CN101737983A - 一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳光谱选择性吸收涂层，它采用磁控溅射技术制备，吸热体由基底到顶部成三层膜结构：第一层，由具有高红外反射率的铜或铝金属基底作为红外反射层；第二层，由具有不同折射率和厚度的类金属层和类介质层两个亚层构成吸收层；第三层，由SiON薄膜作为减反射层。其制备方法：第一层红外反射层，将Cu或Al金属片进行超声清洗和抛光处理；第二层的类金属层，由两种金属的合金靶，以Ar气为溅射气体，在N2为反应气体之下，采用直流电源，反应溅射制备而成；类介质层，由两种金属的合金靶，以Ar气为溅射气体，在N2、O2为反应气体之下，采用直流电源，反应溅射而成；第三层减反射层，采用SiN靶，以Ar气为溅射气体，N2、O2为反应气体，采用射频电源，反应溅射制备，至此完成。

Description

一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能光热转换领域，具体涉及一种中高温太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备技术。
背景技术：
伴随着日益严峻的能源与环境问题，太阳能的利用成为各国政府的研究热点，其中太阳能的光热转换是太阳能利用中应用可行性及前景比较乐观但是研究却相对薄弱的部分(太阳能利用有三种形式：光-电，即太阳能电池；光-化学，即光催化；光-热，直接利用太阳热辐射)。
实现太阳能光热转化的核心材料是太阳能光谱选择性吸收涂层，它在0.3～2.5μm具有较高的吸收率(α)，同时在2.5～50μm红外光谱范围内具有低发射率，即所谓选择性吸收。研究和应用光谱选择性吸收涂层是太阳能热利用中的中心问题。近年来，随着需求的不断提高和技术的不断发展，太阳能选择性吸收涂层的应用范围从低温应用(≤100℃)向中高温(300℃-500℃)发展。
以黑钴、黑镍，Al-N渐变膜等为代表的传统膜系早已商业化，应用于200℃以内有较好的太阳能选择性吸收效果，但在中高温条件下其红外发射率随温度上升明显升高，热稳定性较差。Zhang Q.C.等人在渐变Al-AlN涂层的基础上研制了以AlN为介质基体的金属陶瓷选择性吸收涂层，并用直流共溅射方法将不锈钢(SS)，W等难溶金属粒子注入介质基体，在获得优良选择性吸收性能的基础上，其真空高温稳定性得到了改善。
当今社会的发展对材料的综合性能有了更高的要求，对于太阳能吸收涂层的中高温应用，单一的高吸收率、低发射率或热稳定指标已不能满足需求，需要一种能同时兼顾性能、外观、与环境相容型的新型材料。光学性能稳定、制备工艺简单、对环境无污染、成本低廉、能适合中高温使用的新型太阳能选择性吸收涂层是太阳能热利用研究的重要目标和发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层适用于中高温(400℃～600℃)太阳能光热转换系统，其吸收率高，发射率低，热稳定性好，色彩丰富，可作为功能型建筑材料表面涂层，实现太阳能利用与建筑一体化。
本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层，它采用磁控溅射技术制备，吸热体由基底到顶部成三层膜结构，其组成的成分及其配比如下：
第一层，由抛光的铜或铝金属基底置于底层作为红外反射层。金属片厚度为0.2～5mm，该层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低于0.05。
第二层，由具有不同折射率和厚度的两个亚层构成吸收层，分别为高折射率的类金属层和低折射率的类介质层。类金属层的成分是MXN，厚度为60～150nm，是两种金属M、X与它们的氮化物MNx、XNy的多相混合物{M、X各分别代表钛(Ti)、锆Zr、铝(Al)、铌(Nb)、铜(Cu)或铁(Fe)等金属，下同}，其折射率和消光系数等光学性质接近于金属相，金属相占总体积的体积比为50％～70％；类介质层的成分是MXON，厚度为15～50nm，是金属M、X与他们的氮氧化物MOxNy、XOxNy的多相混合物，其折射率和消光系数等光学性质近似于金属氮氧化物相，金属相占总体积的体积比为20％～40％。这两个亚层对太阳能光谱具有本征吸收作用，同时通过调节厚度和折射率的匹配形成干涉效应，加强了涂层的吸收作用。
第三层，由氮氧化硅薄膜构成减反射层，厚度为30～90nm。氮氧化硅具有增透、耐磨、耐蚀、抗离子渗透的作用，在进一步增加吸收率的同时提高涂层的稳定性。
本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，该方法如下：
第一层，将铜或铝金属基底进行超声清洗和抛光处理后作为红外反射层(即基底)。
第二层，是由具有不同折射率和厚度的类金属层和类介质层两个亚层(第一亚层和第二亚层)构成的吸收层。类金属层，由M、X两种金属的合金靶，以氩气为溅射气体，在氮气为反应气体的条件下，采用直流电源溅射而成，调节溅射时间控制该层厚度；类介质层，由M、X两种金属的合金靶，以氩气为溅射气体，在氮气和氧气为反应气体的条件下，采用直流电源溅射而成，调节溅射时间控制该层厚度。
第三层为氮氧化硅减反射层，采用氮化硅靶，以氩气为溅射气体，以氮气和氧气为反应气体，采用射频电源溅射制备。至此，本涂层制备完成。
本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，其优点如下：
涂层的结构为Cu(或Al)/MXN/MXON/SiON，以低发射率的金属基底代替以往的红外反射层，简化制备工艺；吸收层采用两种合金的氮化物和氮氧化物，可获得多种化合物组成，色彩丰富具有装饰性，可作为建筑墙面的表面涂层材料；金属的氮化物可作为基底扩散的阻挡层，同时避免了氧化问题，提高了涂层的热稳定性；选用清洁低价的金属，满足环境可持续发展的要求。
附图说明
图1为本发明选择性吸收涂层剖面结构示意图
具体实施方式
以下以Cu/TiNbN/TiNbON/SiON的制备为例说明，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。
见图1所示，本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层，它采用磁控溅射技术制备，吸热体基材表面由底部到顶部成三层膜结构，其组成的成分及其配比如下：
第一层由0.5mm厚的铜片做红外反射层；第二层为吸收层，包含类金属层和类介质层两个亚层(即第一亚层和第二亚层)，类金属层由金属钛、铌与氮化钛、氮化铌相混合组成，厚度为90nm，其中金属相体积比为60％，类介质层由金属相钛、铌与氮氧化钛、氮氧化铌混合组成，厚度为25nm，其中金属相体积比为20％；第三层为减反射层，由氮氧化硅薄膜构成，厚度为55nm。
本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，结合图1所示选择性吸收涂层剖面示意图，该涂层的制备工艺流程如下：(1)选用钛与铌原子比为1∶1的合金靶，将25mm×25mm×0.5mm大小的铜片分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗，采用溅射轰击做抛光处理；(2)溅射前将真空室预抽至本底真空5×10-4Pa，调节溅射距离为80mm，溅射气压为0.5Pa；(3)溅射时，通入150sccm的氩气，调节功率密度为3.5W/cm2，预溅半小时后，通入10sccm的氮气为反应气体，利用直流反应溅射方式制备吸收层第一亚层，溅射时间为3分钟，厚度为90nm；(4)通入10sccm的氧气，调节氩气流量为135sccm，氮气流量为5sccm，利用直流反应溅射方式制备第二亚层，溅射时间为1分钟，厚度为25nm；(5)选用氮化硅靶，调节氩气、氮气和氧气流量分别是100sccm、10sccm、1sccm，利用射频反应溅射制备第三层减反层SiON，溅射时间为8分钟，厚度为55nm。至此，本涂层制备完成。
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，涂层太阳光谱吸收率为0.95，发射率为0.05。进行真空退火处理，在5×10-1Pa真空度下，经500℃真空退火20小时后，涂层吸收率为0.94，发射率为0.07；在5×10-1Pa真空度下，经600℃真空退火20小时后，涂层吸收率为0.90，发射率为0.13；涂层表面呈紫红色，具有装饰效果。

