Spectral Selective Coatings Literature Review/ja
目標: 太陽エネルギーから最大限の利益を引き出し、電気と有用な熱の両方を生成するために、太陽光発電と太陽熱のアプリケーションを組み合わせることが望ましいです。出力を最大化するには、高い太陽光吸収率と低い熱放射率が必要です。
非選択性コーティング（黒色塗料など）は、熱放射率（周囲に熱放射（熱）を放出する）が高く、太陽放射の吸収率も高いです。
選択コーティングにより、吸収率と放射率の比率を操作できます。一部の選択コーティングは太陽光を強力に吸収しますが、熱放射は透過します。その場合、熱放射率はコーティングが適用される対象の特性によって決まります。
心に留めておくべきこと
放射率: 表面が放射によって熱を放出する能力。放射率は、同じ温度の黒体の放射に対する表面の放射の比率です。材質が鈍いほど放射率は高くなり、材質の反射率が高いほど放射率は低くなります。真夏の明るい白い表面と鈍い黒い表面を比べてみましょう。黒い表面は触るとはるかに熱くなります。放射率は表面特性なので、表面の粗さ、温度、波長はすべて放射率に影響します。
反射率: 特定の波長で表面から反射される入射エネルギーの割合。
吸光率: 特定の波長でサンプルによって吸収される光の割合。
透過率: 特定の波長の光がサンプルを通過する割合。
半導体・太陽光発電の基礎
e=メートルc2{\displaystyle e=mc^{2}}
以下の式はマーティン・E・グリーン著「Solar Cells」より引用したものです。
41ページ 反省R=（ん^−1）2+け^2（ん^+1）2+け^2{\displaystyle R={\frac {({\hat {n}}-1)^{2}+{\hat {k}}^{2}}{({\hat {n}}+1)^ {2}+{\hat {k}}^{2}}}}
どこ：
- ん^{\displaystyle {\hat {n}}}
屈折率の実部である
- け^{\displaystyle {\hat {k}}}
屈折率の虚数部である
- 屈折率んc^=ん^−私け^{\displaystyle {\hat {n_{c}}}={\hat {n}}-i{\hat {k}}}
注: 伝送は T = 1 - R です
光の吸収
半導体に吸収された遠距離の光
光の強さ = I
私=私（xo）exp（−α（x−xo））{\displaystyle I=I(x_{o})exp(-\alpha (x-x_{o}))}
- α=4πふけ^c{\displaystyle \alpha ={\frac {4\pi f{\hat {k}}}{c}}}
注記：
- λ=cふ{\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}}
Wiki の数式ヘルプ
http://en.wikipedia.org/wiki/Help:Displaying_a_formula
その他のWikiの基本
https://www.apppropedia.org/Help:Contents
ダイレクトバンドギャップ半導体
hふ=えふ−え私{\displaystyle hf=E_{f}-E_{i}}
α（hふ）=あ（hふ−えグ）1/2{\displaystyle \alpha (hf)=A(hf-E_{g})^{1/2}}
どこ
- えふ{\displaystyle E_{f}}
最終的なエネルギー状態
- え私{\displaystyle E_{i}}
初期エネルギー状態
- えグ{\displaystyle E_{g}}
バンドギャップエネルギー
- Aは定数で、アルファは2E4の値を持ちます。cメートル（−1）{\displaystyle cm^{(}-1)}
およびHFおよびえグ{\displaystyle E_{g}}
間接バンドギャップ半導体
hふ=えグ−えp{\displaystyle hf=E_{g}-E_{p}}
