CN101737982A - 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，在基底上由底部到顶部形成三层膜结构，从基底向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层。第一层是红外反射层，由磁控溅射制备金属铜层构成，如果采用抛光后的不锈钢基底和Cu基底，基底可以直接作为红外反射层。第二层是吸收层，溅射制备一定比例的二硅化钼颗粒弥散在三氧化二铝陶瓷介质中形成合金-陶瓷复合层，结构上由厚度和MoSi2体积百分比各不同的两个亚层构成，可形成干涉吸收效应。第三层为Al2O3减反射层，采用Al2O3陶瓷靶射频溅射或者铝靶直流反应溅射制备。涂层具有良好的中高温热稳定性，在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.90～0.94，发射率为0.06～0.14。适用于中高温工作温度(300℃～500℃)的太阳能真空集热管。
Description
技术领域
本发明提供一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，具体涉及一种中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
太阳光谱选择性吸收涂层具有在太阳光谱可见一近红外波段高吸收，在中远红外波段高反射的选择吸收特性，是直接将太阳光能量转换为热能的功能薄膜。随着太阳能光热利用需求和技术的不断发展，太阳能光热应用的范围从低温应用(≤100℃)向中高温应用(350℃～500℃)发展。
目前太阳能光热应用范围主要为低温(小于100℃)，如普通太阳能热水器为家庭、宾馆提供洗浴以及生活用水等。在此温度范围使用的太阳能选择性吸收涂层是目前已研究和广泛应用的Al-N/Al渐变膜，这种膜系和工艺方法的优点是，采用Al单靶直流磁控溅射镀膜制备，设备操作简单，膜层吸收率高，对低温使用的全玻璃真空管比较适用，但对于中高温使用由于红外发射率随温度上升明显升高，长期使用后膜层不稳定，造成集热管热损增大，热效率明显下降。
经商品化的中高温型太阳能选择性吸收涂层，其结构为：以铜或铝为反射层、以氮化铝薄膜作减反层，中间吸收层是一种难熔金属粒子团簇弥散于陶瓷介质层构成的金属陶瓷层。已经选用的难熔金属材料有钨、钼、铂、铑、钌、金等金属。
但是，已有技术所提供的难熔金属材料范围较窄，许多是稀有金属或贵金属，价格昂贵，影响了中高温选择性吸收涂层的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，适用于中高温(300℃～500℃)太阳能光热转换系统，该涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简便，操作方便，生产周期短，溅射工况稳定。
为达到上述目的，本发明一种太阳能选择性吸收涂层，特别适用于中高温(300℃～500℃)太阳能光热转换系统的太阳能选择性吸收涂层，该涂层在吸热体基材表面由底部到顶部形成三层膜结构，每层膜的组成成分及其配比如下：
吸热体基材为玻璃片、铜片或不锈钢片。
第一层是红外反射层，由60～200nm厚的铜(Cu)金属膜构成，用金属Cu靶直流溅射方法，以氩气(Ar)作为溅射气体制备，如果采用抛光后的Cu片或不锈钢片为基底，可以用该基底直接作为红外反射层。红外反射层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低。
第二层是吸收层，成分上由二硅化钼(MoSi2)和三氧化二铝(Al2O3)的混合物组成，结构上由厚度和MoSi2体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为50～90nm，MoSi2体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为40～80nm，MoSi2体积百分含量为20％～40％。这两个亚层对太阳光谱具有本征吸收，同时通过厚度和MoSi2体积分数的匹配形成干涉效应，加强了涂层的吸收作用。
第三层为65nm厚的Al2O3减反射层，溅射气体为氩气，采用Al2O3陶瓷靶射频溅射制备或者铝(Al)靶直流反应溅射制备。
本发明一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层。在吸热体基材上溅射制备60-200nm的金属Cu红外反射层。如果选用抛光后的不锈钢片或铜片为基底，因为铜片和不锈钢片的红外反射率已经很高，为了制备工艺的简便，直接采用该基底作为红外反射层。
步骤二：制备第二层吸收层。选用纯度为99.99％的MoSi2靶和Al2O3靶，以直流、射频溅射制备MoSi2和Al2O3的金属陶瓷混合层。吸收层结构上由厚度和MoSi2体积分数各不同的两个亚层(金属陶瓷层)构成。第一亚层的厚度为50～90nm，MoSi2体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为40～80nm，MoSi2体积百分含量为20％～40％。
步骤三：制备第三层65nm厚的Al2O3减反射层，溅射气体为氩气，采用Al2O3陶瓷靶射频溅射制备或者铝靶直流反应溅射制备。
本发明一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，其优点是：
本发明所提供的选择性吸收涂层由红外反射层、MoSi2与Al2O3的混合物组成的双干涉吸收层和Al2O3减反射层组成，具有可见-近红外波段高吸收率，红外波段低发射率的特点，并且由于采用高熔点的金属MoSi2和Al2O3材料，具有良好的中高温热稳定性。该涂层制备工艺简便、操作方便、易于控制、显著降低生产成本。适用于中高温工作温度的太阳能集热管。
附图说明
图1为本发明选择性吸收涂层剖面示意图
具体实施方式
实施例一：本发明一种太阳能选择性吸收涂层，它包括三层：第一层红外反射层(本例采用抛光后的Cu片可以采用该基底直接作为红外反射层)、第二层吸收层、第三层减反射层。
