混合等离子体工艺制备用于聚光太阳能技术的W/W-Si-C:H/TaOxNy多层薄膜的结构、化学与光学特性研究

《Thin Solid Films》：Structural, chemical and optical characterizations of W/W-Si-C:H/TaO?N? multilayer thin films deposited by hybrid plasma processes for concentrated solar technologies

　　

本研究旨在探究利用混合等离子体工艺完全制备的多层薄膜，用于聚光太阳能热（CST）和聚光太阳能发电（CSP）系统中的光谱选择性吸收涂层。研究人员采用射频（RF）反应磁控溅射结合电子回旋共振（ECR）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，以四甲基硅烷（TMS: Si(CH3)4）为前驱气体，在钨（W）红外反射层上沉积了W-Si-C:H金属陶瓷（cermet）吸收层。随后，通过反应磁控溅射沉积了一层TaOxNy减反射涂层（ARC）。研究人员运用扫描/透射电子显微镜（S/TEM）、能量色散X射线光谱（STEM-EDX）、X射线光电子能谱（XPS）和离子束分析（IBA）等技术，系统研究了沉积参数与薄膜微观结构、化学成分及化学键合状态之间的关联。光学性能评估表明，所制备的W/W-Si-C:H/TaOxNy多层膜堆展现出优异的光谱选择性，其太阳吸收率（αS）可达约0.91，在500°C下的热发射率（ε(T)）约为0.20，相应的光热转换效率（η(T)）约为0.68。该研究证实，这种全等离子体工艺制备的多层膜堆是提高CSP系统光热转换效率的一种极具前景的创新方案。

论文解读文章

研究背景与目的

聚光太阳能热（CST）和聚光太阳能发电（CSP）技术的关键组件之一是太阳能接收器，它负责吸收集中的太阳辐射并将其转化为热能。为了最大化光热转换效率，接收器表面必须涂覆光谱选择性吸收涂层。理想的涂层应在太阳辐射波段（0.25-2.5 μm）具有高吸收率，同时在红外波段（>2.5 μm）具有低发射率，以减少热损失。典型的吸收涂层通常采用多层膜堆设计，包括底部的红外反射金属层、中间的高吸收金属陶瓷（cermet）复合层以及顶部的减反射涂层（ARC）。

目前，虽然已有多种金属陶瓷材料被研究，但在高温（>400°C）空气环境下长期稳定运行仍是巨大挑战。传统的金属陶瓷如W-Al₂O₃虽表现出良好性能，但寻找更耐高温、抗氧化性更强的替代基质具有重要意义。碳化硅（SiC）作为一种超耐火陶瓷，具有极高的热稳定性和良好的抗氧化性，而钨（W）则具有高熔点和高热导率。因此，将W纳米颗粒嵌入到非晶态的SiC基体中形成的W-Si-C:H金属陶瓷，有望成为一种新型高效且稳定的吸收材料。此外，顶部ARC层的选择也至关重要，TaO_xN_y因其兼具氧化物和氮化物的特性，被认为是一种兼具减反射和抗氧化功能的潜在候选材料。

本研究的首要目标是深入理解通过改变沉积参数（特别是TMS比例）对W-Si-C:H薄膜的微观结构和化学成分的影响，从而更好地调控其光学性能（即太阳吸收率）。第二个目标是通过在其上沉积一层预先表征过的TaO_xN_y减反射顶层，来进一步优化整个膜堆的光学性能。这项研究旨在提出一种全新的、完全基于等离子体工艺制备的W-Si-C:H/TaO_xN_y多层膜堆解决方案，以满足CSP技术对高性能吸收涂层的需求。

