CN102108491A - 一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温太阳能选择性吸收涂层，包括底层红外反射层、中间层吸收层和表层减反层，所述底层红外反射层由Mo膜组成，厚度为50-200nm；中间层吸收层由两个亚层结构组成，均为Mo+SiO₂膜，厚度均为30-150nm，且贴近于底层红外反射层的第一亚层中Mo的体积百分比大于第二亚层中Mo的体积百分比；所述表层减反层为SiO₂膜，厚度为30-100nm。本发明还公开了高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。本发明涂层能够在350-600℃温度环境下稳定工作，涂层对太阳光谱的吸收率高、高温黑体辐射的发射率低。

Description

一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

 

【技术领域】

本发明涉及槽式太阳能高温热发电技术领域，具体涉及一种不锈钢高温集热管中太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

【背景技术】

太阳能热发电是大规模开发利用太阳能的一个重要技术途径，目前有塔式、槽式、碟式系统，其中以槽式和塔式系统商业应用较多，特别是槽式太阳能热发电，是迄今为止世界上唯一经过20年商业化运行的成熟技术，其造价远低于光伏发电。槽式聚光热发电系统的储能系统可以实现24小时运行，随着规模的增加，发电成本也具有很强的竞争力。目前，欧洲和美国正在建设一批改进的槽式太阳能热发电系统，其应用温度更高，性能更加优越。

槽式太阳能热发电中关键技术是高温太阳能选择性吸收涂层。对于太阳能选择性吸收涂层，虽然已经研究和广泛使用了黑铬、阳极氧化着色Ni-Al₂O₃以及具有成份渐变特征的SS-C/SS（不锈钢）和Al-N/Al等膜系，但都是属于低温应用，应用温度在200℃以内。为提高应用温度，开发了适合中温服役条件下的选择性吸收涂层，像Mo-Al₂O₃/Cu、SS-AlN/SS等材料体系，其使用温度能达到200℃-450℃。为了配合槽式太阳能热发电向更高温度、更高效率发展的趋势，需研发一种稳定性良好使用温度更高的高温选择性吸收涂层。

【发明内容】

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，能使集热管在350-600℃温度环境下工作时，涂层对太阳光谱的吸收率高、高温黑体辐射的发射率低、热稳定性良好。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高温太阳能选择性吸收涂层，包括底层红外反射层、中间层吸收层和表层减反层，所述底层红外反射层由Mo膜组成，厚度为50-200nm；中间层吸收层由两个亚层结构组成，均为Mo+SiO₂膜，厚度均为30-150nm，且贴近于底层红外反射层的第一亚层中Mo的体积百分比大于第二亚层中Mo的体积百分比；所述表层减反层为SiO₂膜，厚度为30-100nm。

优选地，第一亚层Mo的体积百分比为40%-60%，第二亚层中Mo的体积百分比为10%-30%。

如上述高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）对基底进行预处理；

先对不锈钢基底进行表面清洗、抛光表面处理，然在不锈钢基底装炉后用离子轰击其表面以增加活性，增强基底与第一层红外反射层的结合力；

（2）在基体上沉积第一层红外反射层；

采用金属Mo靶通过中频磁控溅射或直流磁控溅射方法制备，以Ar气作为溅射气体制备Mo膜，控制红外发射层厚度在50-200nm；

（3）在基体上沉积第二层中间层吸收层；

采用共溅射方式，在对Mo靶进行溅射的同时，采用石英靶射频磁控溅射方法溅射沉积SiO₂，形成吸收层第一亚层Mo-SiO₂膜，厚度控制为30-150nm，然后通过降低射频溅射SiO₂膜的功率，增加中频或直流磁控溅射Mo膜的功率，制备第二亚层Mo-SiO₂膜，厚度为30-150nm。

（4）在基体上沉积表层减反层；

第三层减反层为SiO₂膜，制备方法为停止中频或直流磁控溅射Mo，继续射频溅射SiO₂膜，厚度为30-100nm。

从以上技术方案可以看出，本发明所提供的选择性吸收涂层由红外金属反射Mo层、Mo和SiO₂混合组成的双干涉吸收层和陶瓷减反层组成。由于采用高熔点金属Mo材料、高熔点与高稳定性的石英层及由两者组成的金属陶瓷吸收层组成，具有良好的高温稳定性能，长期工作温度能达到600℃。同时，由于采用了双干涉吸收层结构，利用薄膜的干涉效应和光学陷阱来增强涂层的吸收效应，使膜层具有太阳光谱高的吸收率，红外光谱低发射率的特点。

