CN102615879B - NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，它包括基底，基底上通过直流磁控反应溅射法由内向外依次设置有过渡层、红外反射层、吸收层和减反射层；吸收层由第一亚层和第二亚层构成。其制备方法为：采用NiCr合金作为导电粒子，其包括以下步骤：(1)选择基底，在基底上采用金属靶直流磁控溅射方法制备过渡层；(2)在过渡层上采用金属靶直流磁控溅射法制备红外反射层，金属靶为纯金属Cu或Al靶；(3)在红外反射层上采用NiCr合金靶直流磁控溅射法制备吸收层；(4)在吸收层上采用金属靶直流磁控溅射法制备减反射层。本发明具有沉积速率高、生产周期短的优点，采用的材料能满足环保要求。本发明可以广泛应用于太阳能热利用材料技术领域中。

Description

NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，特别是关于一种利用直流磁控反应溅射制备的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

随着新能源的推广和普及，以及科技的进步和发展，太阳能与建筑一体化对太阳热水器技术要求越来越高，市场需求越来越迫切。相对于真空管太阳能热水器产品而言，平板产品具有安全、可靠、高效、承压、更适于与建筑相融合，更有利于推动建筑一体化的发展。而集热板是平板太阳能集热器的核心部件，为了使集热板可以最大限度地吸收辐射能并将其转换成热能，开发和应用平板太阳能选择性吸收涂层成为发展平板集热器的关键。

常用的平板集热器涂层的制备工艺有：阳极氧化法、电镀黑铬法和真空电子束沉积。阳极氧化法和电镀黑铬法具有工艺复杂、手工操作多、工艺设计和生产不易控制、污染环境、涂层发射率高等缺点，因此，它们不适合对有精确要求的选择性吸收薄膜的制备。真空电子束沉积法，是国际市场上的高端太阳能集热器产品吸收膜，即卷绕制造的蓝膜生产技术。蓝膜的光学性能很好，但是涂层的生产成本也较高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能满足环保要求、制作工艺简单、成本较低，并且能与建筑一体化的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：它包括一基底，所述基底上通过直流磁控反应溅射法由内向外依次设置有一过渡层、一红外反射层、一吸收层和一减反射层；所述吸收层由第一亚层和第二亚层构成。

所述基底采用铝、铜或不锈钢基底。

所述过渡层为CrN、CrON、SiN或SiON层，其厚度为20～100nm；所述减反射层为CrON或SiON介质层，其厚度为20～100nm；所述过渡层的厚度小于所述减反射层的厚度。

所述吸收层的第一亚层和第二亚层均为CrON+NiCrON膜或SiON+NiCrON膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm；所述第一亚层中NiCr含量的体积百分比大于所述第二亚层中NiCr含量的体积百分比；所述第一亚层中NiCr含量的体积百分比为20～35％，所述第二亚层中NiCr含量的体积百分比为10～25％。

所述红外反射层为Cu层或Al层，其厚度为50～200nm。

一种实现上述NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，采用NiCr合金作为导电粒子，其包括以下步骤：(1)选择基底，在基底上采用金属靶直流磁控溅射方法制备过渡层；(2)在过渡层上采用金属靶直流磁控溅射法制备红外反射层，金属靶为纯金属Cu或Al靶；(3)在红外反射层上采用NiCr合金靶直流磁控溅射法制备吸收层，反应气体为N₂和O₂；首先将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，同时通入Ar和N₂、O₂的混合气，调节反应溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa，开启NiCr、Cr或Si靶电源，溅射电压为350～450V，溅射电流为10～30A，制备第一亚层CrON+NiCrON膜或SiON+NiCrON膜；然后提高N₂、O₂的流量，制备第二亚层CrON+NiCrON膜或SiON+NiCrON膜；(4)在吸收层上采用金属靶直流磁控溅射法制备减反射层，金属靶为Cr或Si靶，以Ar、O₂和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压为350～450V，溅射电流为10～30A。

所述步骤(1)中，所述过渡层为CrN或SiN层时，采用金属靶直流磁控溅射方法，金属靶为Cr或Si靶，以Ar和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节反应溅射气压2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压350～400V，溅射电流10～30A。

所述步骤(1)中，所述过渡层为CrON或SiON层时，采用金属靶直流磁控溅射方法，金属靶为Cr或Si靶，以Ar、O₂和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压350～450V，溅射电流为10～30A。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用NiCr合金和Cr材料作为导电粒子，利用直流磁控反应溅射法在基底上依次制备过渡层、红外反射层、吸收层和减反射层，具有沉积速率高、生产周期短的优点，采用的材料能满足环保要求。2、本发明由于吸收层包括第一亚层和第二亚层，第一亚层和第二亚层均由NiCrON+CrON(或SiON)膜构成，而CrON-NiCrON光谱选择性吸收涂层的光学性能参数比较好，且颜色可调节，附着力良好。3、本发明由于过渡层和减反射层均可以采用CrON，CrON具有较高的耐腐蚀性、更好的附着力和均一的结构，而且CrON薄膜会随着厚度的变化而呈现不同的颜色，实现了太阳能利用与建筑一体化。4、本发明的平板太阳能光谱选择性吸收涂层具有较好的光谱选择性吸收特性，该涂层具有很好的抗腐蚀性能，该涂层在非真空条件的使用温度为300摄氏度，该涂层除用于平板也可用于真空条件下使用，涂层色彩丰富，也可作为功能型建筑材料表面涂层。本发明可以广泛应用于太阳能热利用材料技术领域中。

