CN101922816A - 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层在吸热体基底表面从底部到顶部由三层膜构成，第一层是红外反射层，由金属钼薄膜组成；第二层是吸收层，吸收层由镍铝合金颗粒和绝缘介质构成的复合金属陶瓷层组成，结构上由厚度和镍铝合金体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为35～70nm，镍铝合金体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为30～60nm，镍铝合金体积百分含量为20％～40％；第三层是氧化铝陶瓷薄膜构成的减反射层。其制备方法有三大步骤。在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为≥0.93，发射率≤0.09该涂层具有很好的热稳定性，可长期在600℃的真空环境下使用。本发明在太阳能热利用和热发电技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，是目前太阳能槽式热发电的关键技术之一。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。属于太阳能热利用和热发电技术领域。
(二)背景技术
太阳光谱选择性吸收涂层具有在太阳光谱：可见-近红外波段(300nm-2.5um)高吸收，在中远红外波段(2.5um-30um)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℃～600℃)发展，即开发太阳能热发电技术。
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。但从长远观点看，中高温利用有更好的前景和应用价值。目前已研究和发展的中高温太阳能选择性吸收涂层，其结构为：以铜或钼为反射层、以氧化铝薄膜作减反层，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，如Mo-Al2O3。已经选用的难熔金属材料有钨、钼等金属。
但是，已有技术普遍采用一种难熔金属粒子团簇与陶瓷介质复合构成金属陶瓷层，难熔金属粒子团簇在高温下容易发生氧化、扩散等，从而造成吸收涂层长期在高温下服役其光学性能下降，甚至失效。为了提高高温选择性吸收涂层的使用范围和稳定性，我们采用高温合金代替已有技术中单一的难熔金属材料。
(三)发明内容
1、目的：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，它适用于中高温(300℃～600℃)太阳能光热转换系统，用于太阳能热蒸汽发生系统和热发电技术。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。
2、技术方案；为达到上述目的，本发明提供一种太阳能选择性吸收涂层，它特别适用于中高温(300℃～600℃)太阳能光热转换系统的太阳能选择性吸收涂层，该涂层在吸热体基底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：
吸热体基底可以为铜或不锈钢材料。
第一层是红外反射层，由100～300nm厚的钼、钼合金、镍、镍铝合金、钨、钨合金、钛及钛合金中的一种或几种金属膜构成。以相应的金属作为靶材，采用直流溅射方法，以氩气(Ar)作为溅射气体制备。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，其成分由镍铝合金颗粒和绝缘介质构成的复合金属陶瓷层组成；该绝缘介质可以采用：氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅、镍铝合金的氮氧化物中的一种或几种。该吸收层的结构由厚度和AlNi体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为35～70nm，AlNi体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为30～60nm，AlNi体积百分含量为20％～40％。这两个亚层不但对太阳光谱具有本征吸收作用，同时通过厚度和AlNi体积分数的匹配具有干涉吸收效应，加强了涂层的吸收作用。
第三层为40-80nm厚的减反射层，所述的减反射层，采用以下材料中的一种或几种：氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅等。溅射气体为氩气，采用相应的铝，氧化铝，氮化铝，硅，氮化硅，氧化硅等靶材中的一种或几种，采用射频溅射或者直流反应溅射制备该涂层。
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：在吸热体基底(铜或不锈钢材料)上，采用磁控溅射镀膜仪制备红外反射层，由100～300nm厚的钼、钼合金、镍、镍铝合金、钨、钨合金、钛及钛合金等中的一种或几种金属膜构成。以相应的金属作为靶材采用直流溅射方法，以氩气(Ar)作为溅射气体制备，制备过程中溅射功率为2.5w/cm2溅射气压为0.7pa，氩气流量为50sccm。红外反射层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低。
步骤二：采用磁控溅射镀膜仪制备吸收层，该吸收层成分由镍铝合金颗粒和绝缘介质构成的复合金属陶瓷层组成，该绝缘介质采用：氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅、镍铝合金的氮氧化物等材料中的一种或几种组成，该复合金属陶瓷层采用镍铝合金靶和相应的氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅、镍铝合金的氮氧化物等介质靶中的一种或几种，采用共溅射的方法制备。该吸收层的结构由厚度和AlNi体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为35～70nm，AlNi体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为30～60nm，AlNi体积百分含量为20％～40％，制备过程中溅射气压为0.7pa，氩气流量为50sccm。这两个亚层对太阳光谱具有本征吸收，同时通过厚度和AlNi体积分数的匹配形成干涉吸收效应，加强了涂层的吸收作用。
步骤三：采用磁控溅射镀膜仪在吸收层之上制备厚度为40-80nm的减反射层，所述的减反射层，采用以下材料中的一种或几种组成：氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅等。溅射气体为氩气，采用相应的铝，氧化铝，氮化铝，硅，氮化硅，氧化硅等靶材中的一种或几种，采用射频溅射或者直流反应溅射制备该层，制备过程中溅射功率为5w/cm2溅射气压为1pa，氩气流量为50sccm。
