CN101266080A - 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，涂层包括衬底层、吸收层；其特征是，衬底层上沉积阻挡热扩散膜层、反射层、吸收层、微不平表面层；衬底层和反射层均为Ni薄膜；阻挡热扩散膜层为MgO薄膜；吸收层由金属Ni和介质MgO组成的复合陶瓷薄膜；微不平表面层为Ni－C薄膜且采用刻蚀溅射使表面形成粗糙的凹凸不平状。该涂层具有增透、耐磨，具有可见－近红外光谱高吸收率，红外光谱极低发射率，真空烘烤热稳定性好，可用于300℃以上的高温工作温度，吸收率高，发射比较小。采用镍靶和氧化镁靶双靶溅射制备，可提高高温使用范围选择性吸收涂层的热稳定性，降低红外发射率，同时生产工艺简单化并且降低成本。

Description

一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能集热技术领域，具体是一种太阳能全玻璃真空管基材表面选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳能利用的重要形式是光热利用，因此太阳能吸收涂层的制备成为太阳能光热利用的重要工艺途径。全玻璃真空管是太阳能热水器和集热器的关键部件，其涂层的性能直接影响太阳能热水器和集热器的热性能。

目前太阳能光热应用范围主要为低温范围(小于100℃)，主要使用普通太阳能热水器，应用范围为家庭、宾馆洗浴以及生活用水和采暖。该种热水器对集热元件的温度要求不高，普通太阳能全玻璃真空管即可满足要求。因此在该温度范围使用的太阳能选择性吸收涂层目前已研究和广泛应用了A1-N/A1渐变膜，这种膜系和工艺方法的优点是，A1单靶直流磁控溅射镀膜工作，设备操作简单，膜层吸收率较高，对在低温范围使用全玻璃真空管的比较适用，但对于中温及高温使用由于其红外发射率随温度上升明显升高，长期使用后膜层不稳定，造成集热器热损增大，热效率明显下降。为适应中温和高温的应用要求，吸收涂层必须能够做到高吸收率和低发射率特点。

中高温领域(100-300℃)和高温领域(300℃以上)应用发展逐步开始成为发展方向。随着使用A1-N/A1渐变膜的太阳能热水器市场逐步饱和，以及各国政府对节能环保重视程度逐步加大，太阳能热水器和集热器的应用逐步向更广阔的高端、高温领域延伸。目前中高温主要应用于海水淡化、工业以及农业应用(如大棚种植等)。在该领域内主要应用的产品涂层具有ALNx/Cu等膜层结构，但是，这种涂层和工艺方法的关键尽管Cu比AL稳定，但是在高温范围内是ALNx结构的膜层因为氧化等因素造成吸收率衰变较大。

高温集热器可用于太阳能热发电。并且在高温范围内膜层性能不衰减也就是高温烘烤时热稳定性要好。在该领域内主要应用的产品涂层具有W+ALN/W，Mo+ALN/Mo等膜层结构，但是，这种涂层和工艺方法的关键是必须采用高温稳定金属如W，Mo，造成沉积速率低，生产周期长，工艺复杂，靶材稀贵，成本高。

对于选择性涂层来讲，多数的结构为反射层/吸收层/减反层结构，大多数的吸收表面和减反表面采用平面，尤其是减反层的制备采用平面，这种结构对于高温吸收涂层来说，缺点是在高温区发射率较高。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的是提供一种太阳能选择性吸收涂层，其可用于300℃以上的高温工作温度，且具有可见-近红外光谱高吸收率，红外光谱极低发射率和真空烘烤热稳定性好。

本发明的技术方案是：

该太阳能选择性吸收涂层，包括衬底层、阻挡热扩散层、反射层、吸收层、微不平表面层。

衬底层为Ni薄膜；Ni分子量大，热稳定性高，其薄膜镜面反射性好，Ni薄膜还具有红外波段发射率低的特性，有效减少内管的散热，且Ni材料容易获得，成本低。

阻挡热扩散膜层沉积在衬底层上，该阻挡热扩散层为MgO薄膜；防止集热管内部热水的热能通过内管管壁散失；MgO热稳定性高，增强了太阳能选择性吸收涂层整体的稳定性，而且MgO薄膜折射率和消光系数较低。

反射层沉积在阻挡热扩散膜层上，该反射层为Ni薄膜；增加集热管内管的反射率，将内管的辐射热量最大限度留在内管中。

吸收层沉积在反射层上，为由Ni、MgO构成的金属-介质复合陶瓷薄膜；Ni-MgO复合陶瓷材料在高温区吸收率极高且热稳定性好。

微不平表面层沉积在吸收层表面，微不平表面层为Ni-C薄膜，Ni-C薄膜的表面设为凹凸不平状且表面突起间隔尺寸为0.4～2.1μm，接近太阳光谱使入射的太阳光经多次反射而被吸收；它的主要作用是形成多次反射和折射，减少发射率。