【附图说明】

附图为本发明选择性吸收涂层剖面结构图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见附图所示，本发明高温太阳能选择性吸收涂层包括三层膜，从底层到表层依次为红外反射层1、中间层吸收层2和表层减反层3，第一层红外反射层由Mo膜组成，厚度在50-200nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，均为Mo+SiO₂膜，第一亚层21和第二亚层22的厚度均为30-150nm，第一亚层Mo的体积百分比为40%-60%，第二亚层中Mo的体积百分比为10%-30%；第三层减反层为SiO₂膜，厚度为30-100nm。

一种新型高温选择性吸收涂层的制备方法，包括以下几个步骤：

（1）对基底进行预处理；

先对不锈钢基底进行一系列表面处理，将不锈钢基底表面抛光，然后分别在丙酮和酒精中超声波清洗20-30min，然后再用去离子水超声波清洗5-10min，接着进行烘干处理，立即将烘干后的不锈钢基底装进磁控溅射腔体。等磁控溅射腔体本底真空预抽到3×103至5×103Pa，充入Ar气作为溅射气氛，调整溅射气压到1.5-3Pa，用偏压电源或用离子源对基底进行清洗20-30min。

（2）在基体上沉积第一层红外反射层；

选用纯度99.99%的Mo靶，在清洗完基底之后，调整溅射气压为3×10^-1~5×10^-1Pa，开启Mo靶电源。如果是中频磁控溅射，调整中频电源电流为8-10A；如果是直流磁控溅射，调整直流电源电压为370-450V；制备涂层厚度在50-200nm，该层对红外波段光谱具有高反射特性。 

（3）在基体上沉积第二层中间层吸收层；

选用纯度为99.99%的石英靶（SiO₂靶），采用共溅射方式即在对Mo靶进行溅射的同时，开启石英靶电源，调整射频溅射沉积SiO₂的功率为3-4KW，形成第一层金属陶瓷层即吸收层第一亚层Mo-SiO₂膜，厚度控制为30-150nm。

增加射频溅射SiO₂膜的功率到5-6KW，同时降低Mo靶中频电源电流到5-6A或降低直流磁控溅射Mo膜的电压到300-360V，继续制备第二亚层Mo-SiO₂膜，厚度为30-150nm。

（3）在第二层中间层吸收层上沉积第三层减反层；

第三层减反层为SiO₂膜。在上一膜层厚度达到后，停止Mo靶电源，而继续用射频功率为5-6KW进行溅射SiO₂膜，厚度控制为30-100nm。

本发明制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因数为1.5am条件下，涂层的吸收率为94.5%，450℃法向发射率为15%。进行真空退火处理，在2×10^-2Pa真空度下，经400℃真空退火1小时后，涂层吸收率为94%，450℃法向发射率为15%；在2×10^-2Pa真空度下，经600℃真空退火1小时后，涂层吸收率为93%，450℃法向发射率为16%。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，包括底层红外反射层、中间层吸收层和表层减反层，所述底层红外反射层由Mo膜组成，厚度为50-200nm；中间层吸收层由两个亚层结构组成，均为Mo+SiO₂膜，厚度均为30-150nm，且贴近于底层红外反射层的第一亚层中Mo的体积百分比大于第二亚层中Mo的体积百分比；所述表层减反层为SiO₂膜，厚度为30-100nm。

2.根据权利要求1所述的高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第一亚层Mo的体积百分比为40%-60%，第二亚层中Mo的体积百分比为10%-30%。

3.如权利要求1或2所述高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对基底进行预处理；

先对不锈钢基底进行表面清洗、抛光表面处理，然在不锈钢基底装炉后用离子轰击其表面以增加活性，增强基底与第一层红外反射层的结合力；

（2）在基体上沉积第一层红外反射层；

采用金属Mo靶通过中频磁控溅射或直流磁控溅射方法制备，以Ar气作为溅射气体制备Mo膜，控制红外发射层厚度在50-200nm；

（3）在基体上沉积第二层中间层吸收层；

采用共溅射方式，在对Mo靶进行溅射的同时，采用石英靶射频磁控溅射方法溅射沉积SiO₂，形成吸收层第一亚层Mo-SiO₂膜，厚度控制为30-150nm，然后通过降低射频溅射SiO₂膜的功率，增加中频或直流磁控溅射Mo膜的功率，制备第二亚层Mo-SiO₂膜，厚度为30-150nm；

（4）在基体上沉积表层减反层；

第三层减反层为SiO₂膜，制备方法为停止中频或直流磁控溅射Mo，继续射频溅射SiO₂膜，厚度为30-100nm。

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