防止。因此，将抑制太阳光-热转换层叠体的性能下降和腐蚀降解。
(太阳光-热转换装置)
本实施方案的太阳光-热转换装置具有本实施方案的太阳光-热转换层叠体或本实施方案的太阳光-热转换构件的层、集光部、热介质和用于所述热介质的容器和/或流动通道。所述太阳光-热转换构件层或太阳光-热转换层叠体涂布在该容器和/或流动通道的表面上；热介质保持在容器和/或流动通道内；在集光部中太阳光集中在容器和/或流动通道上；容器和/或流动通道中的热介质被经集中的太阳光加热。
本实施方案的太阳光-热转换构件层或本实施方案的太阳光-热转换层叠体可高效地吸收太阳光并将其转换为热并且可在抑制因从经加热的容器和/或流动通道的热发射所致的热辐射的同时这样做。相应地，本实施方案的太阳光-热转换装置可用太阳光高效地加热热介质。
可使用本实施方案的太阳光-热转换装置将热介质加热到至少300℃、至少400℃或至少500℃。该热介质的加热温度可例如不大于1100℃、不大于1000℃、不大于900℃、不大于800℃或不大于700℃。
本实施方案的太阳光-热转换装置使用的集光部可为任何类型的集光部并且可例如为抛物面碟型、太阳塔型、抛物面槽型、菲涅耳型或线性菲涅耳型。
本实施方案的太阳光-热转换装置使用的容器和/或流动通道可为能够保持热介质的任何容器和/或流动通道。例如，对于该流动通道，可使用管，并且热介质可流过它。
(太阳热发电装置)
本实施方案的太阳热发电装置具有本实施方案的太阳光-热转换装置和发电机；其使用太阳光-热转换装置加热容器和/或流动通道中的热介质并通过利用经加热的热介质的热能在发电机处产生电力。
本实施方案的太阳光-热转换装置可使用太阳光高效地加热热介质。本实施方案的太阳热发电装置可利用太阳热高效地发电。
采用本实施方案的太阳热发电装置的发电机，可使用任何机制来产生电力。相应地，例如，可通过用经加热的热介质来使蒸发介质如水或氨蒸发并使用该蒸气来使发电机的氨/蒸汽轮机转动而产生电力。
在实施例1至4中，与基本上由Mo构成的Mo单相膜和具有该单相膜的层叠体相比较来评价基本上由β-FeSi2相材料构成的β-FeSi2单相膜和具有该单相膜的层叠体。在实施例5至7中，与含有Mo和SiO2的Mo-SiO2复合材料膜和含有该复合材料膜的层叠体相比较来评价含有β-FeSi2相材料和SiO2的β-FeSi2-SiO2复合材料膜和含有该复合材料膜的层叠体。
实施例1
Mo膜和FeSi2膜的光学性质测定
通过溅射各自形成Mo膜和FeSi2膜并评价这些膜的透射、反射和吸光率谱图。具体而言，形成Mo膜和FeSi2膜并且如下进行评价。
(Mo膜和FeSi2膜的形成)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度为600℃或室温(24℃)。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。分别使用Mo金属和β-FeSi2作为靶。使用直流(DC)电源在50W的溅射功率下产生等离子体。两种情况下成膜时间均为30分钟。
对于Mo膜，所得膜厚度为大约160nm，对于FeSi2膜，所得膜厚度为大约90nm。
(评价)
评价在600℃和室温(24℃)的基材温度下形成的Mo膜和FeSi2膜的透射率、反射率和吸光率谱图。对Mo膜的评价结果示于图2A和2B中，对β-FeSi2膜的评价结果示于图3A和3B中。
图2B和图3B中针对吸光率的曲线图从图2A和图3A中针对透射率和反射率曲线图基于以下关系确定。
(吸光率(％))＝100％-(透射率(％))-(反射率(％))
从图2A和2B以及图3A和3B很明显，当在室温下进行成膜时，Mo膜和FeSi2膜之间在透射率、反射率和吸光率方面不存在大的差异。
与此形成对照，并且从图2A和2B以及图3A和3B很明显，当在600℃下进行成膜时，Mo膜和FeSi2膜之间在透射率、反射率和吸光率方面出现大的差异。
具体而言，在针对在600℃下形成的FeSi2膜的吸光率谱图中，在靠近可见光波长的波长中观察到高的吸光率而在靠近1200nm的波长中吸光率急剧下降并且在近红外区中观察到相当低的吸光率。即，表明在600℃下形成的FeSi2膜高效地吸收数百nm波长下的可见光并将其转换为热并且表现出很小的因在数百℃的温度下的热发射所致的热辐射。
图4中示出了在600℃和室温下形成的FeSi2膜的X-射线衍射分析(薄膜法(θ＝1.5°))的结果。从该图4可了解，在600℃下形成的FeSi2的膜为β-相FeSi2的膜而在室温(24℃)下形成的FeSi2的膜为非晶FeSi2的膜。
