CN102653151B

CN102653151B - 一种太阳能选择性吸收涂层

Info

Publication number: CN102653151B
Application number: CN201210161445.9A
Authority: CN
Inventors: 孟秀清
Original assignee: Himin Solar Co Ltd
Current assignee: Himin Solar Co Ltd
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102653151A

Abstract

本发明公开了一种太阳能选择性吸收涂层，包括粘结层、红外反射层、扩散阻挡层、吸收层和减反射层，所述吸收层由至少两层金属陶瓷吸收层组成，所述至少两层吸收层均为陶瓷中掺杂金属原子组成的复合材料薄膜，其金属体积含量为膜层中间金属体积含量最高，从中间向两个边界方向金属体积含量逐渐降低，且不同平均金属体积含量的相邻两金属陶瓷吸收层之间的金属体积含量存在明显的界面。与渐变型和干涉型太阳能选择性吸收涂层相比，其吸收层金属体积为渐变的，具有渐变型太阳能选择性吸收涂层容易吸收太阳光谱的特点，同时，吸收层之间存在明显的界面，又可以具有光的相位干涉，增加了太阳光吸收。

Description

一种太阳能选择性吸收涂层

技术领域

本发明专利属于太阳能领域，具体涉及一种太阳能选择性吸收涂层。

背景技术

太阳能选择性吸收涂层沉积在太阳集热管上，太阳集热管的光热转换效率为式中B是外玻璃管的透光率(一般采用0.91)，α是涂层的太阳吸收比，ε_eff是集热管有效热发射比，由涂层热发射比ε和外玻璃管热发射比决定。由材料在红外区的折射率和消光系数决定。σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数(5.67×10^-8W/m²·K⁴)，T₁和T₂分别是集热管的内管和外管温度(K)，C是聚光系数，I是太阳光的总辐射功率(W/m²)。太阳吸收比α用公式在波长0.3-2.5μm计算得到,式中θ是入射角，λ是波长，A(λ)是太阳辐射光谱(W/m²·μm)，R(θ，λ)是涂层的反射比。从宏观分析，太阳光是电磁波，涂层对太阳光的吸收及反射、透射遵循麦克斯韦理论，同时遵循菲涅尔理论。根据理论分析，R(θ，λ)由材料在可见光和近红外折射率和消光系数决定。

上世纪八十年代，澳大利亚悉尼大学在实验室研制成功渐变型金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层，九十年代在中国开发并大量生产。渐变型太阳能吸收涂层结构首先由悉尼大学Richie和Window在1977年提出。太阳能选择性吸收涂层主要由三部分组成：靠近基材的是红外反射金属层，选用导电性较好的金属，如铝、铜、银等金属，纳米级金属薄膜材料；然后是吸收层，由金属-陶瓷复合材料组成，纳米级金属粒子均匀分布在陶瓷材料中组成复合材料；最外层是减反层，由透明的纳米级陶瓷薄膜材料组成。渐变型太阳能吸收涂层中有多层金属陶瓷吸收层(如10层)，从减反射层向里，金属体积含量呈梯度增加。而每一层内部金属粒子分布均匀，金属体积含量固定不变。靠近减反射层，金属体积含量最少，靠近金属红外反射层，金属体积含量最多。不同金属体积含量复合材料薄膜，具有不同的光学常数n（折射率）和k（消光系数），具有不同的吸收α(θ，λ)和反射R(θ，λ)特性。渐变型太阳能吸收涂层的多层吸收层结构可以有效的吸收太阳辐射。这种涂层调试参数比较多，吸收比和近红外发射比不容易达到理想值。

悉尼大学章其初，发明了干涉吸收型金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层，吸收层由2层或3层含有不同金属体积含量的金属陶瓷组成。太阳辐射被涂层内部吸收和相位干涉效应有效地吸收。与渐变膜相比，太阳吸收比大大增加，可达0.95-0.99。这一发明已在澳大利亚、美国等国批准发明专利。章其初发明了采用双金属靶在溅射气体Ar和反应气体N₂或O₂中同时直流磁控溅射制备耐高温的太阳吸收涂层，一金属靶反应溅射制备陶瓷成分；另一金属靶非反应溅射制备金属成分。这一发明已在中国批准发明专利（申请号96102331.7，公开号CN1159553A）。这种涂层调试参数比渐变型太阳能吸收涂层少很多，调试也相对容易。但是，每一种金属体积含量的涂层对应一种折射率和消光系数，调试过程中，需要找出两个吸收层比较合适的金属含量，并找到比较合适的膜层厚度，同时，找到比较合适的减反层厚度，才能得到优良的R(θ,λ)，实际工作有一定难度。

