CN101408354B - 太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防扩散、结构稳定的太阳能选择性吸收涂层，属于太阳能光热转换利用领域。所述的吸收涂层由下而上依次包括金属底层、吸收层和减反射层，在金属底层上沉积由TiC、TiN和TiCN构成的第一阻热扩散层，在吸收层上沉积由TiN和Ti构成的第二阻热扩散层。所述的选择性吸收涂层是利用金属靶在气体中溅射生成。本发明的有益效果是：有效防止涂层间的热扩散作用，结构稳定，耐高温性能好，热效率提高，制备方法简单，生产成本低廉。

Description

太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种以磁控溅射镀膜技术制备的、防扩散、结构稳定的太阳能选择性吸收涂层，属于太阳能光热转换利用领域。
背景技术
随着人类科学技术的发展和生产力水平的提高，能源短缺的问题逐渐暴露出来。传统能源如石油、天然气等的日益枯竭，限制了人类的继续发展和进步。在全球性能源紧张的新形势下，开发太阳能既经济又环保，是缓解能源紧张的新途径。
太阳能选择性吸收涂层用于吸收入射的太阳辐射，并将其转换为热能。当前的太阳能光热利用以温度小于100℃的低温应用为主，如太阳能热水器，太阳能干燥等，应用于此温度范围内的太阳能选择性吸收涂层，若工作于较高温度时(如200℃以上)，由于涂层间金属和介质的扩散作用加强，涂层结构遭到破坏，使涂层整体性能发生变化。中高温太阳能选择性吸收涂层是太阳能光热利用中的前沿课题，中高温选择性吸收涂层要求涂层能耐200℃及其以上的高温，并能长期稳定工作，在太阳能光谱范围内(波长0.3～2.5μm)具有较高的吸收比，同时在红外光谱范围内(波长为2.5～5.0μm)保持较低的热发射比，但工艺相对复杂，成本较高。
目前国内应用较广的是中国专利CN85100142公开的Al-N/Al渐变膜，该涂层的优点是，采用单只Al靶直流磁控溅射镀膜，使溅射系统结构简化，溅射效率提高，生产周期短，成本较低，涂层的吸收率可达α≈0.93，发射率ε≈0.06(100℃)。但是当工作温度较高时，涂层中的铝离子活性增加，金属离子和绝缘介质的热扩散作用加强，涂层结构紊乱，涂层性能下降，影响了真空管的集热效率和寿命。
中国发明专利CN1360084A公开的一种太阳光谱选择性吸收涂层，是以铝和钛在氮气、空气、氮气+氧气中溅射而成的铝氮+钛氮-铝钛膜及铝氮氧+钛氮氧-铝钛膜，涂层的吸收率可达α≈0.93以上，发射率ε≈0.06～0.10(80℃)，涂层稳定性有所增强，但仍无法阻止涂层中金属层与吸收层之间的扩散，同时涂层整体性能偏低，并且有氧气的参与涂层的沉积速率非常低，膜层的沉积需要耗费足够的工艺时间，生产成本较高。
现在应用于太阳能热利用行业的太阳能选择性吸收涂层，多为两层吸收层的干涉膜结构，两层膜之间因金属成份的配比不同而互相产生干涉作用，实现了比渐变膜更高的吸收比和更低的发射比，耐高温性能也有较大提高，但由于普遍采用的Al-AlN或SS-AlN金属陶瓷复合薄膜本身的的熔点较低，热扩散作用影响仍然较大。
发明内容
为了克服当前太阳能选择性吸收涂层间存在的热扩散作用，使选择性吸收涂层在200℃-300℃下高温工作时具有较高的高温稳定性和热效率，特别是为了保证涂层即使短时间内工作于400℃-500℃也不会受到影响，本发明提供了一种防扩散、结构稳定的太阳能选择性吸收涂层。
本发明还提供了所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种太阳能选择性吸收涂层，由下而上依次包括金属底层、吸收层和减反射层，其特殊之处在于：在金属底层上沉积由TiC、TiN和TiCN构成的第一阻热扩散层，在吸收层上沉积由TiN和Ti构成的第二阻热扩散层。
为了使涂层整体性能更优越，所述的吸收层可由高金属体积比吸收层和低金属体积比吸收层依次沉积而成。
所述第一阻热扩散层的厚度为5-10nm，TiC、TiN和TiCN的摩尔比为1:1.5～4:3～5。所述第二阻热扩散层的厚度为5-10nm，TiN和Ti的摩尔比为1:1.5～4。
本发明所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括下述步骤：
(1)在氩气气氛中，开金属靶，非反应溅射镀制金属底层；
(2)采用Ti靶在氩气、氮气和碳氢气体的混合气体中反应溅射，在上述金属底层上沉积第一阻热扩散层；
(3)开金属靶，在氩气和氮气中反应溅射，在第一阻热扩散层上沉积吸收层；
(4)采用Ti靶在氩气和氮气中反应溅射，在吸收层上沉积第二阻热扩散层；
(5)采用金属靶在氩气和氮气中反应溅射，在第二阻热扩散层上沉积减反射层。