因此，这些结果证实，β-FeSi2膜——而非非晶FeSi2膜——在太阳光-热转换方面具有优选的性质并且通过在高温下溅射获得了β-FeSi2膜。
实施例2
含有β-FeSi2层的层叠体的光学性质研究
基于各个层的光学常数通过计算确定下面示出的层叠体1-1至1-4的反射率谱图。
表1
图5A中示出了针对层叠体1-1至1-3计算的反射率谱图。图5B中示出了针对层叠体1-3和1-4计算的反射率谱图。
如从图5A可了解，与使用Mo层作为光吸收层的层叠体1-1和1-2(对比例)相比，使用β-FeSi2层作为光吸收层的层叠体1-3(本实施方案)在波长为数百nm的近红外到可见光区中具有较小的反射率而在约1100nm下经历反射率急剧增大以在数千nm波长下的红外区中达到更大的反射率。
这里，对于不透明材料，即透射率为0％的材料，因为吸光率和反射率具有下面示出的关系，因而在图5A和5B中，高反射率意味着低吸光率，并且低反射率意味着高吸光率。
吸光率(％)＝100％-(反射率(％))
相应地，如从图5A可了解，与使用Mo层作为光吸收层的层叠体1-1和1-2(对比例)相比，使用β-FeSi2层作为光吸收层的层叠体1-3(本实施方案)在波长为数百nm的近红外到可见光区中具有较大的吸光率而在约1100nm下经历吸光率急剧下降以在数千nm波长下的红外区中达到更小的吸光率。因此，图5A和5B证实，使用β-FeSi2层作为光吸收层的层叠体1-3(本实施方案)高效地吸收可见光并将其转换为热并且表现出很小的因在数百℃的温度下的热发射所致的热辐射。
图5B给出了使用一个β-FeSi2层作为光吸收层的层叠体1-3(本实施方案)和使用两个β-FeSi2层作为光吸收层的层叠体1-4(本实施方案)的反射率谱图。图5B证实，通过使用两个β-FeSi2层作为吸收层，吸光率急剧下降的波长可从靠近1100nm的波长向靠近1500nm的波长偏移。这种吸光率急剧下降的波长向靠近1500nm的波长的偏移可在近红外区中提供大的吸光率并可因此进一步增大对太阳光的吸光率。
实施例3
其中β-FeSi2膜直接层叠在Mo膜上的结构所具有的问题
如下所示进行来获得其中Mo膜直接层叠在基材上并且β-FeSi2层直接层叠在该Mo膜上的层叠体。如此，获得具有图6中所示结构的层叠体。
(层叠体制造)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度为600℃。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。
针对Mo靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间为19分钟，这提供大约100nm的Mo膜厚度。
其后，针对β-FeSi2靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间为10分钟，这在Mo膜上提供大约30nm厚度的β-FeSi2膜。
(评价)
对如上所述获得的层叠体，即具有图6A中所示的结构的层叠体，测量反射率谱图并在图6B中由“测量值”示出。
连同该反射率谱图的测量值，图6B还针对其中在β-FeSi2膜与Mo膜之间不发生反应的情况的层叠体(β-FeSi2：30nm，Mo：100nm)和针对其中由β-FeSi2膜与Mo膜之间的部分反应产生了Mo3Si膜的情况的层叠体(β-FeSi2：15nm，Mo3Si：40nm，Mo：80nm)提供了反射率谱图的计算值。
如图6B所证实，反射率谱图的测量值比针对其中在β-FeSi2膜与Mo膜之间不发生反应的情况的层叠体(β-FeSi2：30nm，Mo：100nm)计算的反射率谱图更接近于针对其中由β-FeSi2膜与Mo膜之间的部分反应产生了Mo3Si膜的情况的层叠体(β-FeSi2：15nm，Mo3Si：40nm，Mo：80nm)计算的反射率谱图。即，图6B证实，当β-FeSi2膜直接层叠在Mo膜上时由β-FeSi2膜与Mo膜之间的部分反应产生了Mo3Si膜。
因此，这些结果证实，优选在Mo膜与β-FeSi2膜之间提供抑制Mo膜与β-FeSi2膜之间的反应的阻挡膜，例如，无机膜如SiO2层。
实施例4
具有β-FeSi2膜和Mo膜的层叠体的光学性质研究
