次微米結構太陽能選擇性吸收膜廣角效率之研究

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：32

、訪客IP：3.144.31.86

姓名

曾聖博(Sheng Bo Tseng) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

次微米結構太陽能選擇性吸收膜廣角效率之研究
(Conversion Efficiency of the Wide-angle Solar Selective Absorber with Sub-micrometer Structure)

相關論文

★ 膜堆光學導納量測儀	★ 以奈米壓印改善陽極氧化鋁週期性
★ 含氫矽薄膜太陽電池材料之光電特性研究	★ 自我複製結構膜光學性質之研究
★ 溫度及應力對高密度分波多工器(DWDM)濾光片中心波長飄移之研究	★ 以射頻磁控濺鍍法鍍製P型和N型微晶矽薄膜之研究
★ 以奈米小球提升矽薄膜太陽能電池吸收之研究	★ 定光電流量測法在氫化矽薄膜特性的研究
★ 動態干涉儀量測薄膜之光學常數	★ 反應式濺鍍過渡態矽薄膜之研究
★ 光子晶體偏振分光鏡之設計與製作	★ 偏壓對射頻濺鍍非晶矽太陽能薄膜特性之研究
★ 負折射率材料應用於抗反射與窄帶濾光片之設計	★ 負電荷介質材料在矽晶太陽電池之研究
★ 自我複製式偏振分光鏡製作與誤差分析	★ 以光激發螢光影像量測矽太陽能電池額外載子生命期及串聯電阻分佈之研究

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

一般的太陽能選擇性吸收膜(Solar Selective Absorber, SSA)是在基板表面直接塗上吸熱塗料或氣相沉積的方式製作，因此多為平面的構造，大部分的設計會隨著入射光角度增加轉換效率下降幅度甚多，而許多研究指出微奈米的表面結構對於大角度入射光有很好的抗反射效果，因此本研究嘗試製作次微米結構的太陽能選擇性吸收膜，增加大角度入射光的轉換效率。
實驗先以旋轉塗佈的方式再玻璃基板上製作出聚苯乙烯微奈米球自組裝單層鋪排，再搭配二氧化鈦溶膠凝膠的塗佈，製作出平均直徑387 nm、高度117.8 nm的二氧化鈦碗形孔洞陣列微結構。
太陽能選擇性吸收膜的部分則利用銀作為熱輻射高反射層降低紅外光熱輻射放射率，鈦和二氧化鈦作為拓寬吸收波段的金屬-介電質互層堆疊(D-M-D)，而最表面鍍上一層二氧化矽利用其相對的低折射率、高表面硬度達到抗反射及抗刮蝕的效果，以真空蒸鍍的方式將此Ag/ TiO2/ Ti/ TiO2/ SiO2多層型選擇性吸收膜覆蓋在二氧化鈦碗形孔洞陣列微結構上。
相較於相同堆疊的平面太陽能選擇性吸收膜，增加了此微結構的太陽能選擇性吸收膜在8~75度角、波長400~1000奈米的入射光照射下，吸收率皆有程度不等的提升，提升幅度呈現隨角度加大的趨勢，在75度入射光下吸收率提升了6.5%，而在8~75度入射角下整體平均效能(α/ε)微幅提升了0.37%。

摘要(英)

Solar selective absorber (SSA) is a solar energy conversion device normally fabricated using painting or vapor-deposition methods on a flat substrate. The energy conversion efficiency of the flat surface can be reduced as the incident angle increased. To solve this problem, microstructures are claimed including wide-angle antireflection. Thus, the energy conversion efficiency of the SSA with micro-structures was studied for wide-angle incident lights.
Based on the self-assembly of Polystyrene(PS) spheres and the sol-gel coating of TiO2, the TiO2 microstructure array of hexagonal close packing(HCP) and bowl-like holes were achieved. The hole size was 387 nm in diameter and 117.8 nm in height on the surface of BK-7 substrate.
Then a multi-layered SSA was deposited on the microstructure by E-gun evaporator. The SSA consist of metals and dielectrics as follows: a thin Ag layer was applied as IR reflector to reduce the thermal emission of substrate; Ti and TiO2 composed a Dielectric-Metal-Dielectric (D-M-D) stack to broaden the anti-reflection band of visible spectrum; and SiO2 was coated at last as an anti-reflection and anti-scratch layer. The SSA came to be a stack of Ag/ TiO2/ Ti/ TiO2/ SiO2 on the surface of microstructure.
The average absorptance(α) between 400nm ~ 1000nm of the micro-structured SSA is successfully improved for the incident angle between 8°~75° comparing to that of flat ones. The average absorptance increases 6.5% for the 75° incident angle and the average conversion efficiency (α/ε) increases 0.37% for the incident angle between 8°~75°.

