Формирование структуры поверхности относится к известным методам создания спектрально-селективных оптических ловушек для солнечного излучения. Поверхность с правильно сформированным микрорельефом является шероховатой и поглощающей относительно солнечного излучения и одновременно зеркальной и обладающей высокой отражательной способностью относительно теплового излучения. В 1957 г. Тейбор [209, 232] предложил способ увеличения поглощательной способности в области солнечного спектра почти до единицы путем создания на поверхности ряда V-образных канавок. Изучение селективных поверхностей такого типа для использования в преобразователях солнечной энергии было продолжено в различных исследовательских группах [83, 308 - 313]. Ряд авторов сообщают о попытках улучшить поглощательную способность поверхности относительно солнечного излучения путем использования структуры, подобной металлическому ситу [314], канавок [310], электрохимического осаждения покрытия на поверхность с искусственной шероховатостью [315], испарения полупроводниковых материалов при низком вакууме [ 242, 271], формирования шероховатостей пульверизацией [316, 317], химическим осаждением из паровой фазы и т.п. Было предложено использовать в качестве оптически поглощающей микроструктуру поверхности, подобную создаваемой для поглощения звука. Поверхность должна представлять собой плотную совокупность выстроенных по линии игл с диаметром порядка длины волны видимого излучения, расположенных на расстояниях порядка нескольких длин волн. Эффективное поглощение излучения такой поверхностью происходит за счет многократных отражений падающих фотонов, проникающих в лабиринт игл.
Рис. 5.9.1. Поглощение солнечного излучения вследствие многократных отражений от поверхности с V-образным профилем [309].
На рис. 5.9.1 изображена поверхность с V-образным профилем. Лучи, которые в плоскости рисунка проецируются нормально к профилированной поверхности, многократно отражаются. С увеличением угла падения излучения число отражений уменьшается (рис. 5.9.1). Лучи, угол падения которых близок к 90°, отражаются всего один раз (рис. 5.9.1). В работе [310] описан метод определения оптимального угла раскрытия V-образного профиля для поверхностей конкретного назначения. Применительно к непрозрачной поверхности закон Кирхгофа имеет вид α=1—r. Если излучение до выхода из канавок претерпевает η отражений, то интенсивность выходящего излучения составляет rп, а доля поглощенного излучения 1 -rп, т. е. эффективная поглощательная способность выражается в виде
Для слабо излучающих материалов [207] отношение энергии излучения, испускаемого поверхностью с V-образным профилем, к энергии излучения, испускаемого плоской поверхностью, немного меньше, чем А/а, где А - истинная площадь профильной поверхности и α- апертура V-образного профиля. Следовательно, при угле раскрытия профиля 60° степень черноты волнистой поверхности с V-образным профилем будет почти в 2 раза выше, чем плоской поверхности.
Последние исследования покрытий дендритной структуры из рения [83], вольфрама [312] и никеля [318], полученных методом химического осаждения из паровой фазы на различных подложках, продемонстрировали возможности описанного способа изготовления селективных поглощающих поверхностей для солнечных установок. Дендриты имеют вид конических игл или усов. Совокупности дендритов поглощают высокоэнергетическое солнечное излучение при многократных поглощениях и отражениях, обусловленных их геометрией (рис. 5.9.2).
Рис. 5.9.2. Схематическое изображение участка поверхности дендритной структуры [85].
В результате нескольких отражений почти все падающее излучение будет поглощено, хотя однократное поглощение может быть неэффективным. Длины волн теплового излучения существенно превышают расстояния между дендритами; относительно этого излучения поверхность является совершенно гладкой и проявляет себя как высокоотражающая, т.е. малоизлучающая. Поверхности вольфрама с дендритной структурой изготовляли с использованием реакции водорода с WF6 при температуре 500°С [ 319]. Гексафторид вольфрама в количестве 7-10% подмешивали в поток очищенного водорода с расходом 10-12 л/с при атмосферном давлении. Вольфрамовые пленки при 500°С наносили на подогреваемые током высокой частоты подложки, такие, как сапфир, кварц, вольфрам, нержавеющая сталь, графит и молибден. Нанесенные дендритные пленки имели нитевидную структуру с плоскостями (111), ориентированными параллельно поверхности подложки. Дендритная структура поверхности показана на рис. 5.9.3. Если слой покрытия тонкий (2,5-25 мкм), то поверхность называется серой дендритной, или со сглаженным профилем, а при толстой пленке (25 - 250 мкм) - черной дендритной. У черных дендритных поверхностей угол между гранями профиля меньше 90°.