关键技术方法

为达成上述研究目标，研究人员采用了多种先进的薄膜制备与表征技术：

1. 1.
   薄膜沉积：首先，通过射频（RF）磁控溅射在硅基底上沉积W红外反射层。随后，利用混合等离子体工艺——即同时进行W靶的RF磁控溅射和四甲基硅烷（TMS）气体的电子回旋共振（ECR）等离子体分解——来制备W-Si-C:H吸收层。最后，通过反应磁控溅射，在Ar/O₂/N₂混合气氛中沉积TaO_xN_y减反射层。
2. 2.
   结构与成分表征：采用球差校正的扫描/透射电子显微镜（S/TEM）观察薄膜的形貌和微观结构，并结合能量色散X射线光谱（STEM-EDX）进行元素分布分析。利用X射线光电子能谱（XPS）研究薄膜的化学成分和化学键合状态。通过离子束分析（IBA）技术，包括卢瑟福背散射谱（RBS）、弹性反冲探测分析（ERDA）和核反应分析（NRA），精确测定包括氢在内的所有元素的深度分布和含量。
3. 3.
   光学性能评估：使用紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）分光光度计和傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪测量薄膜的半球向光谱反射率。基于反射率数据，计算太阳吸收率（α_S）、热发射率（ε(T)）和光热转换效率（η(T)）。

主要研究结果

1. 结构、形貌和成分

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  通过S/TEM和HAADF成像观察到，随着TMS比例的降低（即W含量增加），W-Si-C:H薄膜的密度增大，并且从无特征的均匀结构转变为含有富W纳米颗粒嵌入非晶SiC基体的结构。
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  STEM-EDX和IBA分析证实了薄膜中W、Si、C、H等元素的均匀分布，并定量给出了不同TMS比例下薄膜的元素组成。结果显示，W含量随TMS比例降低而显著增加，这与预期一致。

2. XPS分析

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  通过对W 4f、Si 2p和C 1s芯能级谱的拟合分析，揭示了薄膜中的化学键合状态。研究发现，W主要以金属态（W-W）和少量碳化物（W-C）形式存在；Si主要以SiC键合为主，并伴有少量SiO_x；C则存在于SiC和C-C/H环境中。随着W含量的增加，W-C键的比例略有上升。
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  这些XPS结果清晰地表明了薄膜由W(WC)纳米颗粒分散在a-SiC:H基体中的复合结构组成，这为其优异的光学性能提供了结构基础。

3. 光学性能和光热转换效率

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  通过UV-Vis-NIR和FTIR光谱测量，研究人员发现单层W-Si-C:H薄膜的太阳吸收率随着W含量的增加而提高，但其热发射率也随之升高。
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  通过在W-Si-C:H薄膜上沉积TaO_xN_y减反射层，整个W/W-Si-C:H/TaO_xN_y膜堆的太阳吸收率得到显著提升。对于优化的样品，其太阳吸收率（α_S）达到了0.912，在500°C下的热发射率（ε(500°C)）为0.199，从而实现了高达0.681的光热转换效率（η(500°C)）。
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  这一结果表明，通过优化W-Si-C:H吸收层的成分以及引入合适的TaO_xN_y减反射层，可以有效地实现高吸收率和低发射率的平衡，获得优异的光谱选择性。

总结与结论

本研究成功展示了一种完全基于等离子体工艺（磁控溅射和PECVD）制备W/W-Si-C:H/TaO_xN_y多层光谱选择性吸收涂层的可行性与优越性。研究结论如下：

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  通过调节TMS气体流量，可以精确控制W-Si-C:H薄膜中W的含量，进而调控其微观结构从致密均匀向包含W纳米颗粒的复合结构演变。
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  XPS分析证实，W-Si-C:H薄膜是由金属W（及少量WC）纳米颗粒嵌入非晶SiC:H基体构成的典型金属陶瓷结构。
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  通过优化W-Si-C:H层的成分并叠加TaO_xN_y减反射层，所制备的多层膜堆获得了优异的光谱选择性，其太阳吸收率高达0.912，500°C下的热发射率为0.199，对应的光热转换效率为0.681。

这项研究提出的全等离子体制备策略和创新的材料组合（W-Si-C:H/TaO_xN_y），为开发下一代高性能、低成本且易于规模化生产的CSP系统太阳能吸收涂层开辟了新途径，具有重要的科学意义和应用价值。