通过溅射制造具有图7A中所示结构的层叠体并评价该膜的反射率谱图。具体而言，如下所述制造和评价具有β-FeSi2膜和Mo膜的层叠体。
(Mo膜和β-FeSi2膜的制备)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度为600℃。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。
在形成Mo膜时，针对Mo靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。在形成SiO2膜时，针对SiO2靶使用高频电流(RF)电源在200W的溅射功率下产生等离子体。在形成β-FeSi2膜时，针对β-FeSi2靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。调节成膜时间以获得图7A和7B及表2中所示的各个层厚度。
表2
使用SEM观察所得层叠体的截面结构，作为其结果，发现每个层的膜厚度接近预期值并且每个层具有平整的表面。
(评价)
评价所得层叠体的反射率谱图。该评价的结果与太阳光谱和580℃下的热发射谱一起示于图8A和8B中。
如图8A和8B中所示，该层叠体在300至1400nm波长下的可见光至近红外区中具有不大于10％的低反射率。另外，该层叠体的反射率在高于1400nm的较长波长侧上急剧升高并因此该层叠体在3000nm以上的波长下具有至少90％的反射率。由于该层叠体的透射率在这些波长范围中大致为零，因而吸光率由下式给出：(吸光率(％)＝100％-(反射率(％))。
相应地，图8A和8B证实，该层叠体在可见光至近红外区中具有高吸光率并在对应于数百℃的温度(例如，580℃)下的热发射的长波长区中具有低吸光率。在对应于数百℃的温度下的热发射的长波长区中低的吸光率意味着在这些温度下的辐射率低。即，图8A和8B证实，该层叠体高效地吸收数百nm波长下的可见光并将其转换为热并且表现出很小的因在数百℃的温度下的热发射所致的热辐射。
在从图8A和8B中的反射率谱图确定指示对太阳光的吸收性能的吸光率α时，获得89.6％的值，而在从图8A和8B中的反射率谱图确定以发出的热指示损失性能的辐射率ε(580℃)时，获得6.62％的值。从该α和ε计算得出，580℃下的光热转换效率为80.0％。
结合本实施方案提及的指示对太阳光的吸收性能的吸光率α、以发射的热指示损失性能的辐射率ε(580℃)以及光热转换效率η将在下文描述。
(指示对太阳光的吸收性能的吸光率α)
吸光率α指JIS R3106中定义的太阳光吸光率并使用下面公式作为加权平均值确定，其中用光谱吸光率α(λ)乘以基于太阳光谱分布的加权因子Eλ·λΔ。
α(λ)：光谱吸光率E
λ：直接太阳辐射相对值的标准光谱分布Eλ·λ
Δ：加权因子(JIS R3106)
(以发射的热指示损失性能的辐射率ε(580℃))
发射率ε(580℃)使用下面公式作为加权平均值计算，其中用光谱吸光率α(λ)乘以基于普朗克公式的580℃下的发射光谱B580℃(λ)。
α(λ)：光谱吸光率E
c：光速
h：普朗克常数
k：玻尔兹曼常数
T：绝对温度(580℃＝853K)
(光热转换效率η)
光热转换效率η使用下面公式确定，该式在上面的文件Kennedy中定义，吸光率α和辐射率ε同上面所述。
σ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数
T：绝对温度
C：光集中度
I：太阳辐射强度(AM1.5)
实施例5
通过溅射形成以下膜并评价它们的透射率、反射率和吸光率谱图：其中β-FeSi2分散在SiO2基质中的β-FeSi2-SiO2复合材料膜(陶瓷半导体(cersemi)膜(陶瓷+半导体＝陶瓷半导体))和其中Mo分散在SiO2基质中的Mo-SiO2复合材料膜(陶瓷金属(cermet)膜(陶瓷+金属＝陶瓷金属))。具体而言，如下所述制造和评价这些复合材料膜。
(β-FeSi2-SiO2复合材料膜的形成和评价)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度为600℃。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。
使用β-FeSi2靶和SiO2靶作为靶。针对β-FeSi2靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。针对SiO2靶使用RF电源在100W的溅射功率下产生等离子体。
