CN102635964A - 一种宽光谱太阳能吸收涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱太阳能吸收涂层，包括红外反射层和覆盖在红外反射层上的吸收层；红外反射层为加工成镜面的基底；吸收层由重量百分比5％～20％的还原的石墨烯氧化物和80％～95％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成，本发明宽光谱太阳能吸收涂层具有吸收率高、热稳定性相对较好、耐候性好等优点，特别适合用于太阳能光热转换系统，有利于市场化推广和应用。本发明还公开了一种宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：将基底加工成镜面后，再用还原的石墨烯氧化物和乙烯-醋酸乙烯共聚物采用溶剂刮膜法或熔融压制法制备吸收层，得到宽光谱太阳能吸收涂层。该方法制备工艺简单，操作方便，易于控制，能够显著降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能吸收涂层及其制备领域，具体涉及一种还原的石墨烯氧化物(RGO)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)低温宽光谱太阳能吸收涂层及其制备方法，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
随着能源与环境问题的日益严峻，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的方式之一，太阳能利用主要有二种形式：光-电，即太阳能电池；光-热，直接利用太阳热辐射。太阳能吸收涂层在太阳光谱范围内具有良好的吸收特性，是直接将太阳能转化为热能的功能薄膜。随着太阳能光热利用需求和技术的不断发展，太阳能光热利用范围在不断扩大。
目前采用半导体涂层如硫化铅、黑镍等材料制备的吸收涂层，制备过程相对复杂，而且对环境存在一定的污染。如胡文旭等(黑镍选择性吸收涂层光学性能研究，陕西师范大学学报，Vol.30 No.4 Dec.2002)制备的黑镍太阳能吸收涂层采用电镀方法制备多层结构，工艺相对复杂，成本较高并且对环境存在污染；Gesheva等(Black molybdenum photothermal converter layersdeposited by pyrolytic hydrogen reduction of MoO2Cl2，Solar Energy Materials&Solar Cells.2003，76：563-576)利用常压或等离子体化学气相沉积(CVD)由羰基钼和MoO2Cl2为前驱体制备MoxOy涂层，此工艺复杂，成本较高。
授权公告号为CN100457973C的中国专利公开了一种提高吸收率的太阳能选择性吸收膜，该太阳能选择性吸收膜包括：反射层；形成在该反射层上的辐射吸收层；形成在该辐射吸收层上的抗反射层；以及形成在抗反射层上的金属薄层，该金属薄层的厚度小于20纳米。该辐射吸收层采用金属-陶瓷复合式吸收层。虽然该太阳能选择性吸收膜的吸收率提高了，但是该太阳能选择性吸收膜制备工艺复杂，制备成本较高，难于工业化大规模生产，也不利于市场化推广。
石墨烯(即还原的石墨烯氧化物)的问世引起了全世界的研究热潮同时石墨烯的应用变得越来越广泛。还原的石墨烯氧化物(RGO)对太阳光谱有着很好的吸收性能。目前有关还原的石墨烯氧化物(RGO)对太阳光谱吸收性的应用研究报道很少，并且还没有报道将RGO应用在太阳能吸收涂层中。
发明内容
本发明提供了一种吸收率高、热稳定性相对较好的宽光谱太阳能吸收涂层。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种宽光谱太阳能吸收涂层，包括红外反射层和覆盖在红外反射层上的吸收层；
所述的红外反射层为加工成镜面的基底；
所述的吸收层由重量百分比5％～20％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比80％～95％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
将还原的石墨烯氧化物(RGO)掺入到具有良好加工性和耐候性的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)中形成复合物，作为吸收层，使得宽光谱太阳能吸收涂层对太阳能具有良好的吸收性。
为了取得更好的发明效果，以下作为本发明的优选：
所述的吸收层的厚度为20μm～200μm，该厚度的吸收层，对太阳能具有更好的吸收性。
所述的加工成镜面的基底为覆盖有铜膜的玻璃片、抛光成镜面的铜片或者抛光成镜面的不锈钢片。将铜片或者不锈钢片进行抛光处理(物理抛光或者化学抛光)达到镜面效果，得到抛光成镜面的铜片或者抛光成镜面的不锈钢片，也可以在玻璃片上经过磁控溅射技术制备铜膜得到覆盖有铜膜的玻璃片。加工成镜面的基底作为基底兼作红外反射层。
所述的还原的石墨烯氧化物可直接选用市售产品。
所述的吸收层由重量百分比10％～12％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比88％～90％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。在该含量的组分下，吸收层的反射率更低，吸收效果更好。
所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物可选用市售的通用牌号。
本发明还提供了一种宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，操作方便，制作工艺简单，生产周期短。
所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
将基底加工成镜面后，再用还原的石墨烯氧化物和乙烯-醋酸乙烯共聚物采用溶剂刮膜法或熔融压制法制备吸收层，得到宽光谱太阳能吸收涂层。
所述的溶剂刮膜法包括以下步骤：
