《Coatings》：Solar Selective Absorber Coating with Multilayer Infrared Reflector for Receiver Tubes Operating up to 550 °C
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本工作报告了一种模块化W/Ag/AlN红外反射器，用于太阳能选择性吸收涂层（SSAC），该涂层适用于在550 °C真空条件下运行的聚光太阳能发电（CSP）/聚光太阳能热利用（CST）接收管。光学分析表明，AlN沉积保持了Ag的红外反射率。两个Ag/AlN双层将
本工作报告了一种模块化W/Ag/AlN红外反射器，用于太阳能选择性吸收涂层（SSAC），该涂层适用于在550 °C真空条件下运行的聚光太阳能发电（CSP）/聚光太阳能热利用（CST）接收管。光学分析表明，AlN沉积保持了Ag的红外反射率。两个Ag/AlN双层将W反射器的半球发射率从7.5%降至2.9%，该值由室温反射率在550 °C下加权计算得到。该反射器首先集成到SSAC中以评估耐久性。在620、650和690 °C真空条件下的加速老化实验得到了497 kJ/mol的Arrhenius活化能，并预测在550 °C下运行25年（每天8小时）后发射率增加0.34个百分点。随后，优化后的SSAC在不锈钢基底上实现了95.2%的太阳吸收率和11.3%的半球发射率（基于室温反射率计算）。考虑温度依赖性光学特性的模拟估算在550 °C时发射率为13.4%，而W基涂层为14.7%。此前基于Ag的涂层估算发射率更低（11.0%），但所需Ag用量为其三倍。在650 °C下进行的96 h老化测试表明，优化后的SSAC其发射率退化速率与耐久性研究中所用涂层的样品相当，支持了优化架构的长期稳定性预测。
论文解读：面向550 °C接收管的W/Ag/AlN多层红外反射器太阳能选择性吸收涂层
一、研究背景与问题
工业热脱碳是全球实现碳中和目标面临的最艰巨挑战之一，因其大量能源需求以中高温热能形式存在。太阳能工业热利用（SHIP）作为直接向工业用户供给可再生热能的技术路径正日益受到重视。聚光太阳能热利用（CST）系统通过线聚焦集热器将太阳辐射聚焦到接收管上，可实现中高温热能的可靠供给。然而，现有商业技术仅能满足约400–500 °C以下的工业热需求，更高温度下的稳定运行仍需进一步研发。接收管作为CST系统中光学-热转换效率的直接决定环节，其外表面涂覆的太阳能选择性吸收涂层（SSAC）需要在太阳光谱区最大化吸收率，同时在红外区最小化半球发射率，并兼具长期真空热稳定性。
金属红外反射器是降低SSAC半球发射率的关键组分。Ag、Au、Cu等金属具有极高的红外反射率，但在高温下存在附着力差、扩散率高和结构稳定性不足等问题。难熔金属W虽具有优异的热稳定性、良好的基底附着力和有效的扩散阻挡性能，但其红外反射率低于Ag等金属，导致较高的半球发射率。因此，如何在保持W热稳定性的同时引入Ag的高红外反射优势，成为高温SSAC设计的关键挑战。
二、研究内容与结论
本研究旨在开发一种面向550 °C真空运行接收管的模块化W/Ag/AlN多层红外反射器架构。与传统单一W层或稳定化Ag层反射器不同，该架构将W层与薄Ag/AlN双层结合，实现热稳定性与低发射率的协同优化。研究首先对多层红外反射器进行光学和结构表征，随后将其集成至完整SSAC进行加速老化耐久性评估，最后优化涂层光热性能并验证其热稳定性。