成膜时间设定为20分钟，从而提供厚度大约100nm的β-FeSi2-SiO2复合材料膜。
根据X-射线光电子能谱(XPS)的结果，β-FeSi2在β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例为61体积％。另外，β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的β-FeSi2纳米颗粒未与SiO2基质的硅反应，也未发生氧化，因此保留β-FeSi2状态。
图9A中给出了所得β-FeSi2-SiO2复合材料膜的透射率和反射率谱图。图10中给出了该复合材料膜的吸光率谱图。图10中的吸光率谱图从图9A中的透射率和反射率谱图基于以下关系确定：
(吸光率(％))＝100％-(透射率(％))-(反射率(％))
(Mo-SiO2复合材料膜的形成和评价)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度为600℃。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。
使用Mo靶和SiO2靶作为靶。针对Mo靶使用DC电源在20W的溅射功率下产生等离子体。针对SiO2靶使用RF电源在200W的溅射功率下产生等离子体。
成膜时间设定为18分钟，从而提供厚度大约80nm的Mo-SiO2复合材料膜。
根据XPS的结果，Mo在Mo-SiO2复合材料膜中的比例为54体积％。另外，Mo-SiO2复合材料膜中的Mo纳米颗粒已在成膜工艺过程中与SiO2基质的硅反应，导致部分硅化。
图9B中给出了所得Mo-SiO2复合材料膜的透射率和反射率谱图。图10中给出了该复合材料膜的吸光率谱图。图10中的吸光率谱图从图9B中的透射率和反射率谱图基于以下关系确定：
(吸光率(％))＝100％-(透射率(％))-(反射率(％))
(评价结果分析)
从图10中所示吸光率谱图可了解，与Mo-SiO2复合材料膜相比，β-FeSi2-SiO2复合材料膜在靠近可见光波长的波长中具有较高的吸光率并且在近红外区中发生更急剧的变化。此外，β-FeSi2-SiO2复合材料膜在长波长区中显示出比Mo-SiO2复合材料膜具有更低的吸光率，尽管前者的膜厚度稍大。这意味着，相对于Mo-SiO2复合材料膜而言，β-FeSi2-SiO2复合材料膜更高效地吸收可见光并将其转换为热并且表现出很小的因在数百℃的温度下的热发射所致的热辐射。
可利用供给至β-FeSi2靶和SiO2靶的功率来调节β-FeSi2在β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例。例如，通过向SiO2靶供给200W的RF功率而供给β-FeSi2靶的DC功率使用10W、30W或50W，则可将β-FeSi2在β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例调节至8体积％、31体积％和46体积％。
实施例6
具有β-FeSi2-SiO2复合材料膜的层叠体的光学性质研究
(1)通过溅射成膜制备图11A和11B中所示的层叠体并评价该膜的吸光率谱图。具体而言，如下所述制备和评价该层叠体。
(层叠体形成)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度为600℃。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。
在形成Mo膜时，针对Mo靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为20分钟，从而提供膜厚度大约100nm的Mo膜。
使用β-FeSi2靶和SiO2靶以在基材侧上得到β-FeSi2-SiO2复合材料膜(β-FeSi2：61体积％)。针对β-FeSi2靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。针对SiO2靶使用RF电源在100W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为11分钟，从而提供厚度大约50nm的β-FeSi2-SiO2复合材料膜。