關鍵字(中)

★ 次微米結構
★ 太陽能選擇性吸收膜
★ 聚苯乙烯奈米球
★ 溶膠凝膠
★ 奈米結構

關鍵字(英)

★ sub-micrometer structure
★ solar selective absorber
★ Polystyrene nanosphere
★ sol-gel
★ nano structure

論文目次

摘要 i
Abstract iii
致謝 v
目錄 vi
圖目錄 x
表目錄 xv
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 產業現況及文獻回顧 2
1.3 研究動機 5
1.4 論文架構 6
第二章理論基礎 7
2.1薄膜介面的反射率與透射率 7
2.2 導納軌跡法 11
2.2.1 單層膜的等效導納 11
2.2.2 多層膜的導納軌跡 14
2.2.3 金屬膜的導納軌跡 15
2.2.4 利用包絡法計算光學常數 18
2.3 漸變折射率 20
2.4 電子槍蒸鍍與離子源助鍍原理 23
2.4.1電子槍蒸鍍系統概述 23
2.4.2 氣體分子平均自由路徑與「散射」關係 26
2.4.3 薄膜沉積機制及離子源輔助沉積 28
2.5 聚苯乙烯微奈米球的自組裝效應 30
2.6 溶膠凝膠法製備二氧化鈦薄膜 33
2.6.1 四氯化鈦 33
2.6.2 溶膠凝膠 33
2.6.3 二氧化鈦薄膜製備 34
第三章研究架構與設備 36
3.1 研究架構 36
3.2 製程設備 39
3.3 量測與分析儀器 41
3.3.1 可見光-近紅外光光譜儀 41
3.3.2 橢圓偏振儀 41
3.3.3 原子力顯微鏡 43
3.3.4 掃描式電子顯微鏡 44
3.3.5 積分球 44
3.3.6 紅外線熱像儀 46
第四章設計與模擬 47
4.1 太陽能選擇性吸收膜 47
4.1.1 原理 47
4.1.2 單層膜的試鍍與光學常數分析 51
4.1.3 設計與模擬 58
4.2 週期性微結構 62
4.2.1 FDTD時域有限差分法 62
4.2.2 設計與模擬 66
第五章實驗與量測分析 72
5.1 實驗 72
5.1.1 實驗步驟及化學品 72
5.1.2 聚苯乙烯次微米球鋪排 73
5.1.3 二氧化鈦孔洞微結構製作 80
5.1.4 選擇性吸收膜製鍍 83
5.2 量測與分析 85
5.2.1 聚苯乙烯次微米球粒徑分析 85
5.2.2 二氧化鈦孔洞微結構分析 86
5.2.2 鍍膜後二氧化鈦孔洞微結構分析 90
5.2.3 積分球光譜量測及吸收率分析 94
5.2.4 熱像儀影像及放射率分析 99
第六章結論 102
Reference 107

