自18世纪60年代第一次工业革命以来，人类依靠对煤炭资源与电气资源的利用，完成了人类社会的伟大变革，这也使全球变暖问题日趋严重。在此背景下，世界各国吹响了“低碳”号角。我国也提出了“双碳”的基本国策。根据《Global Carbon Budget 2022》报告指出，2022年全球的碳排放量将达到约366亿吨，其中90%都来自化石燃料的排放。为了减少化石燃料造成的环境污染，可再生能源的开发具有重要意义。

太阳能作为储能最大、分布最广的新能源，已被广泛开发利用。其主要利用形式分为光热利用、光电利用以及光化学利用三种。在光热利用中，集热器是光热转换的主要部件，将入射的太阳辐射收集起来，利用涂层中分子振动、电子跃迁产生热量，将太阳能高效地转化为热能。然而，随着集热温度的增加，其光热转换效率受到了一定的影响。为进一步提高光热转换效率，研究者通过优化集热器结构、改善传热工质的热物理性能、提高选择性吸收涂层光学性能来提升集热器整体性能。其中，对选择性吸收涂层的优化引起了广泛关注。由于太阳主要辐射范围为0.3~2.5μm，能量集中在可见光及近红外区域，而受热物体向外发射黑体辐射的范围为2.5~10μm。因此，理想的光谱选择性吸收涂层应在0.3~2.5μm下实现全吸收，在2.5~10μm下实现零发射。

随着集热温度要求不断增加，提高选择性吸收涂层的工作温度及效率成为提升系统整体性能的关键，然而涂层热稳定性与耐久性的问题还未得到妥善解决。笔者对太阳能选择性吸收涂层的种类展开综述，介绍了不同类型涂层的主要吸收机制与增强光吸收的策略，总结了中高温涂层的老化失效机理与其防护方法，旨在为选择性吸收涂层领域的研究者提供一定的参考。

1.1 本征型涂层

本征型吸收是涂层最主要的吸收机制之一，任何涂层都与材料的本征吸收息息相关。本征型涂层是由合适禁带宽度的半导体材料及一些与半导体材料相似的过渡族金属氧化物、氮化物、氮氧化物、硼化物、碳化物所制备的。一般来说，当光子能量大于材料的禁带宽度时，将会发生吸收行为。

除传统本征型吸收材料外，碳基材料由于其具有质量轻，强消光性，耐高温性等特点也受到研究者们的广泛关注。与传统的碳基黑材料相比，该涂层的热发射率降低了约95.8%，且其截止波长可在1.1~3.2μm范围内进行宽带调谐。除此之外，也有学者将碳纳米管（CNTs）与传统涂层相结合，以获取更高的涂层工作效率。

本征型涂层不仅可以通过涂层元素掺杂、调整涂层厚度、优化制备工艺等手段提高涂层的吸收率，还可以通过在涂层表面添加增透层、底部添加高红外金属反射层来进行光谱选择，提高光热转换效率。

1.2 干涉型涂层

两列及两列以上的光在特定条件下相遇时，光的强度也会随之增强或减弱，这种现象称为光的干涉。干涉吸收为涂层的另一大主要吸收机制，涂层的干涉理论指的是通过控制涂层的光学厚度，使其是四分之一波长的奇数倍，涂层内部会产生干涉相消现象，从而增强涂层对太阳光的吸收。这类涂层主要被分为电介质层/吸收层/电介质层（D/A/D）和减反射层/电介质层/吸收层/电介质层/吸收层（AR/D/A/D/A）两种类型，具体结构如图1所示。

（a）                                         （b）

图1  干涉型涂层结构示意图

干涉行为可有效提高涂层的光学性能，但其往往需要对层数及层厚进行精准控制，以确保具有良好的干涉条件。这也使此类涂层对制备工艺要求较高，一般可采用磁控溅射法，多弧离子镀蒸发等方法制备，但此类涂层也存在着造价过高、大规模生产难度较大的问题。

1.3 金属陶瓷涂层

金属陶瓷涂层将金属纳米颗粒嵌入陶瓷基底中，使涂层具有高吸光特性与高热稳定性，其结构如图2所示。通过调节膜层厚度、电介质成分以及金属纳米颗粒的大小、浓度、形状和取向可进一步控制涂层的光学性能。金属陶瓷涂层的吸收机制除本征吸收与干涉吸收外，沉积在电介质中的金属粒子也有着强化吸收的作用。金属粒子增强吸收的机理主要包括局域表面等离子体共振、瑞利散射和米氏散射。

图2  金属陶瓷涂层结构示意图

尽管金属陶瓷涂层有着光学性能优异、耐热性好等优点，但由于金属纳米颗粒具有比表面积大、晶体缺陷密度大的特性，使得这些颗粒在长时间高温状态下易发生团聚、长大、造成涂层微观形貌的变化。涂层结构变化将会进一步导致涂层氧化，使金属陶瓷涂层不能长时间服役。 

1.4 光学陷阱涂层

光学陷阱型涂层是由Cuomo等在1975年首次提出，他们从声学消声表面获得灵感，设计了一种由直径为可见光波长量级的晶柱密集排列组成的表面材料，其结构如图3所示，当入射光子穿透晶柱迷宫（这与消声墙的吸声特性类似）时发生多次反射，从而增加材料的吸收效率。此后，国内外陆续展开相关研究。

图3  光学陷阱涂层结构示意图

通过设计涂层表面纹理可实现对波长的截取，使涂层尽可能的吸收短波，更高效的反射长波，以此来提高涂层效率。尽管这类涂层有着良好的光捕获能力，但其制备工艺繁琐且光学陷阱结构可能造成热量损失的问题还未得到妥善解决。    

