碳纳米管薄膜的选择性吸收在太阳能中的应用外文翻译资料

 2022-07-23 04:07

英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

太阳能材料与太阳能电池

碳纳米管薄膜的选择性吸收在太阳能中的应用

Thomas Abendroth a,n, Holger Althues a, Gerrit Mauml;der a, Paul Hauml;rtel a, Stefan Kaskel a,b, Eckhard Beyer a,c

摘要

一种建立在碳纳米管基础上的选择性吸收涂层(CNT）被证明可以实现对涂层太阳吸收系数和热发射度系数的优化。上述结果证明CNT涂层作为一种低成本和高性能的材料在浓缩太阳能（CSP）的应用上可以替代市售的真空沉积金属陶瓷涂层。

最终解释权归Elsevier公司所有

关键词

碳纳米管 太阳能选择性吸收涂层 薄膜 活性物质的功能

  1. 说明和动机

要使太阳能高效的转化为热能，就需要对太阳辐射的吸收尽可能的高，同时，黑体辐射的热损失应最小化。为满足这一要求，需要开发光谱选择性吸收涂层。这些涂层在太阳能为（0.2 - 2.5毫米）内表现为高吸收，但在红外范围内（低于42.5毫米）表现为低吸收。根据基尔霍夫定律，物体的发射率等于它的吸收率。对于一定的温度的应用程序（100°C和400°C），对应于普朗克定律的最大辐照度发射波长分别为7.8毫米和4.3毫米。考虑到黑体辐射的光谱分布，吸收边缘应达到高能源效率的光谱选择性涂层毫米接近2.5。

选择性表面的全面概述是由Kennedy[1]提出。选择表面分为6组：

  1. 本征或“质量吸收剂”；（二）半导体-金属谭DEM；（三）多层吸收剂；（d）金属-电介质复合涂层；（e）表面织构；（f）黑体吸收剂上的选择性太阳发射涂层[1]。

目前市场上主要认可金属-电介质复合涂层，如黑铬和金属陶瓷（陶瓷金属）[2]。特别是金属陶瓷涂层可以在高光学质量（光学 铝系数alpha;40.95和ε400°C o0.1）下，利用相对成本密集的真空工艺生产。然而对于高温应用，由于热扩散过程涂层会发生降解。黑铬涂层在空气和真空中的稳定温度分别达到350°C，400°C [ 1 ]。使用额外的扩散障碍，金属陶瓷涂层的稳定温度据报道可以高达500°C [3–5]。

在这里，我们基于碳纳米管（CNTs）表现出光谱选择性和优异的热稳定性提出了一个新薄膜概念。虽然碳纳米管是被研究最多的材料之一，并显示特殊的机械，电气，热学和光学特性[6–10] 。但是到目前为止，他们从未被报道过拥有这种光谱选择性光学特性，尽管在用于太阳能收集应用中有很高的潜力[11]。不仅有如此良好的光学和热性能，由于低材料消耗和可以用常压涂层工艺生产。新薄膜概念显得更加拥有性价比。

新的薄膜概念包括至少一个高反射（低发射）表面（铜，银，金，铂，镍，铬，不锈钢等）和碳纳米管薄膜 顶。此外，CNT薄膜可以通过使用光学透明的薄膜稳定机械和热，如二氧化硅[12]。生产一定规格特点的选择性的碳纳米管的方法基于涂层以及其光学性质的描述。

2.实验细节

各种碳纳米管上施加了一些高度反射基板（不锈钢，铜，镍，铬）薄膜。因此利用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）产生了水的碳纳米管分散并且喷涂在要加热的基板上。对多壁碳纳米管（MWCNT）分散的水，0.1 m %多壁碳纳米管和0.1 m %十二烷基苯磺酸钠进行超声分散（5分钟，20 kHz）和离心（5分钟，3260g）。用于生产单壁碳纳米管（SWCNT）分散，化学（0.05 m %单壁碳纳米管，1 m %SDBS）以及超声波（15分钟，20 kHz）参数的改变相反。

