CN102582150A - 一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜技术和太阳能技术等新能源开发技术领域,特指一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法。本发明采用双层AlN作为减反射层,采用单层Si作为膜系的吸收层,采用铝板作为膜系的基体,其中基体采用MEMS工艺方法处理成具有微坑结构的形状;为了使膜与基体结合良好和提高红外反射,首先在基体上镀一层铝膜,该膜系从顶层至底层依次为:双层AlN膜减反射层、单层Si吸收层、单层铝膜红外反射层。本发明具有“制备工艺简单,吸收率/发射率高”的优点;基体表面所形成的微坑结构可实现对太阳光的多次反射以增加光吸收;双层AlN膜可有力地减少膜表面对太阳光可见光的反射。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜技术和太阳能技术等新能源开发技术领域,设计了一种新型的太阳能选择性吸收膜系,利用磁控溅射技术在经MEMS工艺方法处理后基体上进行了制备,特指一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法。
背景技术
太阳能热水器是通过光—热转化原理,将太阳能转化为高品位的热能以满足绝大多数消耗热能场合对能源需求的装置;太阳能热水器大大减少了人类对传统能源的使用,为能源的可持续发展作出积极贡献,目前平板型太阳能热水器由于与建筑结合一体化、外表美观、热效率高等一系列优势成为太阳能热水器发展的潮流和趋势;平板太阳能热水器开发技术中采用了太阳光谱选择性吸收薄膜,大幅地提高了热水器的光热转换效率,当前国内外关于各种太阳能选择性吸收薄膜的研究方兴未艾,如何高效地利用太阳能既是当前和长远社会发展所需解决的问题,也是广大科技工作者深感兴趣的重大研究课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法,以提高太阳能热水器的光—热转换效率,它具有“制备效率高、成本低和制作简单”等优点。
一种太阳能选择性吸收膜系,以铝板作为膜系的基体,其特征在于:所述吸收膜系从顶层至底层依次为:作为减反射层的双层AlN膜,第一层膜厚30~40nm,第二层膜厚40~50nm;作为吸收层的单层Si膜,膜厚70~100nm;作为红外反射层的单层铝膜,膜厚50~60nm;和基体铝板,所述基体铝板上均匀布有圆形凹坑,所述圆形凹坑的直径小于红外光波长。
cm2的基体铝板上均匀布有105个圆形凹坑。
本发明采用双层AlN作为减反射层,采用单层Si作为膜系的吸收层,采用铝板作为膜系的基体,其中基体采用MEMS工艺方法处理成具有微坑结构的形状,如图2所示;为了使膜与基体结合良好和提高红外反射,首先在基体上镀一层铝膜,该膜系从顶层至底层依次为:双层AlN膜减反射层、单层Si吸收层、单层铝膜红外反射层。
本发明解决其关键问题所采用的技术方案是采用刻蚀方法对基体进行微坑结构制备和利用磁控溅射技术生长减反射层、吸收层、红外反射层,其中通过控制溅射参数严格控制各膜层的厚度以及各膜层之间的界面特性。据此,其核心加工工艺如下:
1、 在洁净Al基体上制备微坑结构;
2、 单层铝膜红外反射层制备,在具有微坑结构的基体上制备单层Al膜;
3、 单层Si吸收层制备;
4、 双层AlN膜减反射层制备。
上述制备方案中,步骤1中所用基体为Al板,采用光刻蚀法在基体表面刻蚀微坑结构,以增强光吸收性能;同时微坑结构的尺寸小于红外光波长,以实现对可见光及近红外光的吸收和对红外光的反射作用。
上述制备方案中,步骤2中利用磁控溅射技术制备铝膜时,所用靶材为Al靶,溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Al膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为200℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;溅射直至获得所需厚度的Al膜。
上述制备方案中,步骤3中利用磁控溅射技术制备Si膜时,所用靶材为硅靶,溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为250℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;溅射直至获得所需厚度的Si膜。
上述制备方案中,步骤4中利用磁控溅射技术制备双层AlN膜减反射层时,所用靶材为Al靶;第一层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为200℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为40 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为40 sccm;溅射直至获得所需厚度的AlN膜;第二层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为250℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为60 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为20 sccm;溅射直至获得所需厚度的AlN膜。
本发明的有益效果:设计了一种新型的太阳能选择性吸收膜系结构,该新型太阳能选择性吸收膜系具有“制备工艺简单,吸收率/发射率高”的优点;基体表面所形成的微坑结构可实现对太阳光的多次反射以增加光吸收;双层AlN膜可有力地减少膜表面对太阳光可见光的反射。
附图说明
图1是本发明的太阳能选择性吸收膜系结构示意图;
图2是本发明的基体表面微凹陷结构分布示意图。
具体实施方式
1. 太阳能选择性吸收膜系结构设计
在Al基体上设计各膜层以实现对太阳可见光及近红外的吸收和低发射,见图1;为使透射光在基体表面产生多次反射和增加光吸收,在基体表面制造了微坑结构,且其微坑结构直径小于红外线波长可实现对红外光的反射。
2.太阳能选择性吸收膜的制备
2.1 基体的清洗
用磷酸清洗Al板基材,Al板尺寸为10cm×2cm;
酒精超声波清洗15分钟;
用去离子水冲洗基材表面;
用高纯氮气吹干。
上述制备方案中,步骤2中利用磁控溅射技术制备铝膜时,所用靶材为Al靶(直径为100 mm,厚度为5 mm),溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Al膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为200℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;所用溅射时间为5 min,所得Al膜厚度为60nm。