探究涂层的失效机制对涂层的应用范围及使用期限都有着重要的影响，涂层的失效类型主要被分为元素扩散、涂层氧化、纳米粒子聚集这3种。如图4（a）所示，高效率的选择性吸收涂层内部结构分布均匀，各功能层效率显著，涂层表面致密，可有效阻挡氧原子的进入。而在受到高温、潮湿等恶劣环境因素影响后，涂层效率大大下降。失效后的涂层结构如图4（b）所示，原本致密的表面出现了裂纹孔洞，氧原子的进入造成了部分元素的氧化；不同膜层间的元素发生了扩散效应，影响各膜层的功能；纳米颗粒聚集长大，造成涂层内部结构的变化，影响其光学性能和热力学性能。

图4  涂层失效示意图

2.1 元素扩散

扩散是指物质中的原子依靠微观热运动而形成的一种集体迁徙行为，元素扩散是涂层失效的主要因素之一。如图4（c）所示，涂层在长时间的工作下，不同膜层之间的原子会发生迁徙，进而影响到涂层化学成分与微观结构的变化，最终造成涂层失效。

2.2 涂层氧化

涂层的氧化根据氧原子来源不同，主要分为外氧化与内氧化两种。外氧化的作用机理如图4（d）所示，是指由环境因素导致涂层微观界面上出现孔洞、缝隙，使氧原子进入涂层内部，引起内部成分的变化；内氧化是指涂层中氧化物在特定条件下，穿透自身能量壁垒，形成新物质。

2.3 纳米粒子聚集

在涂层中添加金属纳米粒子是增强涂层吸收的一种有效策略，金属粒子的存在增大了可见光在金属粒子之间的反射与散射，从而增加对光的捕获。但由于金属纳米粒子比表面积大、表面能高的特性，其状态及其不稳定。

3.1 涂层材料

⑴预防涂层失效的主要策略之一就是寻找热膨胀系数低、抗氧化、热稳定性好的新型材料。

⑵将金属粒子合金化或利用氧化物钝化层覆盖金属纳米颗粒可有效抑制纳米粒子团聚、长大等问题。

3.2 涂层结构

⑴在涂层表面设置抗氧化层，阻止氧气进入涂层内部。

⑵在基体或涂层界面处沉积扩散阻挡层、来阻挡元素的扩散。

3.3 涂层基底

⑴对不锈钢基体进行处理，提高涂层的整体性能。

⑵利用更耐温的镍铬铁合金、铝酸镧替代不锈钢，从而消除不锈钢基底在高温下的高红外辐射。在3种抑制涂层失效的方法中，选择耐高温、耐腐蚀的新型材料可从根本上解决涂层扩散、氧化、纳米粒子聚集的问题，但是由于此类新型材料成本高，难以大规模生产；在涂层表面设置抗氧化层、涂层内部设置扩散阻挡层，在一定程度抑制了涂层的失效，但此类阻挡层往往需要精准地控制参数，制备过程也较为繁琐；对涂层基底进行处理，可有效阻挡基底对涂层的不利影响，但无法抑制较高温度下涂层内部的失效。如何经济有效地解涂层失效问题，是今后涂层研究的主要内容。

主要梳理了太阳能选择性吸收涂层的种类、吸收机制、失效机理，提炼出增强涂层吸收、预防涂层失效的相关方法，结论如下。

（1）将本征型与干涉型吸收策略相结合、在涂层中添加金属纳米颗粒、调整涂层结构、控制涂层微观形貌都可有效增强涂层吸收。根据涂层的吸收机制与结构特点，涂层可分为本征型涂层、干涉型涂层、金属陶瓷涂层以及光学陷阱涂层四大类。

（2）随着温度的升高，涂层内分子热运动也会随之加强。快速运动的分子会引起膜层之间的元素发生扩散，使不同元素之间互相反应生成新物质；会使高表面能的金属粒子在运动碰撞的过程中发生聚集，造成膜层微观形貌发生变化；还会使膜层中的氧原子与其他物质相结合或外部氧原子进入涂层造成涂层氧化，进而导致涂层失效。

（3）ZrC、HfC、TaC等超高温陶瓷材料具有抗氧化性好、热稳定性高的特点，可用于高温涂层的制备。在涂层中添加Al、Ti、Zr等金属合金，其退火后所形成的钝化层抑制了金属粒子的团聚、氧化。

（4）根据太阳能吸收层的材料和结构，在涂层表面涂敷Al₂O₃、N₄Si₃、Zr₂N等抗氧化材料，可弥补涂层缺陷，阻挡外部氧气进入涂层。采用具有扩散阻挡效应的过渡金属氮化物作为吸收层，有效抑制了内部原子扩散，减少涂层成分变化。

（5）对不锈钢基底进行热处理可增加其粗糙度，提高涂层与基底间的机械结合力。在高温涂层利用中，采用更耐温的镍铬铁合金、铝酸镧替代不锈钢，可消除不锈钢基底在高温下的高红外辐射。

随着光热领域的不断发展，太阳能选择性吸收涂层也受到越来越多的关注。为研究高性能选择性吸收涂层，今后应继续寻找更耐高温、更抗老化的新型材料，加快构建涂层失效模型，进一步加强对涂层失效抑制的探究，寻找经济合理的抑制方法。此外，如何对高温工作下的涂层进行测量、如何减少特种设备实验误差、如何建立统一合理的涂层合格性检验与寿命评估标准等问题都是未来涂层研究的重点。