采用喷射沉积技术进行，如超声波喷涂(Exacta Coat from Sono-Tek, 120 kHz)和两物质喷嘴(Schlick, Series 970)。为实现均匀碳纳米管 薄膜，衬底加热到100째C沉积过程中确保水蒸发，只留下碳纳米管和SDBS表面。后来，SDBS和其他残留物（碳酸钠、S 硫酸钠）在乙醇和水中被清洗掉并去除。

3.表征

剩下的碳纳米管在表面上形成一个机械不稳定的的网络，它可以很容易地通过接触或划伤而损坏。对这些CNT的网络薄膜使用紫外-可见-近红外光谱（0.3 - 2.5毫米）分光光度计（Perkin Elmer，lambda;900与集成球）和 近红外–IR（1.7–20毫米）分光光度计（珀金埃尔默谱2000派克集成领域”integratir”）进行了光学反射的总反射率测量研究。，在一定温度下计算光学系数，如太阳能吸收系数（alpha;）和热辐射（ε），

对这个光谱反射率R（lambda;）进行评估。

以下方程被用于测定（iam1.5dir（lambda;）直接正常的太阳光谱辐照度，空气质量1.5；IBB（lambda;）-黑体辐射在一定温度）：

  1. 结果

图1.在多壁碳纳米管CNT铜面积加载依赖涂层不锈钢钢基体上的反射光谱和光学系数（太阳吸收率和发射率alpha;ε）

图1多壁碳纳米管网络反射光谱对镀铜不锈钢基板以及由此产生的光学系数alpha;和ε（@ 400°C）在碳纳米管面加载不同的预 介绍。

铜表面本身在近红外和红外范围具有非常高的反射率。由于其不透明，所有测得的反射损耗都可以归因于碳纳米管网络上的 铜基板吸收。在一般情况下，依赖于碳纳米管面积负荷可以观察到吸收以及吸收波长。通过增加CNT面积负荷而增加吸收以及对高波长吸收的转变发生。因此，不仅可调整对成碳纳米管网的光谱选择性，而且面积负荷可以改变薄膜厚度的选择性光谱范围。

观察到的总吸收光谱的变化是由带间的电子跃迁和在选定的能量为每个碳组成的pi;等离子体造成的]。由于多壁碳纳米管中杂质含量较高，造成pi;-等离子体为主。遵循朗伯-比尔定律，通过增加面积负荷使吸收向更高波长转变。

pi;等离子体的吸收是与pi;带相关电子的集体激发，呈现非线性关系，并且可以通过洛伦兹函数[13–14]描述。据报道，这个洛伦兹函数的峰值的最大值对应于pi;-等离子体共振能量在4.5–7 eV分别为275–177 nm范围内[ 13 ]。遵循此函数，在较低的能量上较高波长的吸收会减少，因此观测到的光谱具有选择性。

对于单壁碳纳米管，反射光谱是不同的。相比多壁碳纳米管，低含量碳杂质引起的pi;-等离子体总吸收的减少。然而，在近红外两个重叠的反射光谱上有两个吸收峰。这些吸收峰（S11和S22）是由范霍夫奇点的态密度所造成的。

相反地，van Hove奇点是由的带间电子跃迁引起的，并且依赖于态密度和管径。根据管的手性， 当CNT直径变化，Kataura 图像显示出带隙能量的依赖性，并产生一个强吸收峰（见图2）。

图2：碳纳米管单壁碳纳米管图反射光谱和光学系数（太阳吸收率和发射率alpha;ε）在铜涂层的不锈钢衬底上的面积负荷依赖性。

利用通过电弧放电[ 18 ] 16–产生的单壁碳纳米管具有非常窄的粒径分布，由van Hove奇点引起的吸收峰在一定波长范围内显示出为高吸收。在 此情况下所产生的吸收峰（S11）在2 mm范围内导致有一个陡峭的吸收边。通过增加的面积负荷，吸收边向更高波长的偏移也可以观察到 ，但由于较低的pi;-等离子体吸收比，该转变远低于多壁碳纳米管。由于van Hove的奇异性在一定的能量下面积负荷的增加不会改变 吸收峰谱，但会改变它的强度（见图2）。