将乙烯-醋酸乙烯共聚物溶于甲苯得到乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液，向乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液中加入还原的石墨烯氧化物，超声分散形成混合液，然后将混合液倾倒于加工成镜面的基底上进行刮膜制备吸收层，得到宽光谱太阳能吸收涂层。
作为优选，所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液中乙烯-醋酸乙烯共聚物的重量百分含量为9％～12.5％；所述的超声分散的条件：在超声功率550w～650w下超声2～3分钟，使得制备的吸收层中RGO片层均匀分散在EVA分子中，从而使得吸收层具有更高的吸收率和更好的热稳定性。
所述的熔融压制法包括以下步骤：
将还原的石墨烯氧化物加入到经过加热熔融的乙烯-醋酸乙烯共聚物熔体中，混合均匀，得到混合熔体，再将混合熔体置于加工成镜面的基底上，经液压机压制成膜制备吸收层，冷却后得到宽光谱太阳能吸收涂层；
作为优选，所述的加热熔融的温度为100℃～150℃，使得制备的吸收层中RGO片层均匀分散在EVA分子中，从而使得吸收层具有更高的吸收率和更好的热稳定性。
或者，
将还原的石墨烯氧化物和乙烯-醋酸乙烯共聚物加入到封闭密炼机中进行密炼混匀，制得胚型塑胶，之后将胚型塑胶置于加工成镜面的基底上，经液压机压制成膜制备吸收层，冷却后得到宽光谱太阳能吸收涂层。
作为优选，所述的密炼的条件为：在90℃～100℃密炼3～5分钟，使得制备的吸收层中RGO片层均匀分散在EVA分子中，从而使得吸收层具有更高的吸收率和更好的热稳定性。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
本发明宽光谱太阳能吸收涂层由红外反射层，RGO与EVA均匀分散形成的吸收层组成。该宽光谱太阳能吸收涂层结构简单，因石墨烯的加入而使得形成的吸收层有很好的韧性，因EVA的加入使得形成的吸收层有很好的加工性，该宽光谱太阳能吸收涂层具有吸收率高、热稳定性相对较好、耐候性好等优点，特别适合用于太阳能光热转换系统，有利于市场化推广和应用，具有广阔的应用前景。而且在0～10000nm的光谱范围内，反射率的值在0～0.2范围内，表明本发明宽光谱太阳能吸收涂层有着很好的吸收效果。
本发明宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，制备工艺简单，操作方便，易于控制，能够显著降低生产成本，易于工业化大规模生产，具有较好的经济效益。
附图说明
图1为本发明宽光谱太阳能吸收涂层的结构示意图；
图2为实施例2中的宽光谱太阳能吸收涂层的反射率曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，为宽光谱太阳能吸收涂层，包括红外反射层1和覆盖在红外反射层1上的吸收层2；其中，红外反射层1为加工成镜面的基底，吸收层2由重量百分比5％～20％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比80％～95％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
吸收层2的厚度为20μm～200μm。加工成镜面的基底为覆盖有铜膜的玻璃片、抛光成镜面的铜片或者抛光成镜面的不锈钢片。
实施例1
将铜片进行抛光处理(物理抛光或者化学抛光)达到镜面效果，由于抛光成镜面的铜片的红外反射率很高，因此，为了制作工艺的简单，直接采用该抛光成镜面的铜片作为基底兼作红外反射层。
选用具有优异加工性能和耐候性的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，以及还原的石墨烯氧化物(RGO)，采用美国杜邦生产的牌号为150的乙烯-醋酸乙烯共聚物，醋酸乙烯质量百分数为32％，熔体指数为43g/10min，密度为0.967g/cm3，还原的石墨烯氧化物(RGO)为片层结构。
将铜片抛光成镜面后，将10g的乙烯-醋酸乙烯共聚物溶于86.6g(即100ml)的甲苯得到乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液，向乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液中加入1.2g的还原的石墨烯氧化物，在超声功率600w下超声分散3分钟，形成混合液，然后将混合液倾倒于通有弱电流的抛光成镜面的铜片上进行刮膜制备吸收层，得到宽光谱太阳能吸收涂层。
制备的宽光谱太阳能吸收涂层中的吸收层，厚度为100μm±2μm，RGO片层均匀分散在EVA分子中，吸收层由重量百分比11％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比89％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
本实例制备的宽光谱太阳能吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，在0～10000nm的光谱范围内，反射率的值在0～0.2范围内，说明该宽光谱太阳能吸收涂层有着很好的吸收效果，该宽光谱太阳能吸收涂层的吸收率为0.952，在大气环境下稳定使用温度在-5℃～70℃。
实施例2
将铜片进行抛光处理(物理抛光或者化学抛光)达到镜面效果，由于抛光成镜面的铜片的红外反射率很高，因此，为了制作工艺的简单，直接采用该抛光成镜面的铜片作为基底兼作红外反射层。
选用具有优异加工性能和耐候性的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，以及还原的石墨烯氧化物(RGO)，采用美国杜邦生产的牌号为150的乙烯-醋酸乙烯共聚物，醋酸乙烯质量百分数为32％，熔体指数为43g/10min，密度为0.967g/cm3，还原的石墨烯氧化物(RGO)为片层结构。
将铜片抛光成镜面后，将1.2g还原的石墨烯氧化物加入到经过加热熔融(加热熔融的温度为130℃)的10g乙烯-醋酸乙烯共聚物熔体中，混合均匀，得到混合熔体，再将混合熔体置于抛光成镜面的铜片上，经液压机压制成膜制备吸收层，自然冷却后得到宽光谱太阳能吸收涂层；