α（hふ、T）=∑メートル=1、2ん=1、2あ私じゅう（（hふ−えグん（T）+えpメートル）2exp（えpメートル/けT）−1+（hふ−えグん（T）−えpメートル）21−exp（−えpメートル/けT））+あd（hふ−えグd（T））1/2{\displaystyle \alpha (hf,T)=\sum _{m=1,2n=1,2}A_{ij}({\frac {(hf-E_{gn}(T)+E_{pm})^{2}}{exp(E_{pm}/kT)-1}}+{\frac {(hf-E_{gn}(T)-E_{pm})^{2}}{1-exp(-E_{pm}/kT)}})+A_{d}(hf-E_{gd}(T))^{1/2}}
どこ
- えp{\displaystyle E_{p}}
必要な運動量を持つ吸収フォノンのエネルギーである
値はシリコンの表3.1ページ49に記載されています。
波数、波長、エネルギーの関係
適用可能なASTM規格
これらの標準は将来の作業には役立ちますが、現在行われている作業に新しい洞察をもたらすことはほとんどないことに留意してください。それでも、私はこれらを保持しておく価値があると考えました。
E 408-71 (2008年再承認): 検査計技術を用いた表面の全垂直放射率の標準試験方法
総垂直放射率 (同じ温度での標本の垂直放射率と黒体の垂直放射率の比率。波長と温度に依存します) の式を示します。規格の残りの部分は、積分球でも分光光度計でもないポータブル デバイスを使用して、非破壊的に大きな表面の放射率を測定する方法について説明しています。この規格は、フルスケールのスペクトル選択パネルをテストするときにここに含まれます。
E-1980-01: 水平面および低傾斜不透明面の太陽反射率指数を計算するための標準的方法
標準条件 (放射率 /0.1) における水平および緩やかな傾斜の不透明表面の太陽反射率指数 (SRI) の計算。参考文献 E 903、積分球を使用した材料の太陽吸収、反射率、透過率の試験方法 (この標準は Queen のリソースからアクセスできません。他のものに置き換えられている可能性があります)。熱放射率の標準定義: 特定の温度で表面から放射される放射束と、同じ温度で黒体放射体から放射される放射束の比率 (150ºC 未満の温度の場合)。
- 太陽にさらされた物質の定常表面温度の方程式を示します（太陽光吸収率を 1-太陽光反射率として定義します）
C 1549-04: ポータブル太陽反射計を使用した周囲温度付近での太陽反射率の測定のための標準試験方法
ポータブル太陽光反射計を使用して、実験室または現場で平らな不透明材料の太陽光反射率を測定し、太陽光にさらされた表面の温度と熱流を評価する手法。これも E 903 を参照しています。これを入手できれば素晴らしいと思います。測定は、10 秒の測定サイクルのうち 2 秒間、タングステン ランプでサンプルを加熱したときに行われます。4 つの検出器で、サンプル表面から 20 度の反射を測定します。吸収される太陽エネルギーは、吸収エネルギー = 面積 * 太陽フラックス * (1 - 太陽光反射率) と定義されます。ここで、太陽光反射率は無次元量です。ここでも、積分球を使用せずに測定を実行する方法について説明します。
E 1175-87 (2009 年再承認): 大口径積分球を使用した材料の太陽光または明所反射率、透過率、吸収率を測定するための標準試験方法
この規格では、空間的に不均一な材料の正確な光学特性測定について取り上げています。鏡面反射および拡散反射の光学特性を持つ大きな標本の場合、透過率はポートの上にサンプルを置いて測定し、反射率はサンプルを球体の中に入れることで測定するとされていますが、これは PIKE が推奨する方法ではありません。大きな球体は、材料の差異を平均化するために使用されます (サンプルのサイズが大きく、それに当たる光線も大きいため)。吸収は、不透明材料の 1 - 総太陽光反射率として計算できることを再度述べています。大きな球体とは、最小半径が 1 m の球体と定義されています。私たちの球体は、決して大きくありません。残念ながら、これもあまり役に立ちません。
テストペーパー
以下の論文は、放射率などを測定する手順を作成するのに役立ちます。
熱光起電アプリケーション向け高性能選択エミッターの課題