目前，太阳能选择性吸收涂层专利，其涂层结构基本以渐变型太阳能选择性吸收涂层和干涉型太阳能选择性吸收涂层为基础，仅进行金属和陶瓷成分的更换。这种渐变型和干涉型太阳能选择性吸收涂层一般由红外反射层、吸收层和减反层组成。吸收层又由两层或多层组成。

太阳选择性吸收涂层整体对太阳辐射的吸收比受众多因素影响，例如红外反射层的材质与粗糙度，吸收层的光学性质、厚度、材料种类，减反层的厚度与光学性质等。要提高太阳能选择性吸收涂层的吸收比，降低发射比，需要依次调节每个吸收层的金属含量、厚度，并同时调节减反层的厚度。根据排列组合，需要调试的工艺参数很多，光学性能参数不容易调到合理值。与渐变型太阳选择性吸收涂层相比，干涉型吸收涂层，吸收层数减少了很多，调试工艺相对容易。但是，要得到最佳的光学性能，每层吸收层的金属含量有多种选择，膜层厚度也有多种选择，因此，调试工艺比较烦琐。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种太阳能选择性吸收涂层，其单层金属陶瓷吸收层金属体积含量不像传统的太阳能选择性吸收涂层是在整个膜层中均匀分布的，而是随着膜层深度渐变的，金属体积含量在膜层中间最大，向两边逐渐减小。不同金属体积含量复合材料薄膜，具有不同的光学常数n（折射率）和k（消光系数），具有不同的吸收和反射特性，可以更好的吸收太阳辐射。金属陶瓷吸收层在太阳可见-近红外光谱内单色光的折射率和消光系数随着膜层厚度而变化，是一个连续的范围，而不是单个值。吸收层金属体积含量较少的情况下，可以使红外辐射透过，但通过内部吸收和相位干涉可使可见-近红外光谱范围内的太阳辐射得到充分吸收。同时吸收层之间金属体积含量有明显的差别，因此高金属体积含量吸收层和低金属体积含量吸收层之间存在明显的界面，又可以产生光的相位干涉，增加了太阳光吸收。

与渐变型和干涉型太阳能选择性吸收涂层相比，其吸收层金属体积含量范围比较宽，为渐变的，具有渐变型太阳能选择性吸收涂层容易吸收太阳光谱的特点，同时，吸收层之间存在明显的界面，又可以具有光的相位干涉，增加了太阳光吸收，吸收层在总金属体积含量不是很高的情况下，就可以得到一个比较合适的吸收比，因此红外发射比比较低。

每一层吸收层的金属体积含量，具有一种折射率、消光系数。优化渐变型和干涉型太阳能选择性吸收涂层，必须调整好各层的厚度，金属体积含量（折射率、消光系数），并调整好减反层厚度才能得到优良的选择性吸收性能。而本发明进行工艺调试时，金属体积含量调试选择范围减小，主要优化吸收层和减反层膜层厚度就可以得到较优的光学性能，节省调试工艺时间，节约成本。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种太阳能选择性吸收涂层，包括红外反射层、吸收层和减反射层，所述吸收层由至少两层金属陶瓷吸收层组成，所述至少两层吸收层均为陶瓷中掺杂金属原子组成的复合材料薄膜，其金属含量为膜层中间金属体积含量最高，从中间向两个边界方向金属体积含量逐渐降低，且不同平均金属体积含量的相邻两金属陶瓷吸收层之间的金属体积含量存在明显的界面。

不同金属体积含量复合材料薄膜，具有不同的光学常数n（折射率）和k（消光系数），具有不同的吸收和反射特性。复合材料薄膜膜层中间金属体积含量最高，从中间向两个边界方向金属体积含量逐渐降低，对应的光学常数n和k是一个范围，不是一个单值，可以更好的吸收太阳辐射。不同平均金属体积含量的相邻两金属陶瓷吸收层之间的金属体积含量存在明显的界面，可以产生太阳光的相消干涉，增加膜层对太阳辐射的吸收。调试工艺，主要考虑膜层厚度。在总金属体积含量不是很高的情况下，就可以得到国标规定的合格的吸收比，同时可以得到很低的发射比。这种膜层，辐射能力很小，可以应用在比较寒冷的地区，甚至可以应用在南极这样寒冷的地区；同时也可以应用在高温下，比如400℃。