第一层是红外反射层，由70nm厚的Cu金属膜构成，用金属Cu靶直流溅射方法，以Ar气作为溅射气体制备，如果采用抛光后的Cu和不锈钢片为基底，可以用该基底直接作为红外反射层。红外反射层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低。
第二层是吸收层，成分上由MoSi2和Al2O3的混合物组成，结构上由厚度和MoSi2体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为80nm，MoSi2体积百分含量为50％，第二亚层的厚度为70nm，MoSi2体积百分含量为30％。这两个亚层对太阳光谱具有本征吸收，同时通过厚度和MoSi2体积分数的匹配形成干涉效应，加强了涂层的吸收作用。
第三层为65nm厚的Al2O3减反射层，溅射气体为氩气，采用Al2O3陶瓷靶射频溅射制备或者Al靶直流反应溅射制备。
本发明一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层。在基底上溅射制备70nm的金属Cu红外反射层。如果选用抛光后的不锈钢片或铜片为基底，因为铜片和不锈钢片的红外反射率已经很高，为了制备工艺的简便，直接采用该基底作为红外反射层。
步骤二：制备第二层吸收层。选用纯度为99.99％的MoSi2靶和Al2O3靶，以直流、射频溅射制备MoSi2和Al2O3的金属陶瓷混合层。吸收层结构上由厚度和MoSi2体积分数各不同的两个亚层(金属陶瓷层)构成。第一亚层的厚度为80nm，MoSi2体积百分含量为50％，第二亚层的厚度为70nm，MoSi2体积百分含量为30％。
步骤三：制备第三层65nm厚的Al2O3减反射层，溅射气体为氩气，采用Al2O3陶瓷靶射频溅射制备或者Al靶直流反应溅射制备。
本实施案例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.94，发射率为0.08。进行真空退火处理，在2×10-2Pa真空度下，经500℃真空退火10小时后，涂层吸收率和发射率没有明显变化。
实施例二：制备一种太阳能选择性吸收涂层，包括三层：第一层红外反射层(本例采用抛光后的不锈钢片可以采用该基底直接作为红外反射层)、第二层吸收层、第三层减反射层。制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层。本实验中基底选用抛光后的铜片，因为铜片和不锈钢片的红外反射率已经很高，为了制备工艺的简便，直接采用该基底作为红外反射层。制备步骤同实施例一相同。
本实施案例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.94，发射率为0.14。进行真空退火处理，在2×10-2Pa真空度下，经500℃真空退火10小时后，涂层吸收率和发射率没有明显变化。
Claims (8)
1.一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：该涂层在吸热体基材表面由底部到顶部形成三层膜结构，每层膜的组成成分及其配比如下：
第一层是红外反射层，由铜金属膜构成，用金属铜靶直流溅射方法，以氩气作为溅射气体制备，如果采用抛光后的铜片或不锈钢片为基底，则用该基底直接作为红外反射层，红外反射层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低；
第二层是吸收层，成分上由二硅化钼和三氧化二铝的混合物组成；结构上由厚度和二硅化钼体积百分含量各不同的两亚层构成，这两个亚层对太阳光谱具有本征吸收，同时通过厚度和二硅化钼体积分数的匹配形成干涉效应，加强了涂层的吸收作用；
第三层为三氧化二铝减反射层，溅射气体为氩气，采用三氧化二铝陶瓷靶射频溅射制备或者铝靶直流反应溅射制备。
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：该吸热体基材为玻璃片。
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：该吸热体基材为铜片。
4.根据权利要求1所述的-种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：该吸热体基材为不锈钢片。
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：所述第一层红外反射层，其厚度为60～200nm。
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：所述第二层的第一亚层，其厚度为50～90nm，二硅化钼体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为40～80nm，二硅化钼体积百分含量为20％～40％。
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：所述第三层的厚度为65nm。
8.根据权利要求1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：其制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层，在吸热体基材上溅射制备60-200nm的金属铜红外反射层；如果选用抛光后的不锈钢片或铜片为基底，因为铜片和不锈钢片的红外反射率已经很高，为了制备工艺的简便，直接采用该基底作为红外反射层；
步骤二：制备第二层吸收层，选用纯度为99.99％的二硅化钼靶和三氧化二铝靶，以直流、射频溅射制备二硅化钼和三氧化二铝的金属陶瓷混合层；吸收层结构上由厚度和二硅化钼体积分数各不同的两个金属陶瓷层亚层构成；第一亚层的厚度为50～90nm，二硅化钼体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为40～80nm，二硅化钼体积百分含量为20％～40％；
步骤三：制备第三层65nm厚的三氧化二铝减反射层，溅射气体为氩气，采用三氧化二铝陶瓷靶射频溅射制备或者铝靶直流反应溅射制备。
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