A・リッチュリ、D・ディソ、G・トルセッロ、S・トゥンド、A・マッフェッツォーリ、M・ロマスコロ、M・マッツァー。半導体科学技術。 18 (2003) S174-S183
これは、熱光起電の高温応用に関する材料科学のこれまでの研究に関するレビュー記事です。選択的エミッターは、同じ温度の黒体と比較して、より狭いスペクトル領域で平衡熱放射放出が発生する材料クラスとして否定されています。これは、私たちが探していた選択的表面とはまったく同じではありませんが、それでもすばらしい記事です。問題のデバイスの動作温度は 100 ～ 1500ºC です。詳細な顕微鏡分析と高温放出を支配するメカニズムの基本理論が必要であると述べています。
- 役に立つかもしれない、波長と温度に関する黒体のスペクトル放射輝度の式
- 温度の関数としての表面の放射率の式
- 熱電対を使用してサンプルの温度を測定することを提案しますが、伝導が発生し、サンプルのその領域からより速く熱が除去されることに注意してください。非侵襲性の温度測定技術には、IR放射温度計が含まれる場合があります。参照された1つの研究では、サンプルが平衡状態にあると想定された炉の電力に基づいて放射率がわかっていました。
SiO 2コーティングアルミニウムの反射率、太陽光吸収率、熱放射率
G. ハス、JB ラムゼイ、JB ヒーニー、JJ トリロ。応用光学。第 8 巻、第 2 号。1969 年 2 月。pp275-282
これは古い記事ですが、私たちもアルミニウムを扱っているので役に立つかもしれないと思いました。アルミニウムを表面フィルムでコーティングすると、可視領域では吸収しないが、IR領域では強く吸収する表面を生成できるという、私たちがすでに知っていることを確認しています。SiO 2 堆積で使用される電子ビームのサイズを変えると、UV領域での吸収率にどのような影響があるかを説明します (ビームが広い = 遠UVから近IRで吸収がない)。彼らは反射率を測定するために高度に研磨されたサンプルを使用しましたが、これは積分球をさらに混乱させるように思われるため私たちには不可能であり、私たちはアルミニウムを使用する状態でテストしたいと考えています。太陽光反射率は、Perkin-Elmer モデル 350 ダブルビーム分光光度計を備えた改造された Beckman DU 機器を使用して測定しました (反射率の測定値は絶対値でした)。吸収と放射は、歪んだ λ スケールのチャートとプラニメータによる積分からグラフで評価しました。
- サンプルの温度を測定するために熱電対（銅コンスタンタン）を使用しました。サンプルが冷却するときの放射率を計算する式：ϵ=WCP3σAt(τ2-τ1)1T23-1T13、取り付けられた熱電対からの熱損失のために補正されています
- 反射率と放射率のグラフがいくつかあると、私たちの結果が正しいかどうか確認するのに役立つかもしれません。
高温太陽光吸収体のスペクトル選択性
DM Trotter, Jr.、AJ Sievers。応用光学。第19巻第5号。1980年3月、711-728ページ
この最初の段落は本当に役に立ちます。スペクトル選択材料には、スペクトル吸収率が突然ゼロに低下するカットオフ波長があるはずです。この位置は、動作温度 (これを確認する必要があることを検証) と太陽フラックス濃度 (この値は太陽によって固定されていますが、実験では同じ値を使用するようにする必要があります) の弱い関数です。カットオフ周波数は 2x3.14xc/2 以下であるべきだと提案されています。
- 面積、動作温度、エネルギーフラックス、太陽スペクトル、プランクの法則スペクトル分布の観点から見た熱放射率と太陽吸収率の方程式
- 選択吸収コーティングを施したモデルを使用する
- 放射率の値は、黒体吸収率と特定の温度で物質が生成するものの重なりによって決まります。
- この論文には数学的な記述がたくさんあるが、それはまさに私たちが求めているものではないと思う。材料の厚さについて多くを扱っている。
- 熱的に広がった黒体放射率のグラフは、アルミニウムがアルミニウム黒体と同じ放射率を温度とともに示すことを示しているように見えますか?