上述制备方案中,步骤3中利用磁控溅射技术制备Si膜时,所用靶材为硅靶(直径为100 mm,厚度为5 mm),溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为250℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;所用溅射时间为300 min,所得Si膜厚度为100nm。
上述制备方案中,步骤4中利用磁控溅射技术制备双层AlN膜减反射层时,所用靶材为Al靶(直径为100 mm,厚度为5 mm)。第一层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为200℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为40 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为40 sccm;所用溅射时间为300 min,所得AlN膜厚度为40nm。第二层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为250℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为60 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为20 sccm;所用溅射时间为300 min,所得AlN膜厚度为50nm。
2.2 制备设备及材料
设备:光刻蚀机、超声波清洗设备、溅射台;材料:光刻胶、氩气(纯度99.999%)、氮气(纯度99.999%)、铝靶(纯度99.99%)、硅靶(纯度99.999%)、酒精、棉絮等。
2.3 基体表面处理
将清洗完成后的Al基体,放入光刻蚀机中,采用预先设计出的掩膜图案,在基体表面刻蚀出微坑结构,刻蚀时间为5 min;刻蚀过程中采用氮气做保护气体,流量为20 sccm,微坑直径2.0,密度105个/cm2,即Al板上的圆形凹坑的个数为2×106个,以增强光吸收性能;同时实现对可见光及近红外光的吸收和对红外光的反射作用。
2.3 各层膜的生长
利用磁控溅射技术制备铝膜时,所用靶材为Al靶,Al靶直径为100 mm,厚度为5 mm,溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Al膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为200℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;所用溅射时间为5 min,所得Al膜厚度为60nm。
利用磁控溅射技术制备Si膜时,所用靶材为硅靶,硅靶直径为100 mm,厚度为5 mm,溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为250℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;所用溅射时间为300 min,所得Si膜厚度为100nm。
利用磁控溅射技术制备双层AlN膜减反射层时,所用靶材为Al靶,Al靶直径为100 mm,厚度为5 mm;第一层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为200℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为40 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为40 sccm;所用溅射时间为300 min,所得AlN膜厚度为40nm;第二层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为250℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为60 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为20 sccm;所用溅射时间为300 min,所得AlN膜厚度为50nm。
2.4 封装及其他后续工艺处理。
实施效果:本发明的太阳能选择性吸收膜系对波长为300~2100 nm范围内光波的平均吸收率可达96.5%以上,其吸收发射比为8~13。
Claims (3)
1.一种太阳能选择性吸收膜系,以铝板作为膜系的基体,其特征在于:所述吸收膜系从顶层至底层依次为:作为减反射层的双层AlN膜,第一层膜厚30~40nm,第二层膜厚40~50nm;作为吸收层的单层Si膜,膜厚70~100nm;作为红外反射层的单层铝膜,膜厚50~60nm;和基体铝板;所述基体铝板上均匀布有圆形凹坑,所述圆形凹坑的直径小于红外光波长。
3.如权利要求1所述的一种太阳能选择性吸收膜系的制备方法,包括在洁净Al基体上制备微坑结构的步骤;在具有微坑结构的基体上制备单层Al膜的步骤;单层Si吸收层制备的步骤;双层AlN膜减反射层制备的步骤,其特征在于:所述的在具有微坑结构的基体上制备单层Al膜的步骤为:利用磁控溅射技术制备铝膜时,所用靶材为Al靶,溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Al膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为200℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;溅射直至获得所需厚度的Al膜;所述单层Si吸收层制备的步骤为:利用磁控溅射技术制备Si膜时,所用靶材为硅靶,溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应中所用腔室温度为250℃;所用保护气体为Ar气,流量为80 sccm;溅射直至获得所需厚度的Si膜;双层AlN膜减反射层制备的步骤为:利用磁控溅射技术制备双层AlN膜减反射层时,所用靶材为Al靶;第一层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在200℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为200℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为40 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为40 sccm;溅射直至获得所需厚度的AlN膜;第二层AlN膜溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10-4 Pa,腔室在250℃条件下预热处理60 min,以减小腔室中氧原子对Si膜的氧化作用;反应时所用腔室温度为250℃;所用反应气体为高纯N2气,流量为60 sccm;所用保护气体为Ar气,流量为20 sccm;溅射直至获得所需厚度的AlN膜。
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