Claims (5)

1.一种太阳能光谱选择性吸收涂层，它采用磁控溅射技术制备，吸热体由基底到顶部成三层膜结构，其特征在于：其结构组成如下：
第一层，将抛光的铜或铝金属基底置于底层作红外反射层，发射率低于0.05；
第二层，由具有不同折射率和厚度的两个亚层构成吸收层，分别为高折射率的类金属层和低折射率的类介质层；类金属层的成分是MXN，是两种金属M、X与它们的氮化物MNx、XNy的多相混合物，M和X分别代表钛、铝、铌、铜或铁；金属相占总体积的体积比为50％～70％；类介质层的成分是MXON，是金属M和X与他们的氮氧化物MOxNy、XOxNy的多相混合物，金属相占总体积的体积比为20％～40％；
第三层，由氮氧化硅薄膜构成减反射层。
2.根据权利要求1所述一种太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第一层即红外反射层，其厚度为0.2～5mm。
3.根据权利要求1所述一种太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第二层即吸收层中，类金属层的厚度为60～150nm，类介质层的厚度为15～50nm。
4.根据权利要求1所述一种太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第三层即减反射层，其厚度为30～90nm。
5.一种太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：该制备方法如下：
第一层，将铜或铝金属基底进行超声清洗和抛光处理，作为红外反射层；
第二层，由具有不同折射率和厚度的类金属层和类介质层两个亚层构成吸收层；类金属层，由两种金属的合金靶，以氩气为溅射气体，在氮为反应气体的条件下，采用直流电源溅射而成，调节溅射时间控制该层厚度；类介质层，由两种金属的合金靶，以氩气为溅射气体，在氮气和氧气为反应气体的条件下，采用直流电源溅射而成，调节溅射时间控制该层厚度；
第三层为氮氧化硅减反射层，采用氮化硅靶，以氩气为溅射气体，氮气和氧气为反应气体，采用射频电源溅射制备，至此，本涂层制备完成。
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