附图说明

图1是本发明的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层包括一基底1，基底1上通过直流磁控反应溅射法由内向外依次设置有一过渡层2、一红外反射层3、一吸收层4和一减反射层5。其中，吸收层4由第一亚层和第二亚层构成。

上述实施例中，基底1可以采用铝、铜或不锈钢基底。

上述各实施例中，过渡层2为CrN、CrON、SiN或SiON层，其厚度为20～100nm；红外反射层3为Cu层或Al层，其厚度为50～200nm；吸收层4的第一亚层和第二亚层均为NiCrON+CrON(或SiON)膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm；减反射层5为CrON或SiON介质层，其厚度为20～100nm。

其中，第一亚层中NiCr含量的体积百分比大于第二亚层中NiCr含量的体积百分比；第一亚层中NiCr含量的体积百分比为20～35％，第二亚层中NiCr含量的体积百分比为10～25％。

上述实施例中，过渡层2的厚度小于减反射层5的厚度。

综上所述，本发明的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层在使用时，其太阳能吸收率可以达到93～95％，发射率为0.08～0.10；外观一致，性能稳定；避免了传统阳极氧化法造成的环境污染，并提高了综合性能。

本发明的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层制备方法，采用NiCr合金作为导电粒子，采用金属氮氧化合物NiCrON、CrON作为减反射层来制备导电粒子陶瓷复合吸收涂层，其包括以下步骤：

1)选择基底1，在基底1上采用金属靶直流磁控溅射方法制备过渡层2。

2)在过渡层2上采用金属靶直流磁控溅射法制备红外反射层3，金属靶为纯金属Cu或Al靶；

3)在红外反射层3上采用NiCr合金靶直流磁控溅射法制备吸收层4，反应气体为N₂和O₂；首先将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，同时通入Ar和N₂、O₂的混合气，调节反应溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa，开启NiCr、Cr(或Si)靶电源，溅射电压为350～450V，溅射电流为10～30A，制备第一亚层CrON(或SiON)+NiCrON膜；然后提高N₂、O₂的流量，制备第二亚层CrON(或SiON)+NiCrON膜。

4)在吸收层4上采用金属靶直流磁控溅射法制备减反射层5，金属靶为Cr或Si靶，以Ar、O₂和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压为350～450V，溅射电流为10～30A。

上述步骤1)中，当过渡层2为CrN或SiN层时，其制作方法为：采用金属靶直流磁控溅射方法，金属靶为Cr或Si靶，以Ar和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节反应溅射气压2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压350～400V，溅射电流10～30A。

上述步骤1)中，当过渡层2为CrON或SiON层时，其制作方法为：采用金属靶直流磁控溅射方法，金属靶为Cr或Si靶，以Ar、O₂和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压350～450V，溅射电流为10～30A。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：它包括一基底，所述基底上通过直流磁控反应溅射法由内向外依次设置有一过渡层、一红外反射层、一吸收层和一减反射层；所述吸收层由第一亚层和第二亚层构成；

所述吸收层的第一亚层和第二亚层均为CrON+NiCrON膜或SiON+NiCrON膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm；所述第一亚层中NiCr含量的体积百分比大于所述第二亚层中NiCr含量的体积百分比；所述第一亚层中NiCr含量的体积百分比为20～35%，所述第二亚层中NiCr含量的体积百分比为10～25%。

2.如权利要求1所述的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述基底采用铝、铜或不锈钢基底。

3.如权利要求1所述的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述过渡层为CrN、CrON、SiN或SiON层，其厚度为20～100nm；所述减反射层为CrON或SiON介质层，其厚度为20～100nm；所述过渡层的厚度小于所述减反射层的厚度。

4.如权利要求2所述的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述过渡层为CrN、CrON、SiN或SiON层，其厚度为20～100nm；所述减反射层为CrON或SiON介质层，其厚度为20～100nm；所述过渡层的厚度小于所述减反射层的厚度。

5.如权利要求1或2或3或4所述的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述红外反射层为Cu层或Al层，其厚度为50～200nm。

6.一种实现如权利要求1～5任意一项所述NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，采用NiCr合金作为导电粒子，其包括以下步骤：

（1）选择基底，在基底上采用金属靶直流磁控溅射方法制备过渡层；

（2）在过渡层上采用金属靶直流磁控溅射法制备红外反射层，金属靶为纯金属Cu或Al靶；

（3）在红外反射层上采用NiCr合金靶直流磁控溅射法制备吸收层，反应气体为N₂和O₂；首先将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，同时通入Ar和N₂、O₂的混合气，调节反应溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa，开启NiCr、Cr或Si靶电源，溅射电压为350～450V，溅射电流为10～30A，制备第一亚层CrON+NiCrON膜或SiON+NiCrON膜；然后提高N₂、O₂的流量，制备第二亚层CrON+NiCrON膜或SiON+NiCrON膜；

（4）在吸收层上采用金属靶直流磁控溅射法制备减反射层，金属靶为Cr或Si靶，以Ar、O₂和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压为350～450V，溅射电流为10～30A。

7.如权利要求6所述的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述过渡层为CrN或SiN层时，采用金属靶直流磁控溅射方法，金属靶为Cr或Si靶，以Ar和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节反应溅射气压2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压350～400V，溅射电流10～30A。

8.如权利要求6所述的NiCr系平板太阳能光谱选择性吸收涂层制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述过渡层为CrON或SiON层时，采用金属靶直流磁控溅射方法，金属靶为Cr或Si靶，以Ar、O₂和N₂的混合气体作为溅射气体制备；溅射前将真空室抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为2×10^-1～4×10^-1Pa；开启溅射靶电源，溅射电压350～450V，溅射电流为10～30A。