为了使制备的选择性吸收涂层结构更稳定，可将镀制后的涂层在氮气或空气中经500℃～600℃高温加热处理。
所述的碳氢气体为甲烷、乙炔和丁烷中的一种或一种以上。
本发明是一种以磁控溅射镀膜技术制备的，以高温稳定性好的TiC、TiN、TiCN介质作为阻热扩散层的主要成分，且该阻热扩散层位于选择性吸收涂层的金属底层与吸收层之间，以及吸收层与减反射层之间，可以有利的保护内部吸收层的成分稳定，保证涂层经过500℃～600℃高温排气后，涂层性能不会发生明显变化，显著提高涂层的耐高温性能。
本发明的防扩散——结构稳定的太阳能选择性吸收涂层由于采用了熔点达3410℃的TiC、熔点达2950℃的TiN以及熔点达3928℃的TiCN作为阻热扩散层，因所特有的高熔点及抗氧化性能，其作为太阳能吸收涂层阻热扩散层将克服Al-AlN和SS-AlN等膜系由于材料的低熔点而没有防御能力的弊端。
本发明的吸收涂层中所增加的阻热扩散层的厚度仅为5-10nm，以十分低的成本就可保证选择性吸收涂层的内在品质不发生变化，同时较大的提高选择性吸收涂层的高温稳定性能。
本发明的防扩散——结构稳定的太阳能选择性吸收涂层吸收比可达0.953，发射比ε≤0.06(80℃)，应用于太阳能热利用行业可以在200℃-300℃间长期稳定工作。
本发明的有益效果是：有效防止涂层间的热扩散作用，结构稳定，耐高温性能好，热效率提高，制备方法简单，生产成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1的太阳能选择性吸收涂层的结构示意图。
图中，1红外高反射金属底层，2第一阻热扩散层，3高金属体积比吸收层，4低金属体积比吸收层，5第二阻热扩散层，6减反射层。
具体实施方式
实施例1
以Al-AlN膜系为例：由图1可知，本发明的太阳能选择性吸收涂层自玻璃基底从下而上分为6层，依次为高红外反射金属底层1，第一阻热扩散层2，高金属体积比吸收层3，低金属体积比吸收层4，第二阻热扩散层5和减反射层6。在镀膜机中通入氩气，开铝靶，采用氩气非反应溅射镀制铝薄膜，作为高红外反射金属底层1，厚度为120nm；采用Ti靶在氩气、氮气、甲烷的混合气体中反应溅射，形成钛碳+钛氮-钛碳氮(TiC+TiN—TiCN)构成的第一阻热扩散层2，该层的厚度为10nm，TiC、TiN和TiCN的摩尔比为1:2:3；采用铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射生成，氩气与氮气的比例为1.5:1，形成Al-AlN高金属体积比吸收层3，该层的厚度为50nm；采用Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，增加氮气的量，氩气与氮气的比例为1:1，形成金属含量较少的Al-AlN低金属体积比吸收层4，该层的厚度为30nm；采用Ti靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，形成钛氮+钛(TiN+Ti)构成的第二阻热扩散层5，该层的厚度为10nm，TiN和Ti的摩尔比为1:2；采用Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，形成AlN介质减反射层6，氩气与氮气的比例为1:1.5，该层的厚度为70nm。将镀制后的涂层于500℃～600℃的高纯氮气中加热处理30分钟。
所制备的涂层吸收比可达0.953，发射比ε≤0.058(80℃)。
实施例2
以SS-AlN膜系为例：选择性吸收涂层自玻璃基底从下而上分为6层。第1层为高红外反射金属层，在镀膜机中通入氩气，开铜靶，镀制铜金属底层，采用氩气非反应溅射厚度为120nm的金属铜薄膜。第2层为第一阻热扩散层，采用Ti靶在氩气、氮气、乙炔的混合气体中反应溅射，形成钛碳+钛氮-钛碳氮(TiC+TiN—TiCN)阻热扩散层，该层的厚度为5nm，TiC、TiN和TiCN的摩尔比为1:3:4。第3层为高金属体积比吸收层，采用铝靶和不锈钢靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射生成，氩气与氮气的比例为1:1，形成SS-AlN高金属体积比吸收层，该层的厚度为50nm。第4层为低金属体积比吸收层，采用Al靶和不锈钢靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气与氮气的比例为1.2:1，形成金属含量较少的SS-AlN低金属体积比吸收层，该层的厚度为30nm。第5层为第二阻热扩散层，采用Ti靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射中，形成钛氮+钛(TiN+Ti)阻热扩散层，该层的厚度为5nm，TiN和Ti的摩尔比为1:3。第6层为减反射层，采用Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，形成AlN介质减反射层，该层的厚度为70nm，氩气与氮气的比例为1:1.2。将镀制后的涂层于500℃～600℃的高纯氮气或空气中加热处理30分钟。