进一步的技术方案：

在该太阳能选择性吸收涂层中，沿从反射层到微不平表面层的方向，吸收层中金属Ni的体积比从0.65逐渐减少到0.2，MgO的体积比从0.35逐渐增加到0.8。

在该太阳能选择性吸收涂层中，所述的衬底层厚度为50～100nm。

所述的阻挡热扩散膜层厚度为50～100nm。

所述的反射层的厚度为100-200nm。

所述的吸收层的厚度为130-250nm。

所述的微不平表面层的厚度为200-400nm。

本发明的目的还在于提供一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，它工艺稳定简单，生产周期短，靶材便宜，成本低。

该制备方法包括以下步骤：

(1)首先开机械泵对镀膜室预抽，然后开扩散泵，使镀膜室抽真空至数量级10^-3Pa，通入氩气至数量级10^-1Pa；采用二靶溅射装置，一靶采用Ni，一靶采用MgO；两个靶间用挡板隔开，防止镀膜时膜层间的干扰；

(2)对Ni靶加电进行溅射，沉积的衬底层Ni薄膜厚度达到要求后，对Ni靶断电；

(3)对MgO靶加电溅射，在衬底层Ni薄膜上沉积阻挡热扩散膜层MgO薄膜，MgO薄膜厚度达到要求后对MgO靶断电，停止MgO的沉积；

(4)重新对Ni靶加电进行溅射，在阻挡热扩散膜层上沉积反射层；

(5)反射层厚度达到要求后，对MgO靶加电，同时在氩气中充入氧气，由Ni靶和MgO靶共溅射制备吸收层，氧气是用于沉积MgO；两靶溅射吸收层过程中，调节两靶的电功率、电压参数可调整Ni及MgO在金属-介质复合陶瓷薄膜中的体积比，可以大大提高吸收率；

(6)吸收层厚度达到要求后对MgO靶断电；向镀膜室内通入反应气体，反应气体为含1～4个碳的碳氢化合物；Ni靶继续通电溅射，在吸收层上形成Ni-C复合陶瓷薄膜，并通过调节反应气体含量和电流强度，使镀膜室内的等离子体对形成的表面进行刻蚀，使Ni-C复合陶瓷薄膜的表面形成凹凸不平状，形成的表面突起间隔尺寸为0.4-2.1μm，接近太阳光谱，得到微不平表面层；

(7)最后断开各种气源和电源，恢复真空到数量级10^-3Pa，涂层制备完毕。

进一步的技术方案：在微不平表面层制备过程中，逐渐改变通入反应气体的含量，使形成的微不平表面层的折射率递变。

本发明的有益效果是：该涂层具有增透、耐磨、热稳定性好等优点，可见-近红外光谱高吸收率，红外光谱极低发射率，真空烘烤热稳定性好，可用于300℃以上的高温工作温度。本发明采用Ni靶和MgO靶制备太阳能选择性吸收涂层，可提高高温使用范围涂层整体的热稳定性，降低红外发射率，同时控制成本且生产工艺简单化；该涂层在大于300℃的高温范围内热性能稳定，吸收率高，发射比较小。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的描述：

图1是本发明中太阳能选择性吸收涂层的剖视图，

图2是图1中的I处局部放大结构示意图，

图中：1内管，2衬底层，3阻挡热扩散膜层，4反射层，5吸收层，6微不平表面。

具体实施方式

如图1所示，该太阳能选择性吸收涂层，包括在内管1外表面依顺序设置的衬底层2、阻挡热扩散膜层3、反射层4、吸收层5、微不平表面层6。制备该太阳能选择性吸收涂层采用二靶溅射装置，一靶采用Ni，一靶采用MgO；两个靶间用挡板隔开，防止镀膜时膜层间的干扰。首先开机械泵对镀膜室预抽，然后开扩散泵，使镀膜室抽真空至数量级10^-3Pa，通入氩气至数量级10^-1Pa。然后对Ni靶加电进行溅射，制备衬底层2。沉积的衬底层Ni薄膜厚度达到50～100nm后，对Ni靶断电。衬底层2之所以采用Ni薄膜，是考虑到阻挡热扩散层对玻璃内管的附着力要小于对金属层的附着力，同时因为Ni分子量大，热稳定性高，其薄膜镜面反射性好，Ni薄膜还具有红外波段发射率低的特性，有效减少内管的散热，且Ni材料容易获得，较其他高分子金属成本低。

衬底层2制备完毕后，对MgO靶加电溅射，在衬底层Ni薄膜上沉积形成MgO薄膜即阻挡热扩散膜层3，MgO薄膜厚度达到50～100nm后，对MgO靶断电，阻挡热扩散膜层3制备完成。该层作用是增强太阳能选择性吸收涂层整体的稳定性，提高反射率，防止热量的扩散。

重新对Ni靶加电进行溅射，在阻挡热扩散膜层上沉积Ni薄膜即反射层4。反射层4厚度要求为100～200nm。该层主要作用是提高内管的反射率，将内管的辐射热量最大限度留在内管中。