- 放射率は入射角とも強く相関している。
中赤外・近赤外反射分光法用積分球
レナード・M・ハンセン、キース・A・スネイル。振動分光法ハンドブック。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、2002年
これは積分球に関する文献レビュー記事で、過去に行われたことと、球の操作に関連する微妙な点をうまくまとめています。主なポイントは次のとおりです。積分球は、散乱の激しい材料の反射率と吸収率を定量的に評価するための主要な分析ツールです。
- 反射率は、表面から反射される光束と、同じ表面に入射する光束の比として定義されます。
- 積分球スループットは、検出器の入射光束と入力光束との関係における積分球システムの効率である。
- 1928年にMITで初めて記録分光光度計が作られ、1916年にテイラーとローザは積分球を使用して絶対反射率を測定する技術を開発しました。
- アメリカ国立標準技術研究所は、粗面加工した金を使用した積分球の標準を開発しており、また、国立物理学研究所 (英国) では、火炎溶射アルミニウムをベースにした別の標準が使用されています。
- 球体設計の重要な側面は、形状とランバート内部コーティングです。ランバート内部コーティングにより、光はあらゆる方向ですべての表面から均等に反射されます。検出器は、球体上の光に正比例した光束を受け取る必要があります。球体が完璧でない場合、表面反射率が高いため、光は検出器に当たる前に何度も跳ね返ります。
- 球面効率（スループット）、エネルギー保存、球面放射照度の積分方程式、球面内の異なる領域の数によって決まる行列方程式を解くためのいくつかの方法（すべての方法は一貫しています）
- 絶対反射率球は反射率測定器の標準を校正するために使用される。
- サンプルが球体の内側に入る球体と、球体の上部に入る球体について説明します。一部の収集方法（明らかに使用しない）では、サンプルは球体と同じ材料でなければなりません。
- 相対反射率測定は、ほとんどのアプリケーションで問題ありません。
- 置換型球面（参照とサンプルが同時に検出器上に存在できない）があります。これは最もシンプルな設計で、可動部品を必要としないため、測定を行うときはミラーをサンプルの位置に保つ必要があります。
- サンプルが平らなので、光がどこにでも直接当たらない場合があり、多少の損失があります。
固体金属の温度依存放射率の逆推定
J. Zueco と F. Alhama. 定量分光法と放射伝達ジャーナル [0022-4073] Zueco yr.2006 vol.101 iss.1 pg.73-86 [1]
非常に数学的なレビュー。彼らは、実際に測定することなくサンプルの温度を算出しています。彼らは、総放射率は温度に依存すると言っていますが、実験方法（2つ参照）は複雑で時間がかかります。彼らのアプローチでは、より短い時間で測定し、温度を支配する方程式を解明することができます。この論文の参考文献を確認してください。もっと役立つものがあるかもしれません。
ラビンドラ、NM; アベドラボ、S.; ウェイ・チェン; トン、FM; ナンダ、AK; スペランザ、AC;半導体製造、IEEEトランザクション、第11巻、第1号、1998年2月、ページ：30 – 39 [2]
この論文は数学的な部分については使えるかもしれないが、彼らは非常に特殊な機器を使って、幅広い温度範囲にわたってあらゆるものを測定している。放射率は放射温度測定における重要なパラメータである。これは、特定の物体の放射輝度と、同じ温度で同じスペクトルおよび方向条件における黒体の放射輝度の比として定義される。これは波長と温度の関数である。この実験では透過率と反射率が測定され、観測値と真の値を結び付ける方程式が提示されている。分光放射計（米国にある3台のうちの1台）によって、放射輝度、反射率、透過率、温度を同時に測定することができた。彼らは、波長全体にわたる温度の関数として、% 放射率、% 透過率、% 反射率を得た。
工業的にスパッタリングされたニッケル-ニッケル酸化物太陽光選択表面の光学特性
M アドステン、R. ジョルガー、K. ジャレンダール、E. ヴァッケルガルド。 『太陽エネルギー』第 68 巻、第 4 号、325-328 ページ。 2000 年。[3]
彼らの目標は、テストしている材料と加工された材料の光学定数が理想値に近いかどうかを確認することでした。彼らは、検出器として小さな (4mm) 積分球を備えた非標準分光光度計を使用して、絶対スペクトル鏡面反射率と透過率を測定しました。彼らのサンプルは球ではなく別の表面に置かれ、角度が問題だったため、球をあちこち回転させました。また、Co 可変入射角分光エリプソメトリー (VASE) も使用しました。温度シリーズはありません。
地球表面におけるスペクトル選択コーティングの太陽熱蓄積を予測するための数学的枠組み
NP Lavery、応用数学モデリング31（2007）1635-1651 [4]