β-FeSi2在该β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例为61体积％。
使用β-FeSi2靶和SiO2靶以得到外侧β-FeSi2-SiO2复合材料膜(β-FeSi2：8体积％)。针对β-FeSi2靶使用DC电源在10W的溅射功率下产生等离子体。针对SiO2靶使用RF电源在200W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为19分钟，从而提供厚度大约45nm的β-FeSi2-SiO2复合材料膜。
β-FeSi2在该β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例为8体积％。
使用SiO2靶以形成最表面的SiO2膜。针对SiO2靶使用RF电源在200W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为55分钟，从而提供厚度大约45nm的SiO2膜。
用SEM检验所得层叠体的截面结构，作为其结果，发现如图11B中所示，各个层的膜厚度接近预期值并且每个层具有平整的表面。
(评价)
评价所得层叠体的反射率谱图。该评价的结果示于图12A和12B中。
如图12B中所示，该层叠体在至多1300nm波长下的可见光至近红外区中具有不大于大约10％的低反射率。另外，该层叠体在比此长的波长下呈现出反射率的急剧升高并在3000nm以上的波长下具有至少90％的反射率。
根据图12B中所示的反射率谱图，指示对太阳光的吸收性能的吸光率α为91.5％，以发射的热指示损失性能的辐射率ε(580℃)为7.26％，并且在580℃下的光热转换效率η为80.6％。该光热转换效率η大于实施例4中的层叠体的值。
实施例7
具有β-FeSi2-SiO2复合材料膜的层叠体的光学性质研究
(2)通过溅射成膜制备图13A和13B中所示的层叠体并评价该膜的光吸收谱。具体而言，如下所述制备和评价该层叠体。
(层叠体形成)
使用石英玻璃(长30mm×宽20mm×厚1mm)作为基材，并设定基材温度至600℃。溅射过程中的气氛为Ar气氛(流量＝20sccm，压力＝0.4Pa)。
在形成Mo膜时，针对Mo靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为20分钟，从而提供膜厚度大约100nm的Mo膜。
使用β-FeSi2靶和SiO2靶以在基材侧上得到β-FeSi2-SiO2复合材料膜(β-FeSi2：54体积％)。针对β-FeSi2靶使用DC电源在50W的溅射功率下产生等离子体。针对SiO2靶使用RF电源在90W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为12分钟，从而提供厚度大约55nm的β-FeSi2-SiO2复合材料膜。
β-FeSi2在该β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例为54体积％。
使用β-FeSi2靶和SiO2靶以得到外侧β-FeSi2-SiO2复合材料膜(β-FeSi2：10体积％)。针对β-FeSi2靶使用DC电源在10W的溅射功率下产生等离子体。针对SiO2靶使用RF电源在200W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为21分钟，从而提供厚度大约55nm的β-FeSi2-SiO2复合材料膜。
β-FeSi2在该β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的比例为10体积％。
使用SiO2靶以形成最表面的SiO2膜。针对SiO2靶使用RF电源在200W的溅射功率下产生等离子体。成膜时间设定为15分钟，从而提供厚度大约12nm的SiO2膜。
该实施例中SiO2靶的厚度与实施例6中的不同，这在本实施例中产生更高的SiO2成膜速率。
使所得层叠体在750℃下于真空中(压力不大于5Pa)经受1小时热处理。
在热处理前后用SEM检验所得层叠体的截面结构，作为其结果，如图13B中所示，确认每个层具有平整的表面。然而，基材侧和外侧β-FeSi2-SiO2复合材料膜二者的厚度均因热处理而从大约55nm减至大约50nm。另外，β-FeSi2-SiO2复合材料膜中的β-FeSi2颗粒发生晶体生长并因此粒径增大。认为β-FeSi2-SiO2复合材料膜厚度的减小与β-FeSi2颗粒的晶体生长相关。最表面的SiO2膜的厚度发生轻微增大。
