ОСНОВНЫЕ ТИНЫ СЕЛЕКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ,. ПОГЛОЩАЮЩИХ В ОБЛАСТИ СОЛНЕЧНОГО СПЕКТРА. И ОТРАЖАЮЩИХ В ОБЛАСТИ. СОБСТВЕННОГО ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Начиная примерно с 1955—1956 гг. и по настоящее время во многих странах ведутся работы по селективным покрытиям для коллектор­ных поверхностей тепловых преобразователей солнечной энергии. Разработаны различные методы создания необходимой селектив­ности оптических свойств коллекторной поверхности гелиоустано­вок, описано большое число материалов для селективных покры­тий, указаны методы их нанесения. Очень немного, однако, вы­полнено работ по сравнительному анализу селективных свойств покрытий различных типов и почти нет данных по сравнению эксплуатационных характеристик покрытий при работе в атмос­ферных и внеатмосферных условиях.

Предложенные до сих пор методы создания селективных покры­тий для коллекторной поверхности гелиоустановок можно разбить на пять групп, отличающихся по оптической структуре.

I группа. Черные окислы каких-либо металлов на полирован­ной металлической подложке. Выбирается окисел с низким отра­жением в области солнечного излучения, обеспечивающий за счет этого высокий коэффициент поглощения поверхностью солнечного излучения ас и одновременно прозрачный в инфракрасной части спектра при А, > 3 — ч-5 мкм, например окись кобальта, и наносится на медь. Благодаря этому появляется возможность достижения низкого коэффициента собственного излучения є поверхности, если черный окисел будет создан на хорошо полированном и высокоот — ражающем в инфракрасной области металле, например меди или алюминии, обладающем весьма низким коэффициентом є (ecu = = 0,02 — v — 0,03, Єді = 0,04 при 30° С).

II группа. Селективная краска, состоящая из частиц полупро­водника, равномерно распределенных в органическом связующем, наносится па полированную металлическую поверхность. Селек­тивность оптических свойств такого покрытия обеспечивается тем, что выбирается полупроводник, у которого край основной полосы поглощения определяемый шириной запрещенной зоны Е.,, совпадает с оптимальной пороговой длиной волны AIIop. oriT селективного покрытия. При X <^ Xes полупроводник поглощает излучение за счет оптических переходов из валентной золы в зону проводимости, а при X Хеє прозрачен. Кроме того, размер частиц полупроводника должен быть соизмерим с Апор. опт — Селективность покрытия может быть усилена за счет оптимальной дисперсности частиц: при X, меньших или равных геометрическим

размерам частиц, поглощение возрастает из-за рассеяния и много­кратного отражения; для длинноволнового же излучения такая среда прозрачна. Органическое связующее должно быть прозрач­ным в инфракрасной области спектра, а металлическая подложка, как и в случае I группы покрытий,— обладать большим коэффи­циентом отражения в инфракрасной области спектра, так как от этого зависит нижний предел значения коэффициента е, достигае­мого с помощью покрытий этого типа.

III группа. Поверхность образована слоем сильиолегировап — ного полупроводника. Благодаря высокой концентрации свобод­ных носителей заряда удельная электропроводность сильнолегиро­ванных полупроводников весьма велика и оптические свойства их поверхности в инфракрасной области спектра приближаются к свойствам металлов, для которых характерно высокое отражение и низкий коэффициент излучения в этой области спектра. В то же время в области, где hv ;> Eg (h — постоянная Планка, v — частота падающего излучения), коэффициент отражения поверх­ности не зависит от степени легирования и определяется в основном показателем преломления данного полупроводника. Вследствие этого отражение от такого материала при hv ^ Es значительно меньше, чем при hv Eg. При выборе полупроводника с опреде­ленной шириной запрещенной зоны Ее и высокой степенью легиро­вания донорными или акцепторными примесями, обладающими высоким пределом растворимости в данном полупроводнике и ионизированными при комнатной температуре, можно достичь значительной селективности оптических свойств поверхности.

IV группа. Селективная поверхность образована полирован­ным, высокоотражающим в инфракрасной области спектра метал­лом, покрытым слоем слаболегированного полупроводника с проводимостью, близкой к собственной, у которого край полосы поглощения соответствует Япор. опт. Слаболегированные полупро­водники прозрачны в области, где hv Eg, и є системы полупро­водник—металл будет определяться оптическими свойствами ме­талла в этой области. В области hv ^> Eg коэффициент поглощения солнечного излучения будет определяться отражением от поверх­ности полупроводника, которое, как это ясно из сравнения опти­ческих констант полупроводников и металлов, будет значительно более низким, чем отражение от металла в инфракрасной области спектра.

V группа. Поверхность образована полированным металлом, отражение от которого в области солнечного спектра от ультра­фиолетовой части до Лп0р.0пт снижено нанесением однослойных или многослойных просветляющих покрытий. Если просветляющие слои для оптических линз или фотоэлементов должны быть про­зрачны, то в случае снижения отражения от коллекторной поверх­ности гелиоустановок это ограничение снимается: при малой

толщине покрытий безразлично, где поглотится солнечное излу­чение — в покрытии или в материале самой коллекторной пласти­ны. Появляется другое требование: многослойное покрытие

должно быть прозрачно в спектральной области собственного теп­лового излучения поверхности. Легко доказать расчетом (см. 1.5), учитывающим дисперсию оптических констант выбранных мате­риалов, что это требование почти всегда выполняется при значени­ях d интерференционных слоев, оптимальных для снижения отражения в области солнечного спектра (равных или кратных где Лшах — длина волны, соответствующая максимуму энергии солнечного излучения).

В заключение этой краткой характеристики покрытий каждого типа следует указать, что принятая классификация селективных покрытий не является, конечно, абсолютно полной и существует ряд покрытий, которые не относятся непосредственно к какой-либо одной из указанных пяти основных групп селективных покрытий. Однако целью проведенной классификации было выделить физи­ческие принципы, лежащие в основе создания различных селектив­ных покрытий, знание которых необходимо при разработке новых типов покрытий. Более четко представить принятую классифика­цию помогут примеры конкретных покрытий, рассматриваемые ниже.

3.3.