所制备的涂层吸收比可达0.952，发射比ε≤0.049(80℃)。
实施例3
以Al-AlN膜系为例：选择性吸收涂层自玻璃基底从下而上分为6层。第1层为高红外反射金属层，在镀膜机中通入氩气，开铝靶，镀制铝金属底层，采用氩气非反应溅射厚度为100nm的金属铝薄膜。第2层为第一阻热扩散层，采用Ti靶在氩气、氮气、丁烷的混合气体中反应溅射，形成钛碳+钛氮-钛碳氮(TiC+TiN—TiCN)阻热扩散层，该层的厚度为8nm，TiC、TiN和TiCN的摩尔比为1:2:5。第3层为高金属体积比吸收层，采用铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射生成，氩气与氮气的比例为2:1，形成Al-AlN高金属体积比吸收层，该层的厚度为45nm。第4层为低金属体积比吸收层，采用Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，其中氮气的量较第3层增加，氩气与氮气的比例为1.5:1，形成金属含量较少的Al-AlN低金属体积比吸收层，该层的厚度为35nm。第5层为第二阻热扩散层，采用Ti靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，形成钛氮+钛(TiN+Ti)阻热扩散层，该层的厚度为8nm，TiN和Ti的摩尔比为1:2.5。第6层为减反射层，采用Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，形成AlN介质减反射层，氩气与氮气的比例为1:1.8，该层的厚度为65nm。将镀制后的涂层于500℃～600℃的高纯氮气或空气中加热处理30分钟即得。
所制备的涂层吸收比可达0.950，发射比ε≤0.052(80℃)。
上述实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明。
测试例
以本发明实施例1的吸收涂层与中国发明专利CN 1360084A公开的一种太阳光谱选择性吸收涂层进行比较，结果见表1。
表1
Figure G2008101592612D00051
由表1可知：与对比的吸收涂层相比，本发明的选择性吸收涂层总厚度变薄，通过在吸收层上沉积厚度仅为10nm的阻热扩散层，有效地防止了涂层间的热扩散作用，保持涂层结构稳定，耐高温性能和吸收比显著提高，反射比显著降低，生产成本也相应降低，应用于生产中，有良好的经济效益。

Claims (5)

1.一种太阳能选择性吸收涂层，由下而上依次包括金属底层、吸收层和减反射层，其特征在于：在金属底层上沉积由TiC、TiN和TiCN构成的第一阻热扩散层，在吸收层上沉积由TiN和Ti构成的第二阻热扩散层；所述第一阻热扩散层的厚度为5-10nm，TiC、TiN和TiCN的摩尔比为1∶1.5～4∶3～5，所述第二阻热扩散层的厚度为5-10nm，TiN和Ti的摩尔比为1∶1.5～4。
2.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的吸收层由高金属体积比吸收层和低金属体积比吸收层依次沉积而成。
3.一种权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)在氩气气氛中，开金属靶，非反应溅射镀制金属底层；
(2)采用Ti靶在氩气、氮气和碳氢气体的混合气体中反应溅射，在上述金属底层上沉积第一阻热扩散层；
(3)开金属靶，在氩气和氮气中反应溅射，在第一阻热扩散层上沉积吸收层；
(4)采用Ti靶在氩气和氮气中反应溅射，在吸收层上沉积第二阻热扩散层；
(5)采用金属靶在氩气和氮气中反应溅射，在第二阻热扩散层上沉积减反射层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：镀制后的太阳能选择性吸收涂层在氮气或空气中经500℃～600℃高温加热处理。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的碳氢气体为甲烷、乙炔和丁烷中的一种以上。
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