(评价)
在热处理前后评价该层叠体的反射率谱图。该评价的结果示于图14A和14B中。
如图14B中所示，该层叠体在大约1300nm波长下反射率的增大因热处理变得甚至更急剧。
根据图14B中所示的反射率谱图，指示对太阳光的吸收性能的吸光率α在热处理前为90.6％而在热处理后为91.2％。以发射的热指示损失性能的辐射率ε(580℃)在热处理前为7.38％而在热处理后为6.46％。光热转换效率η在热处理前为79.7％而在热处理后为81.7％。光热转换效率η由此因热处理而得以改善。
图15中示出了槽型太阳热发电装置1的示意图。集光部2包括镜4和集热管5。集热管5中的第一热介质(熔融盐)由通过镜收集的太阳光加热。经加热的第一热介质被转移到贮热罐6。然后，第一热介质被转移到换热器7并与为第二热介质的水热交换。由此，水被转化为蒸汽。所述蒸汽被转移到汽轮机8并由发电机9发电。所产生的电被转移到电网。然后，所述蒸汽由冷凝器10变成水并被转移到换热器7。经换热器7冷却的第一热介质被贮存在罐11中。然后，所述经冷却的第一热介质被转移到集热管5。控制装置12自动控制镜4的方向和角度以在集热管5处高效地集中太阳光。图16示出了集热管5的示意图。集热管5包括第一热介质通过其流动的流动通道13和覆盖流动通道13的容器14。流动通道13和容器14中的至少之一由所述太阳光-热转换层叠体所涂布。

Claims (14)

1.一种太阳光-热转换装置，包括：
由包含β-FeSi2相材料的太阳光-热转换构件形成的第一层，或者包含所述第一层和与所述第一层层叠的由无机材料形成的第二层的太阳光-热转换层叠体；
集光部(2)；
热介质；和
用于所述热介质的容器(14)和流动通道(13)中的至少之一，
其中所述第一层或所述太阳光-热转换层叠体设置在所述容器和所述流动通道中的至少之一的表面上；
所述热介质保持在所述容器(14)和所述流动通道(13)中的至少之一内；
光集中在所述容器(14)和所述流动通道(13)中的至少之一上；和
在所述容器(14)和所述流动通道(13)中的至少之一内的所述热介质被经集中的光加热。
2.根据权利要求1所述的太阳光-热转换装置，其中所述热介质被加热到300℃至900℃的温度。
3.根据权利要求1或2所述的太阳光-热转换装置，其中所述太阳光-热转换装置为抛物面碟型、太阳塔型、抛物面槽型、菲涅耳型或线性菲涅耳型。
4.根据权利要求1或2所述的太阳光-热转换装置，其中所述β-FeSi2相材料在所述太阳光-热转换构件中的比例为至少95体积％。
5.根据权利要求1或2所述的太阳光-热转换装置，其中在所述太阳光-热转换构件中，由所述β-FeSi2相材料制成的颗粒分散在无机材料的基质中。
6.根据权利要求1或2所述的太阳光-热转换装置，其中所述太阳光-热转换构件为膜。
7.根据权利要求6所述的太阳光-热转换装置，其中所述膜的厚度为1nm至10μm。
8.根据权利要求1或2所述的太阳光-热转换装置，其中所述第二层包括由氧化物、氮化物、碳化物、氧氮化物、碳氧化物或氧碳氮化物形成的陶瓷层。
9.根据权利要求8所述的太阳光-热转换装置，其中所述太阳光-热转换层叠体的最外层为所述陶瓷层。
10.根据权利要求8所述的太阳光-热转换装置，其中
所述第二层还包括金属层，和
所述金属层、所述陶瓷层和所述第一层以此顺序层叠。
11.根据权利要求8所述的太阳光-热转换装置，其中
所述第二层还包括金属层，
所述陶瓷层包括第一陶瓷层和第二陶瓷层；和
所述金属层、所述第一陶瓷层、所述第一层和所述第二陶瓷层以此顺序层叠。
12.根据权利要求10或11所述的太阳光-热转换装置，其中所述金属层直接层叠在基材上或以其间插入另一层的方式层叠在基材上。
13.根据权利要求10或11所述的太阳光-热转换装置，其中
所述金属层为钼层，和
所述陶瓷层为SiO2层。
14.一种太阳热发电装置，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的太阳光-热转换装置；和
发电机(9)，
其中所述容器(14)和所述流动通道(13)中的至少之一中的所述热介质被所述太阳光-热转换装置加热，并且利用经加热的热介质的热能由所述发电机(9)产生电力。
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