反射层4厚度达到要求后，对MgO靶加电，由Ni靶和MgO靶共溅射制备Ni-MgO复合陶瓷薄膜即吸收层5。同时在氩气中充入氧气，氧气是用于沉积MgO。Ni-MgO复合陶瓷薄膜具有吸收率极高、红外发射率极低的特点且高温热稳定性好。两靶溅射吸收层过程中，调节两靶的电功率、电压参数可调整Ni及MgO在金属-介质复合陶瓷薄膜中的体积比。沿从反射层4到微不平表面层6的方向，吸收层5中金属Ni的体积比从0.65逐渐减少到0.2，相应的MgO的体积比从0.35逐渐增加到0.8。这样，吸收层5就是由多个金属体积比不同的工艺层叠加而成，从而大大提高了吸收率，将发射率降至最低。吸收层中形成的工艺层越多，吸收性能参数越好。Ni-MgO复合陶瓷薄膜厚度要求为130-250nm。

吸收层5厚度达到要求后对MgO靶断电；向镀膜室内通入反应气体，反应气体为含1～4个碳的碳氢化合物，一般为了保证工艺简单和操作安全采用甲烷或乙炔。Ni靶继续通电溅射，在吸收层5上形成Ni-C复合陶瓷薄膜即微不平表面层6。并通过逐渐改变通入反应气体的含量和电流强度，从而改变等离子对涂层的轰击强度，使形成的微不平表面层高度和间隔尺寸不同，从而其折射率递变。一般呈山峰形状或类蜂窝状，如图2所示。形成的表面突起间隔尺寸为0.4-2.1μm，接近太阳光谱，使入射的太阳光经多次反射和折射而被吸收层吸收，减少发射率。在微不平表面层制备过程中，逐渐改变通入反应气体的含量，使形成的微不平表面层的折射率递变。

微不平表面层厚度达到200-400nm后，断开各种气源和电源，恢复真空到数量级10^-3Pa，涂层制备完毕。

该发明并不局限于上述实施例。

Claims (8)

1、一种太阳能选择性吸收涂层，包括衬底层、吸收层，其特征是：所述的衬底层为Ni薄膜；衬底层上沉积有阻挡热扩散膜层，该阻挡热扩散层为MgO薄膜；阻挡热扩散膜层上沉积有反射层，该反射层为Ni薄膜；所述的吸收层为由Ni、MgO构成的金属-介质复合陶瓷薄膜，吸收层沉积在反射层上；吸收层表面沉积有微不平表面层，微不平表面层为Ni-C薄膜，Ni-C薄膜的表面设为凹凸不平状且表面突起间隔尺寸为0.4～2.1μm。

2、根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征是：沿从反射层到微不平表面层的方向，吸收层中金属Ni的体积比从0.65逐渐减少到0.2，MgO的体积比从0.35逐渐增加到0.8。

3、根据权利要求1或2所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征是：所述的衬底层厚度为300～350nm。

4、根据权利要求1或2所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征是：所述的阻挡热扩散膜层厚度为50～100nm。

5、根据权利要求1或2所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征是：所述的反射层的厚度为100-200nm。

6、根据权利要求1或2所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征是：所述的吸收层的厚度为130-250nm。

7、根据权利要求1或2所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征是：所述的微不平表面层的厚度为200-400nm。

8、一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)首先开机械泵对镀膜室预抽，然后开扩散泵，使镀膜室抽真空至数量级10^-3Pa，通入氩气至数量级10^-1Pa；采用二靶溅射装置，一靶采用Ni，一靶采用MgO；两个靶间用挡板隔开，防止镀膜时膜层间的干扰；

(2)对Ni靶加电进行溅射，沉积的衬底层Ni薄膜厚度达到要求后，对Ni靶断电；

(3)对MgO靶加电溅射，在衬底层Ni薄膜上沉积阻挡热扩散膜层MgO薄膜，MgO薄膜厚度达到要求后对MgO靶断电，停止MgO的沉积；

(4)重新对Ni靶加电进行溅射，在阻挡热扩散膜层上沉积反射层；

(5)反射层厚度达到要求后，对MgO靶加电，同时在氩气中充入氧气，由Ni靶和MgO靶共溅射制备吸收层，氧气是用于沉积MgO；两靶溅射吸收层过程中，调节两靶的电功率、电压参数可调整Ni及MgO在金属-介质复合陶瓷薄膜中的体积比；

(6)吸收层厚度达到要求后对MgO靶断电；向镀膜室内通入反应气体，反应气体为含1～4个碳的碳氢化合物；Ni靶继续通电溅射，在吸收层上形成Ni-C复合陶瓷薄膜，并通过调节反应气体含量和电流强度，使镀膜室内的等离子体对形成的表面进行刻蚀，使Ni-C复合陶瓷薄膜的表面形成凹凸不平状，形成的表面突起间隔尺寸为0.4-2.1μm，接近太阳光谱，得到微不平表面层；

(7)最后断开各种气源和电源，涂层制备完毕。

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