この記事では、さまざまな色の塗料と、それらの光のスペクトルを吸収する能力について説明しています。温度も観察され、黒は熱くなり、明るい色は冷たいままであることがわかりました。これを示す興味深いグラフがいくつかあります。5mjmp2009年9月22日 20:16 (UTC)
受動放射冷却用途のスペクトル選択材料としてのステンレス鋼/スズ/ガラスコーティング
T. モウヒブ、A. モウセン、EM オアリム、M. ハルムーシ、JP ヴィニュロン、P. デフランス。光学材料 31 ( 2009 ) 673–677 [5]
著者らは、放射冷却アプリケーションにおけるスペクトル選択表面を研究しています。著者らは、熱伝達は放射によってのみ発生すると仮定し、伝導と対流の影響は無視しています。著者らは、平衡状態では、放出されるエネルギーと吸収されるエネルギーが釣り合っていると述べています。吸収率は 1-(R sol +T sol ) と定義されます。ここで、R solは太陽光反射率です (太陽光スペクトル全体の平均スペクトル反射率として推定されます)。分光放射計とモノクロメータを使用して、反射率、透過率、吸収率を測定しました。反射率と波長の関係を示すグラフがあります。
321ステンレス鋼上の複合エナメルコーティングのスペクトル選択性
HJ Brown-Shaklee、W. Carty、DD Edwards。Solar Energy Materials & Solar Cells 93( 2009 )1404–1410 [6]この論文では、低放射率コーティングでコーティングしない限り通常はスペクトル選択特性を示さないステンレス鋼の磁器エナメルコーティングについて検討しています。ただし、それが機能するのであれば、高温で過酷な環境に最適です。さまざまな温度での%Aグラフを多数示しています。
- ベッケ線法による屈折率の測定
- キルヒホッフの法則が適用されるとして、全反射測定から得られた太陽光吸収率と熱放射率
- UV-vis-NIR分光計を使用した200-2,500nm拡散反射率
- 2,500-25,000 FT-IR分光計、コールドコーティング積分球、水銀-カドミウム-テルル検出器付き
- 特定の温度におけるプランク分布の加重積分を使用して決定された熱放射率
パルススパッタ蒸着CrxOy/Cr/Cr2O3太陽光選択コーティングの構造と光学特性
HC Barshilia、N. Selvakumar、KS Rajam. 応用物理学ジャーナル 103, 023507 ( 2008 )[ [7]
- 家庭用温水用途に使用される黒色クロムコーティング。この研究では、可視領域での高い吸収率と IR 領域での低い放射率を実現する Cr 2 O 3の誘電体/金属/誘電体コーティングを設計しました。化学蒸着法によって銅基板上に 3 層を堆積しました。
- 熱安定性、微細構造、光学特性に関する情報が不足していることに注意
- XRD、X線光電子分光法（XPS）、原子間力顕微鏡（AFM）、マイクロラマン分光法、太陽光スペクトル反射計および放射計、位相変調分光エリスポメトリーを使用
- 太陽熱集熱器の動作温度は80～85℃と記載されており、熱安定性は200～400℃でテストされています。
- 4つの異なる位置で行われた放射率と吸収率の測定から平均を報告する
- サンプルを加熱する必要がないように、放射計を希望の温度に加熱します（積分球を冷却する必要があるため、これはおそらくできません）
コーティングされたガラス材料の角度依存光学特性のモデル
M. ルビン、R. パウレス、K. フォン ロットカイ。太陽エネルギー第66巻第4号、pp. 267-276、（1999）[8]
コーティングの熱依存性にはあまり役立ちませんが、角度依存の光学をモデル化しようとするときには手元に置いておくと良いかもしれません。彼らは透過率と反射率を測定するためにパーキンエルマーラムダ19分光光度計を使用しました。この論文は実際にはさまざまな角度での透過率に焦点を当てています。
工業的にスパッタリングされたニッケル-ニッケル酸化物太陽光選択表面の光学特性
M. アドステン、R. ジョルガー、K. ジャレンダール、E. ヴァッケルガルド。太陽エネルギー Vol. 68、No. 4、pp. 325–328、( 2000 ) [9]
彼らの目標は、材料の光学定数が理想値に近いかどうかを調べ、近い場合は材料について十分な知識を得て改良することです。問題の市販の吸収体の太陽光吸収率は 0.94 ～ 0.96、熱放射率は 0.13 ～ 0.15 でした。使用したツール:
- 原子組成を決定するラザフォード後方散乱
- 表面組成のX線光電子分光法
- 絶対反射率と透過率を測定するための積分球を備えた非標準分光光度計（この場合、サンプルはリング上にロードされ、4mmの大きさの球が検出器として機能し、サンプルの周りを回転します）
論文のグラフには反射率の異なる温度（0℃と55℃）の測定値が示されているが、論文ではこれをどのように行ったかについては言及されていない。