制备的宽光谱太阳能吸收涂层中的吸收层，厚度为100μm±2μm，RGO片层均匀分散在EVA分子中，吸收层由重量百分比11％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比89％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
本实例制备的宽光谱太阳能吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，如图2所示，在0～10000nm的光谱范围内，反射率的值在0～0.2范围内，说明该宽光谱太阳能吸收涂层有着很好的吸收效果，该宽光谱太阳能吸收涂层的吸收率为0.956，在大气环境下稳定使用温度在-5℃～70℃。
实施例3
将铜片进行抛光处理(物理抛光或者化学抛光)达到镜面效果，由于抛光成镜面的铜片的红外反射率很高，因此，为了制作工艺的简单，直接采用该抛光成镜面的铜片作为基底兼作红外反射层。
选用具有优异加工性能和耐候性的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，以及还原的石墨烯氧化物(RGO)，采用美国杜邦生产的牌号为150的乙烯-醋酸乙烯共聚物，醋酸乙烯质量百分数为32％，熔体指数为43g/10min，密度为0.967g/cm3，还原的石墨烯氧化物(RGO)为片层结构。
将铜片抛光成镜面后，将还原的石墨烯氧化物1.2g和乙烯-醋酸乙烯共聚物10g加入到封闭密炼机中在95℃密炼4分钟，制得胚型塑胶，之后将胚型塑胶置于抛光成镜面的铜片上，经液压机压制成膜，制备吸收层，自然冷却后得到宽光谱太阳能吸收涂层。
制备的宽光谱太阳能吸收涂层中的吸收层中，厚度为100μm±2μm，RGO片层均匀分散在EVA分子中，吸收层由重量百分比11％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比89％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
本实例制备的宽光谱太阳能吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，在0～10000nm的光谱范围内，反射率的值在0～0.2范围内，说明该宽光谱太阳能吸收涂层有着很好的吸收效果，该宽光谱太阳能吸收涂层的吸收率为0.952，在大气环境下稳定使用温度在-5℃～70℃。
实施例中没有展开来描写的技术内容请参考磁控溅射技术和聚合物加工技术，为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种宽光谱太阳能吸收涂层，其特征在于，包括红外反射层和覆盖在红外反射层上的吸收层；
所述的红外反射层为加工成镜面的基底；
所述的吸收层由重量百分比5％～20％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比80％～95％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
2.根据权利要求1所述的宽光谱太阳能吸收涂层，其特征在于，所述的吸收层的厚度为20μm～200μm。
3.根据权利要求1所述的宽光谱太阳能吸收涂层，其特征在于，所述的加工成镜面的基底为覆盖有铜膜的玻璃片、抛光成镜面的铜片或者抛光成镜面的不锈钢片。
4.根据权利要求1所述的宽光谱太阳能吸收涂层，其特征在于，所述的吸收层由重量百分比10％～12％的还原的石墨烯氧化物和重量百分比88％～90％的乙烯-醋酸乙烯共聚物组成。
5.根据权利要求1～4任一项所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将基底加工成镜面后，再用还原的石墨烯氧化物和乙烯-醋酸乙烯共聚物采用溶剂刮膜法或熔融压制法制备吸收层，得到宽光谱太阳能吸收涂层。
6.根据权利要求5所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的溶剂刮膜法包括以下步骤：
将乙烯-醋酸乙烯共聚物溶于甲苯得到乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液，向乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液中加入还原的石墨烯氧化物，超声分散形成混合液，然后将混合液倾倒于加工成镜面的基底上进行刮膜制备吸收层，得到宽光谱太阳能吸收涂层。
7.根据权利要求6所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物甲苯溶液中乙烯-醋酸乙烯共聚物的重量百分含量为9％～12.5％；
所述的超声分散的条件：在超声功率550w～650w下超声2～3分钟。
8.根据权利要求5所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的熔融压制法包括以下步骤：
将还原的石墨烯氧化物加入到经过加热熔融的乙烯-醋酸乙烯共聚物熔体中，混合均匀，得到混合熔体，再将混合熔体置于加工成镜面的基底上，经液压机压制成膜制备吸收层，冷却后得到宽光谱太阳能吸收涂层；
或者，
将还原的石墨烯氧化物和乙烯-醋酸乙烯共聚物于密闭环境中密炼混匀，制得胚型塑胶，之后将胚型塑胶置于加工成镜面的基底上，经液压机压制成膜制备吸收层，冷却后得到宽光谱太阳能吸收涂层。
9.根据权利要求8所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的加热熔融的温度为100℃～150℃。
10.根据权利要求8所述的宽光谱太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述的密炼的条件为：在90℃～100℃密炼3～5分钟。
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