CN101445331A - 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于真空器件制作技术领域，尤其是高温太阳能集热管制作领域。该涂层包括太阳能集热元件基底、红外反射层、吸收层和增透层，其中，吸收层中采用导电化合物与绝缘介质的混合材料。该涂层采用磁控溅射方法依次在基底上溅射红外反射层、吸收层和增透层，其中，吸收层采用两个阴极反应溅射而成，在至少一种反应气体的溅射条件下，第一金属阴极与反应气体反应形成导电化合物，第二金属阴极与反应气体反应形成绝缘介质。该涂层具有较好的非真空热稳定性，可以在室温～500摄氏度非真空条件下长期稳定工作。
Description
技术领域
一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于真空器件制作技术领域，尤其是高温太阳能集热管制作领域。
背景技术
太阳能集热器是太阳能热利用技术的关键器件。根据工作温度的不同，太阳能集热器可以分为低温(<100℃)、中温(100～300℃)和高温(>300℃)。目前以太阳能热水器为代表的低温太阳能集热器，已经在我国获得广泛应用。而中高温太阳能集热器，可广泛应用于太阳能空调、海水淡化、太阳能工业用热和太阳能热发电等领域，是未来太阳能利用技术的重要发展方向。而太阳能真空集热管则是太阳能集热器的核心部件，它的性能主要由集热管的太阳能选择性吸收涂层决定。
多数的太阳能选择性吸收涂层都采用金属-介质复合物作为太阳能吸收材料。在适当的金属组分和厚度条件下，该复合材料在主要的太阳能辐射区域表现出强烈的吸收而对红外辐射基本透明。该复合材料被沉积在对红外反射较高的金属表面，就形成了目前采用的太阳能选择性吸收涂层。太阳能涂层的热稳定性主要取决于吸收层中金属、介质颗粒的热稳定性。
在大部分金属-介质太阳能选择性吸收涂层中，介质颗粒具有较好的高温热稳定性，因此涂层的热稳定性受限于所采用的金属颗粒。比如，目前中低温太阳能真空集热管广泛使用的Al-AlN选择性吸收涂层(中国专利CN 85100142B)。AlN介质分解温度高达1400℃，可以在非真空高温条件下稳定工作。并且该涂层可采用单个金属Al阴极反应溅射而成，反应气体只需要惰性气体(一般为氩气)和氮气(作为活性气体)，具有较好的经济性。但是金属Al的熔点仅为660℃，并且Al金属颗粒容易和N，O等活性气体反应，因此Al-AlN涂层在高温条件下工作稳定性欠佳。
又比如，澳大利亚专利AU9220346提出的双层干涉吸收型M-AlN选择性吸收涂层，其中金属颗粒采用W，Mo等高熔点金属材料。该涂层需要两个金属电极，分别称为电极一和电极二，气体仍然采用氩气+氮气这种惰性气体+活性气体的组合。溅射时，电极一不与活性气体反应，仍然溅射出金属颗粒，电极二与活性气体反应，溅射出介质颗粒。这种涂层在真空条件下具有较好的热稳定性，可用于制作工作温度为400℃真空太阳能集热管。但是在非真空条件下，由于金属颗粒在高温条件下与空气中的活性气体，特别是氧气反应，因此难以用于非真空的高温太阳能集热器。
发明内容
本发明针对现有太阳能集热器的不足，提供了一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，自下至上为太阳能集热元件基底1、红外反射层2、吸收层3和增透层4，其特征在于：所述的吸收层3中采用导电化合物与绝缘介质的混合材料。
所述吸收层3中的导电化合物采用以下材料中的一种或几种：氮氧化钛、氮氧化钛铝、氮氧化钨、氮氧化钼、氮氧化铁、氮氧化锆、氮氧化铪、氮氧化钽、氮氧化铜、氮氧化钯、氮氧化金、氮氧化铂。
所述吸收层3中的绝缘介质采用以下材料中的一种或几种：氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化镁。
所述红外反射层2采用以下材料中的一种或几种：铝、铜、银、金、铂、钼、钨、钛。
所述增透层4采用以下材料中的一种或几种：氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化镁。
所述吸收层3中的导电化合物与绝缘介质的组分是阶梯状变化的，越靠近基底1的吸收子层中的导电化合物的比例越高，越远离底层的吸收子层中的绝缘介质的比例越高。
所述红外反射层2厚度不小于10纳米，所述的吸收层3的厚度在10～10000纳米之间，所述增透层4厚度在10～200纳米之间。
本发明还提供了一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，采用磁控溅射技术依次在基底1上溅射红外反射层2、吸收层3和增透层4，其特征在于：所述吸收层3采用第一金属阴极5和第二金属阴极6反应溅射而成，在至少一种反应气体的溅射条件下，第一金属阴极5与反应气体反应形成导电化合物，第二金属阴极6与反应气体反应形成绝缘介质。
所述的第三金属阴极7用于溅射生成红外反射层2，采用以下材料中的一种或几种：铝、铜、银、金、铂、钼、钨、钛。所述的第一金属阴极5用于溅射生成吸收层3中的导电化合物，采用以下材料中的一种或几种：钛、锆、铪、钽、铜、钯、铁、镍、钼、钨。所述的第二金属阴极6用于溅射生成吸收层3中的绝缘介质和增透层4，采用以下材料中的一种或几种：铝、镁、硅。
所述的反应气体在下属材料中选择：氮气、氧气、甲烷、乙炔。
本发明的有益效果为：目前常用的高温太阳能选择性吸收涂层，所采用金属-介质复合吸收层中，金属普遍采用高熔点的单质金属或合金材料，它们非真空条件下很容易和空气中的活性气体(特别是氧气)进行反应，从而难以用于非真空高温集热器件。而本发明提出的导电化合物-绝缘介质吸收涂层，以氮氧化物等的化合物作为金属颗粒材料，因此在非真空条件下也具有高温热稳定性。
附图说明
图1为本发明所述的太阳能选择性吸收涂层的结构示意图；
图2为制作本发明所述的太阳能选择性吸收涂层的溅射系统的结构示意图。
