Solar RRL:多层渐变的超薄WOx薄膜作为柔性太阳能吸收体

近几年,柔性及可穿戴能源相关的热转换技术对高效、低成本、超薄的太阳能光热转换涂层提出了迫切的需求,利用简单的方法实现柔性和超薄光热转换涂层充满了挑战。为了获得高的光热吸收性能,传统的光热转换涂层的制备通常采用复杂的共溅射技术,即两个或者多个溅射靶材同时工作,甚至用到贵金属或者合金靶材,存在结构工艺复杂、成本高的问题,而且涂层的厚度在150~400 nm之间,不利于柔性、低成本、大面积的工业化生产。

从“金属-电介质”复合薄膜的设计原理出发,引入“自掺杂”的设计思路,仅仅利用单一的金属靶材,在溅射室内通入有限量的反应气体,溅射过程中反应气体仅消耗一部分溅射出来的金属原子,使得未反应的金属纳米颗粒掺杂到其自身的金属氧化物MeOx中,形成一种自掺杂MeOx纳米复合薄膜材料。不同于传统的共溅射技术,自掺杂纳米复合薄膜的工艺较为简单、光学性能易调控、结构也容易扩展到其他材料上,具有非常广泛的应用价值。

过渡金属W具有一定的光谱选择性,少量的氧掺杂之后,非化学计量比的WOx薄膜具有优异的光吸收能力;而介质性质的WOx薄膜具有高的透过率,显示了一定减反射效果。陕西科技大学材料科学与工程学院王成兵教授团队与中科院兰州化学物理研究所闫兴斌研究员合作对此进行了细致的探索,应用单钨(W)靶的有限反应溅射技术实现了等离子W纳米颗粒自掺杂到WOx基质中,制备出柔性、超薄的光学性能渐变WOx基多层光热转换涂层。

研究人员结合单金属靶材的自掺杂设计原理、WOx薄膜的本征吸收性能和减反射作用,设计制备了4层结构的WOx基光热转换涂层,从底部到顶部依次包含薄的等离子金属W层、掺杂的WOx吸收层、透明WOx介质层,其中底部金属W层起到近场增强效应、红外反射层和扩散阻挡层的作用,中间2层掺杂WOx层作为主要的吸收层,顶部WOx层用于减小涂层表面的反射损失。研究团队发现WOx基光热转换涂层的总厚度仅为100~110 nm,这比目前所报道的光热转换涂层都要薄,但是涂层仍然具有非常优异的光学吸收能力和耐热性能。研究人员将超薄WOx基光热转换涂层沉积在柔性聚酰亚胺(PI)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上,显示了非常好的弯曲变形性能,表面生成许多微米尺度的纳米片层,没有出现大面积的剥落现象,弯曲变形前后的光热转换能力没有发生明显的改变,在柔性能源相关的热转化技术中具有非常广泛的应用价值。

相关结果发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900180)上,论文第一作者为博士生王伟。