通过Kataura图像[ 15 ]van Hove奇点与明确的碳纳米管的直径有关。我们用的单壁碳纳米管的平均直径约为1.35minus;1.65纳米，符合透射电镜（TEM）和拉曼光谱结果。

对光谱选择性在较高温度下，所有的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的反射光谱都用于使用均衡器提取光学系数。（1）及（2）。对于热发射系数的测定，应用温度为100°C和400°C。

除了光谱特性，在一定温度下的光学系数也取决于材料的热稳定性。碳纳米管以其极高的热稳定性而著称。在真空中（4000 K [ 19 ]）；在空气中（420 - 590°C [ 20 ]）

所有反射率的测量都是在23°C进行的，由于没有额外的加热装置可以实现分光光度计的安装。为了验证基于碳纳米管太阳能选择性薄膜的温度稳定性 ，在400°C退火12 h后再次测试涂层。可以观察到太阳吸收和热辐射系数没有显着差异。此外，在减压条件下进行发射测量确认其400 °C时发射性能。

由于CNT膜本身机械耐久性较低，我们开发出一个保护层将CNT网络与衬底结合。由于其高光学透明度，选择溶胶-凝胶衍生二氧化硅。用来制作二氧化硅薄膜的液体前驱体含有22%体积的TEOS，5%体积的水，68%体积的乙醇和5%体积的乙酸。在浸涂过程中液体前驱体可以渗透到CNT网络，并使之粘附在铜基板上。干燥处理后（环境条件），随后进行在氩气气氛中的退火步骤（15分钟在400°C）。CNT网络和渗透二氧化硅相关的基板（铜涂层不锈钢管，直径38毫米，长度为150毫米）的组合在图3中给出。此外SEM图像显示出CNT网络从SiO2顶部，以及从横截面渗透。CNT薄膜厚度约为200 nm。

图3。碳纳米管涂层管（a）、顶部（B）多壁碳纳米管的SEM图像和截面（c），光谱选择性涂层系统的原理方案（d）。

图4：基于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管太阳能选择性涂层系统与基于其他金属陶瓷选择性涂层的对比

表1

使用均衡器从反射光谱确定的光学系数alpha;和ε（图4），（1）及（2）。

alpha;

ε

(AM 1.5)

(400 °C)

(100 °C)

多壁碳纳米管

0.921

0.224

0.092

单壁碳纳米管

0.896

0.111

0.054

黑铬

0.960

0.319

0.186

金属陶瓷

0.940

0.134

0.084

基于CNT的太阳能选择性涂层的反射光谱如图4所示。由此产生的光学系数见表1。

以下是基于多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的概念薄膜与市售的选择性涂层系统的反射光谱的比较，如金属陶瓷（Alanod Mirotherm）和黑铬（太阳能）。所有涂料在太阳灶的吸收率（alpha;）大于0.89。对于多壁碳纳米管可以观察到更高的太阳能吸收率，但对单壁碳纳米管而言涂层非常低的热发射率C 系数（ε）是有益的。黑体温度为400°C时，热发射系数确定可以低至0.11，这甚至略低于商业金属陶瓷基准。

  1. 结论

CNT薄膜在太阳能吸收系统中是有前途的光谱选择性涂层。碳纳米管的面荷载可以用来实现增加吸收和将吸收边调向更高的波长。吸收光谱高度依赖于碳纳米管的壁的数量，碳杂质的存在（pi;-等离子体吸收），直径和直径分布 （Van Hove奇点）。因此，它不仅在某些太阳能热应用上可以调整一定的光谱选择性，也能在红外范围内发射表面产生高吸收。

虽然CNT薄膜的光学性能与市售的产品相媲美，几个优点可以推动集成的碳纳米管到吸收系统：由于低成本的工艺技术和低材料消耗成本节约了真空下沉积技术的预期。此外，碳纳米管在大气（高达590°C）和无氧条件下（高达4000 K）的高热稳定性为400°C以上的高温热功率的应用提供了新的机会。我们的研究结果表明集成到SiO2矩阵具有高稳定性，并且今后将进行长期稳

全文共8352字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[145743]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章