Р и с. 5.9.3. Схематическое изображение поверхности вольфрама дендритной структуры и со сглаженным профилем [313].
Рис. 5.9.4. Угловые распределения поглощательной способности относительно солнечного излучения черной (а) и серой (б) дендритных поверхностей вольфрама при наличии и отсутствии просветляющего покрытия [313]. Излучение, приходящее по нормали к поверхности, подвергается двум или большему числу отражений. У серых дендритных поверхностей углы между гранями больше 90°, нитевидные выступы имеют малую высоту и излучение претерпевает не более двух отражений. Поверхности вольфрама анодировали в 0,1 н. растворе фосфорной кислоты [313]. Толщина сформированного при этом покрытия из окисла вольфрама определялась заданным значением приложенного напряжения. Особенно выгодно анодирование поверхности вольфрама с крупной дендритной структурой для создания поглощающей поверхности преобразователей солнечной энергии с предельно высокой поглощательной способностью относительно солнечного излучения, а также анодирование поверхности вольфрама со сглаженным профилем с целью повышения отношения поглощательной способности в области солнечного спектра к степени черноты [315]. Зависимость поглощательной способности поверхности от направления падения излучения уменьшается при анодировании, если нанесенное покрытие содержит WO3. Угловые распределения поглощательной способности черной и серой дендритных поверхностей с просветляющим покрытием и без него представлены на рис. 5.9.4. При наличии просветляющего покрытия поглощательная способность серой поверхности возрастает от 0,76 До 0,90 и одновременно уменьшается ее зависимость от угла падения излучения. Для поверхностей со сглаженным профилем значение степени черноты составляло 0,18, а показатель селективности был равен 5.
Недавно были исследованы селективные оптические свойства покрытия из никеля дендритной структуры, нанесенного методом химического осаждения никеля из паровой фазы Ni(СО)4. Поглощающие поверхности дендритной структуры из никеля более перспективны, чем вольфрамовые дендритные поверхности, из-за более низкой степени черноты в ИК-области спектра и меньшей стоимости. В работе [318] описана экспериментальная установка для изготовления покрытий из никеля дендритной структуры. В табл. 5.9.1 приведены значения поглощательной способности относительно солнечного излучения и степени черноты некоторых покрытий различной толщины, измеренной с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Таблица 5.9.1. Экспериментальные данные по оптическим свойствам покрытий из никеля дендритной структуры, полученных методом химического осаждения никеля из паровой фазы
Ni(CO)4 [318].
Рис. 5.9.5. Поглощательная способность в области солнечного спектра (7) и степень черноты (2) в зависимости от толщины покрытия из никеля дендритной структуры [З18].
На рис. 5.9.5 представлены поглощательная способность в области солнечного спектра и степень черноты в зависимости от толщины покрытия из никеля дендритной структуры. Установлено, что максимальное значение поглощательной способности относительно солнечного излучения αs покрытия достигается при толщине пленки 6 мкм, после чего αs начинает убывать. При возрастании толщины покрытия от 0 до 20 мкм степень черноты увеличивается примерно от 0,1 до 0,75. По-видимому, максимальное значение степени черноты наблюдается при толщинах пленки 20 - 50 мкм. ИК-излучение становится соизмеримым по длине волны с неровностями дендритной поверхности, что приводит к увеличению поглощательной способности относительно этого длинноволнового излучения. Покрытие с дендритной структурой было изготовлено непосредственно на приемных пластинах коллектора [320] в результате реакции между прокатными металлическими слоями при нагревании. Наиболее удачной интерметаллической поглощающей поверхностью оказалась поверхность алюминий - никель с полостями, размеры которых совпадали с длиной волны видимого излучения.
Таблица 5.9.2. Поглощательная способность относительно солнечного излучения и степень черноты селективных поверхностей с развитым микрорельефом
В табл. 5. 9.2 представлены оптические свойства различных поверхностей, селективность которых обусловлена развитым микрорельефом. Уменьшая высоту неровностей на поверхности до размеров, совпадающих по величине с длиной волны, излучения, которое должно поглощаться, можно увеличить интегральную поглощательную способность поверхности относительно этого излучения, однако одновременно может возрасти и степень черноты. Несколько при этом увеличится степень черноты, зависит от размеров микронеровностей и кристаллов. В реальных поглощающих поверхностях суммарное влияние микронеровностей может оказаться весьма сложным. При очень малых размерах неровностей поверхности рассеяние путем отражения, обусловленное наличием полостей, переходит в резонансное рассеяние (которое рассматривается в следующем разделе), зависящее от свойств материала и морфологии поверхности в субмикронном диапазоне.