參考文獻

[1] http://www.fondriest.com/environmental-measurements/
parameters/ weather/photosynthetically-active-radiation/
[2] Q.-C. Zhang, "Recent progress in high-temperature solar selective coatings," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 62, pp. 63-74, 2000.
[3] N. P. Sergeant, O. Pincon, M. Agrawal, and P. Peumans, "Design of wide-angle solar-selective absorbers using aperiodic metal-dielectric stacks," Optics express, vol. 17, pp. 22800-22812, 2009.
[4] X. Xiao, G. Xu, B. Xiong, D. Chen, and L. Miao, "The film thickness dependent thermal stability of Al2O3: Ag thin films as high-temperature solar selective absorbers," Journal of Nanoparticle Research, vol. 14, pp. 1-11, 2012.
[5] W.-X. Zhou, Y. Shen, E.-T. Hu, Y. Zhao, M.-Y. Sheng, Y.-X. Zheng, et al., "Nano-Cr-film-based solar selective absorber with high photo-thermal conversion efficiency and good thermal stability,” Optics express, vol. 20, pp. 28953-28962, 2012.
[6] N. P. Sergeant, M. Agrawal, and P. Peumans, "High performance solar-selective absorbers using coated sub-wavelength gratings," Optics express, vol. 18, pp. 5525-5540, 2010.
[7] S. K. Kumar, S. Suresh, S. Murugesan, and S. P. Raj, "CuO thin films made of nanofibers for solar selective absorber applications," Solar Energy, vol. 94, pp. 299-304, 2013.
[8] G. A. Nyberg, H. Craighead, and R. Buhrman, "Surface roughness and thermal stability of graded cermet photothermal absorber coatings with very high absorptivities," Thin Solid Films, vol. 96, pp. 185-190, 1982.
[9] H. C. Barshilia, S. John, V. Mahajan, “Nanometric multi-scale rough, transparent and anti-reflective ZnO superhydrophobic coatings on high temperature solar absorber surfaces," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 107 pp. 219-224, 2012.
[10] S. Khamlich, M. Maaza, “Cr/α-Cr2O3 monodispersed meso-spherical particles for mid-temperature solar absorber application," Energy Procedia, vol. 68 pp. 31-36, 2015.
[11] D. Ding, W. Cai, “Self-assembled nanostructured composites for solar absorber," Materials Letters, vol. 93 pp. 269-271, 2013.
[12] A. Karoro, Z.Y. Nuru, L. Kotsedi, Kh. Bouziane, B.M. Mothudi, M. Maaza, “Laser nanostructured Co nanocylinders-Al2O3 cermets for enhanced & flexible solar selective absorbers applications," Applied Surface Science, vol. 347 pp. 679-684, 2015.
[13] 李正中, ′′薄膜光學與鍍膜技術第七版′′ 藝軒圖書出版社, 38~42頁, 95~98頁, 2012。
[14] 陳煜升, ′′應用光學導納軌跡法提升太陽能選擇性吸收膜之光熱轉換效率研究′′ 國立中央大學, 碩士論文, 民國103年。
[15] 李正中, ′′薄膜光學與鍍膜技術第七版′′ 藝軒圖書出版社, 56~57頁, 104~115頁, 2012。
[16] https://allhomosapienswelcome.wordpress.com/2012/07/26/
peering-into-a-micro-world/
[17] 李正中, ′′薄膜光學與鍍膜技術第七版′′ 藝軒圖書出版社, 278~327頁, 2012。
[18] P. A. Kralchechsy, N. D. Denkovd, "Capillary Forces and Structuring in Layers of Colloid Particles," Curr. Interf.Sci., vol. 6, pp. 383-401, 2001.
[19] P. A. Kralchechsy, K. Nagayama, "Capillary Forces between Colloid Particles," Langmuir., vol. 10, pp. 23-26, 1994.
[20] E. Adachi, A. S. Dimitrov, K. Nagayama, "Strip Patterns Formed on a Glass Surface During Droplet Evaporation," Langmuir., vol. 11, pp. 1057-1060, 1995.
[21] 王升平, ′′四氯化碳製作納米二氧化鈦透明結晶膜及其應用′′ 國立中央大學, 碩士論文, 民國89年。
[22] 楊淑梅, ′′以溶膠-凝膠程序製備無機複合膜之抗高溫氧化及防蝕性質研究′′ 私立中原大學, 碩士論文, 民國90年。
[23] YONGFA ZHU, LI ZHANG, CHONG GAO, LILI CAO, " The synthesis of nanosized TiO2 powder with TiCl4," JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, vol. 35, pp. 4049-4054, 2000.
[24] 陳映羽, ′′以自我複製技術設計及製作低損耗型波導′′ 國立中央大學, 碩士論文, 民國101年。
[25] 盧宥任, 謝余松, 張益三, ′′橢圓偏光術於ITO透明導電膜量測應用（下）′′ 光連雙月刊, 99期, 58~64, May 2012。
[26] https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscopy#/media/
File:Atomic_force_microscope_block_diagram.svg
[27] 蕭添政, ′′光子晶體於空間濾波器之應用′′ 國立中央大學, 碩士論文, 民國97年。
[28] 簡智偉, ′′具指向性微結構之設計′′ 國立中央大學, 碩士論文, 民國97年。
[29] Lumerical Inc., " PML Boundary Condition," Lumerical FDTD on-line help.
[30] 陳沂蓉, ′′奈米球微影術應用於建構奈米等級之二維金球陣列′′ 清華大學奈米工程與微系統研究所, 碩士論文, 民國97年。

指導教授

陳昇暉

審核日期

2015-7-24

推文