图中标号：
1-基底；2-红外反射层；3-吸收层；4-增透层；5-第一金属阴极；
6-第二金属阴极；7-第三金属阴极；8-太阳能集热元件。
具体实施方式
本发明提供了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
第一金属阴极5的材料采用钛、第二金属阴极6的材料采用铝，第三金属阴极7的材料采用铜。涂层自基底1从下而上分为红外反射层2、吸收层3和增透层4。红外反射层2采用氩气非反应溅射厚度为100纳米的铜薄膜；吸收层3靠近红外反射层2的一端为高金属体积比的导电化合物层，采用氩气、氮气反应溅射第一金属阴极5和第二金属阴极6，形成TiN-AlN高金属体积比吸收层，通过调整电流和氮气流量，使得TiN体积比为0.8，厚度为70纳米；吸收层3远离红外反射层2的一端低金属体积比的绝缘介质层，采用氩气、氮气反应溅射第一金属阴极5和第二金属阴极6，形成TiN-AlN低金属体积比吸收层，通过调整电流和氮气流量，使得TiN体积比为0.5，厚度为30纳米；增透层4采用氩气、氮气反应溅射第二金属阴极6，形成AlN介质薄膜，厚度为65纳米。
实施例2
第一金属阴极5的材料采用锆、第二金属阴极6的材料采用硅，第三金属阴极7的材料采用铝。涂层自基底1从下而上分为红外反射层2、吸收层3和增透层4。红外反射层2采用氩气非反应溅射厚度为100纳米的铝薄膜；吸收层3采用氩气、氮气反应溅射第一金属阴极5和第二金属阴极6，形成ZrN-SiN吸收层，随着溅射时间的增加，逐步降低锆阴极电流、提高铝阴极电流和氮气流量，使得ZrN原子比例从靠近基底1一端的100％逐渐下降为远离基底1一端的10％，厚度160纳米；增透层4采用氩气、氮气反应溅射第二金属阴极6，形成SiN介质薄膜，厚度为70纳米。
实施例3
第一金属阴极5的材料采用钯、第二金属阴极6的材料采用硅，第三金属阴极7的材料采用铜。涂层自基底1从下而上分为红外反射层2、吸收层3和增透层4。红外反射层2采用氩气非反应溅射厚度为100纳米的铜薄膜；吸收层3采用氩气、氮气反应溅射第一金属阴极5和第二金属阴极6，形成PdO-SiO2吸收层，随着溅射时间的增加，逐步降低锆阴极电流、提高铝阴极电流和氮气流量，使得PdO原子比例从靠近基底1一端的100％逐渐下降为远离基底1一端的10％，厚度180纳米；增透层4采用氩气、氮气反应溅射第二金属阴极6，形成SiO2介质薄膜，厚度为92纳米。
Claims (10)
1.一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，自下至上为太阳能集热元件基底(1)、红外反射层(2)、吸收层(3)和增透层(4)，其特征在于：所述的吸收层(3)中采用导电化合物与绝缘介质的混合材料。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的吸收层(3)中的导电化合物采用以下材料中的一种或几种：氮氧化钛、氮氧化钛铝、氮氧化钨、氮氧化钼、氮氧化铁、氮氧化锆、氮氧化铪、氮氧化钽、氮氧化铜、氮氧化钯、氮氧化金、氮氧化铂。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸收层(3)中的绝缘介质采用以下材料中的一种或几种：氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化镁。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述红外反射层(2)采用以下材料中的一种或几种：铝、铜、银、金、铂、钼、钨、钛。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述增透层(4)采用以下材料中的一种或几种：氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化镁。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸收层(3)中的导电化合物与绝缘介质的组分是阶梯状变化的，越靠近基底(1)的吸收子层中的导电化合物的比例越高，越远离底层的吸收子层中的绝缘介质的比例越高。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述红外反射层(2)厚度不小于10纳米，所述的吸收层(3)的厚度在10～10000纳米之间，所述增透层(4)厚度在10～200纳米之间。
8.一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，采用磁控溅射技术依次在基底(1)上溅射红外反射层(2)、吸收层(3)和增透层(4)，其特征在于：所述吸收层(3)采用第一金属阴极(5)和第二金属阴极(6)反应溅射而成，在至少一种反应气体的溅射条件下，第一金属阴极(5)与反应气体反应形成导电化合物，第二金属阴极(6)与反应气体反应形成绝缘介质。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的第三金属阴极(7)用于溅射生成红外反射层(2)，采用以下材料中的一种或几种：铝、铜、银、金、铂、钼、钨、钛。所述的第一金属阴极(5)用于溅射生成吸收层(3)中的导电化合物，采用以下材料中的一种或几种：钛、锆、铪、钽、铜、钯、铁、镍、钼、钨。所述的第二金属阴极(6)用于溅射生成吸收层(3)中的绝缘介质和增透层(4)，采用以下材料中的一种或几种：铝、镁、硅。
10.根据权利要求8所述的一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的反应气体在下属材料中选择：氮气、氧气、甲烷、乙炔。
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