研究得出以下主要结论：两个Ag/AlN双层可将孤立W反射器的半球发射率从7.5%降至2.9%；集成该反射器的SSAC经620、650和690 °C加速老化实验，Arrhenius分析预测25年运行后发射率增加约0.34个百分点；优化后的SSAC在AISI 321不锈钢基底上实现95.2%的太阳吸收率和11.3%的半球发射率；考虑温度依赖性光学性质的模拟表明，该涂层在550 °C时发射率为13.4%，优于W基涂层的14.7%。该架构仅使用40 nm Ag，相比此前Ag基设计的120 nm显著降低了贵金属用量。
三、关键技术方法
研究人员采用磁控溅射技术制备各涂层结构，系统配备等离子体发射监控（PEM）系统以稳定反应溅射条件。光学表征采用光谱椭偏仪和紫外-可见-近红外/傅里叶变换红外光谱仪测量反射光谱。太阳吸收率（αS）按ASTM G173标准太阳光谱加权计算，半球发射率（εh）按550 °C黑体辐射分布加权计算。耐久性评估采用620、650和690 °C真空加速老化实验，基于Arrhenius模型外推长期寿命。温度依赖性模拟采用Xu等和Cheng等的Ag与W光学性质模型。样品基底为AISI 321不锈钢（表面粗糙度Ra<0.13 μm）和Eagle XG玻璃。
四、研究结果
（1）多层红外反射器的光学与结构研究。研究人员首先制备Glass/W和Glass/Ag参考结构。椭偏分析获得W和Ag的光学常数。Glass/W/Ag/AlN结构的实验与模拟反射光谱对比表明，AlN沉积后Ag的红外反射率基本保持，光谱差异在1800 nm以上完全消失。X射线衍射（XRD）分析未检测到Ag基退化化合物，证实AlN可在不损害Ag红外响应的前提下沉积。厚度系列实验确定20 nm为Ag层可靠连续生长的保守厚度。单双层Ag/AlN结构的光学常数分析表明，双层结构中第二层Ag因两侧界面效应在可见光区反射率略有下降，但红外响应仍显著改善。反射光谱显示，Glass/W结构在550 °C时半球发射率为7.5%，加入第一个Ag/AlN双层后降至5.2%，加入第二个后进一步降至2.9%，接近Glass/Ag参考结构的1.2%。
（2）耐久性研究。将含双层Ag/AlN红外反射器的SSAC在620、650和690 °C下进行加速老化实验，每个温度使用两个独立样品。老化过程中αS基本保持不变，εh随时间线性增加。基于六个实验退化速率构建Arrhenius图，得到活化能497 kJ/mol（95%置信区间450–544 kJ/mol），外推至550 °C运行温度，预测25年（每天8小时）后εh增加约0.34个百分点。
（3）优化光热性能SSAC的制备。研究人员采用逐层多层表征方法，将各层在真实生长环境中进行椭偏表征。C1V层直接沉积于AlN稳定层上，因初始生长阶段与氮原子相互作用导致有效金属含量降低；C2V及后续层在已沉积的金属陶瓷层上生长，光学响应恢复正常。优化后的SSAC在玻璃基底上实现αS=95.0%、εh=10.8%，在不锈钢基底上实现αS=95.2%、εh=11.3%。与已有涂层对比表明，该多层涂层在4–16 μm区域对发射率的贡献低于W基涂层，但在1.3–4 μm区域贡献较高，源于AlN层对光谱跃迁区干涉条件的改变。温度依赖性模拟显示，550 °C运行条件下该涂层估算发射率为13.4%，低于W基涂层的14.7%。96 h、650 °C老化测试表明，优化SSAC的发射率退化速率与耐久性研究样品相当。
五、讨论与结论
研究结果表明，W层的热稳定性、粘附性和扩散阻挡性能与Ag/AlN双层的高红外反射特性可有效结合。通过调整Ag/AlN双层数量可灵活调节反射器发射率。该模块化架构在光热性能与Ag用量之间取得良好平衡，仅用40 nm Ag即可达到优于W基涂层的估算发射率。虽然等温老化结果支持长期稳定性预测，但循环热应力对耐久性的影响仍需进一步研究。总体而言，该架构为550 °C高温CSP/CST接收管提供了一种兼顾性能、经济性和可靠性的灵活解决方案。