3、优点及功效：
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、镍铝合金颗粒和绝缘介质构成的复合金属陶瓷层组成的双干涉吸收层和减反射层组成，具有可见-近红外波段高吸收率，红外波段低发射率的特点，吸收阈值在2.5um附近，并且采用高熔点的AlNi合金代替传统中高温涂层所使用的单一金属材料来构成金属陶瓷吸收层，从而具有良好的高温热稳定性，可以长期在600℃真空环境中使用。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。适用于中高温太阳能真空集热管。
(四)附图说明
图1为本发明选择性吸收涂层剖面示意图
(五)具体实施方式
实施例一：本发明提供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、第二层吸收层和第三层减反射层。
第一层是红外反射层，由200nm厚的Mo金属膜构成，用金属Mo靶直流溅射方法，以Ar气作为溅射气体制备。
第二层是吸收层，成分由AlNi合金团簇弥散在绝缘介质Al2O3中的金属陶瓷层构成，结构由厚度和AlNi体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为50nm，AlNi体积百分含量为50％，第二亚层的厚度为30nm，AlNi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AlNi体积分数的匹配形成干涉吸收效应，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。在不锈钢基底上溅射制备200nm的金属Mo红外反射层。
步骤二：制备第二层吸收层。选用纯度为99.99％的AlNi靶和Al2O3靶，分别以直流、射频溅射制备AlNi和Al2O3的金属陶瓷混合层。吸收层结构上由厚度和AlNi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50nm，AlNi体积百分含量为50％，第二亚层的厚度为30nm，AlNi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；Al靶直流反应溅射制备也可行。
本实施案例制备的太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率(300nm-2.5um)为0.95，发射率(2.5um-30um)为0.09。进行真空热处理，在2×10-2Pa真空度下，经600℃长时间保温后，涂层吸收率和发射率没有明显的变化。
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(本例采用抛光后的铜基底，因为铜具有良好的红外反射特性，所以可以采用该基底直接作为红外反射层)、第二层吸收层和第三层减反射层。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。其余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0.93，发射率为0.06。进行真空热处理，在2×10-2Pa真空度下，经600℃真空长时间保温处理后，涂层吸收率和发射率没有明显的变化。

Claims (3)

1.一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：在吸热体基底表面自下至上依次为红外反射层、吸收层和减反射层；
该红外反射层，由100-300nm厚的钼、钼合金、镍、镍铝合金、钨、钨合金、钛及钛合金中的一种或几种金属膜构成；以相应的金属作为靶材，采用直流溅射方法，以氩气作为溅射气体制备；
该吸收层，其成分由镍铝合金颗粒和绝缘介质构成的复合金属陶瓷层组成，该绝缘介质采用：氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅、镍铝合金的氮氧化物中的一种或几种；其结构由厚度和AlNi体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为35-70nm，AlNi体积百分含量为40％-60％，第二亚层的厚度为30-60nm，AlNi体积百分含量为20％-40％；
该减反射层，其厚度为40-80nm，采用氧化铝、氮化铝、氮化硅和氧化硅中的一种或几种制成；溅射气体为氩气，采用相应的铝，氧化铝，氮化铝，硅，氮化硅，氧化硅靶材中的一种或几种射频溅射或者直流反应溅射制备该涂层。
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：该吸热体基底为铜和不锈钢材料中的一种。
3.一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：选铜和不锈钢材料中的一种作为吸热体基底，采用磁控溅射镀膜仪制备红外反射层，由100～300nm厚的钼、钼合金、镍、镍铝合金、钨、钨合金、钛及钛合金中的一种或几种金属膜构成；以相应的金属作为靶材采用直流溅射方法，以氩气作为溅射气体制备，制备过程中溅射功率为2.5w/cm2，溅射气压为0.7pa，氩气流量为50sccm；
步骤二：采用磁控溅射镀膜仪制备吸收层，其成分由镍铝合金颗粒和绝缘介质构成的复合金属陶瓷层组成，绝缘介质采用：氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅、镍铝合金的氮氧化物材料中的一种或几种组成，金属陶瓷层采用镍铝合金靶和相应的氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅、镍铝合金的氮氧化物介质靶中的一种或几种，采用共溅射的方法制备；其结构由厚度和AlNi体积百分含量各不同的两亚层构成，第一亚层的厚度为35～70nm，AlNi体积百分含量为40％～60％，第二亚层的厚度为30～60nm，AlNi体积百分含量为20％～40％，制备过程中溅射气压为0.7pa，氩气流量为50sccm；
步骤三：采用磁控溅射镀膜仪在吸收层之上制备厚度为40-80nm的减反射层，该减反射层，采用氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化硅中的一种或几种组成；溅射气体为氩气，采用相应的铝，氧化铝，氮化铝，硅，氮化硅，氧化硅靶材中的一种或几种，采用射频溅射或者直流反应溅射制备该层，制备过程中溅射功率为5w/cm2溅射气压为1pa，氩气流量为50sccm。
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