目前现有的太阳能选择性吸收涂层，其吸收层为二层或二层以上，每层的金属含量均匀分布，不随膜厚厚度变化，仅对应单一的光学常数n和k。调试工艺复杂，需考虑膜层厚度和金属含量。如果得到国标规定的合格的吸收比，发射比会比较高（发射比符合国标要求）。这种膜层辐射能力较高，可以工作在不是很寒冷的地区，工作温度200℃以下，不适合在很寒冷的地区使用。

所述金属陶瓷吸收层，由若干层不同金属含量的金属陶瓷吸收层组成，每层金属陶瓷吸收层又由若干层子吸收层组成，子吸收层金属含量由abcd段组成，其中a、b、c、d点依次对应膜层一侧到另一侧不同位置的金属体积含量，金属体积含量从a向b逐渐增加，ab间线段为直线、向下凹或向上凸的弧形；bc段位于单层膜层中间位置，b点和c点金属体积含量相等，b、c间金属体积含量可以相等，或不相等，即bc间线段直线、向下凹或向上凸的弧形；cd段金属体积含量分布与ab段对称，从c向d逐渐降低。

所述金属陶瓷吸收层中低金属陶瓷吸收层，低金属体积含量a、d点与高金属陶瓷吸收层最低金属含量（a、d点）不相等。低金属陶瓷吸收层膜层厚度为30-150nm。高金属陶瓷吸收层膜层厚度为30-150nm。

所述金属陶瓷吸收层由若干层不同金属含量的金属陶瓷吸收层组成，每层金属陶瓷吸收层又分别由若干层子金属陶瓷吸收层组成。金属陶瓷吸收层总膜层厚度为60-300nm。

所述金属陶瓷吸收层，金属陶瓷是在至少一种反应气体和一种惰性气体中，有两种金属靶共同溅射形成的。该金属成分可选用如钨、钨合金、镍、镍铬合金、铂、钼、钼合金、不锈钢等金属靶材在惰性气体中溅射沉积得到。该陶瓷成分可选用纯铝靶或铝合金靶在至少一种反应气体如氮气中溅射反应沉积得到。

所述减反射层由可透射的陶瓷材料组成，可选用折射率低的材料，如氮化铝AlN、氧化铝Al₂O₃、氮氧化铝或二氧化硅SiO₂等组成，采用反应气体N₂或O₂、或N₂和O₂混合气体。该膜层可以进一步降低太阳光波段涂层的光谱反射率，增加透过率，同时具有耐磨、抗氧化、热稳定性好等优点。膜层厚度50-100nm。

所述扩散阻挡层沉积在吸收层和红外反射层之间，材料可以选金属或陶瓷，如铝、氮化铝或氧化铝。用于阻挡红外反射层金属与吸收层金属之间的相互扩散。厚度优选20-40nm。

所述红外反射层采用低红外辐射率的金属薄膜材料，如铝、铜、金、银、钼和钨等金属。通过磁控溅射沉积形成金属薄膜，厚度范围一般在50-500nm，该薄膜具有镜面反射，在红外波段反射率极高，可以提高涂层的红外光谱反射率。太阳能选择性涂层如果长期工作在低温（如100℃以下），厚度可以优选100nm以下，如果长期工作在中高温（如100-300℃），厚度可以优选100nm以上，增强涂层红外反射。

所述粘结层，直接沉积在基材上，基材可选用玻璃或抛光的金属，材料可选用粘结性能介于吸收层和底层之间的材料，可选用陶瓷或金属陶瓷材料。如可选用氮化铝、氧化铝或氮氧化铝，或其中一种与金属组成的金属陶瓷。膜层厚度20-40nm。

本发明专利的有益效果是：其金属陶瓷吸收层中金属含量为渐变型。吸收层金属体积含量范围比较宽，所对应的单色光消光系数和折射率在一个具体范围内，而不是固定的一个值（一种金属体积含量的金属陶瓷膜层具有一种折射率和消光系数）。不同平均金属体积含量的相邻两金属陶瓷吸收层之间的金属体积含量存在明显的界面，可以产生太阳光的相消干涉，增加膜层对太阳辐射的吸收。因此膜层更容易吸收太阳光谱，膜层中总金属含量不是很高的情况下，就可以得到比较优良的吸收比，一般92%以上。同时红外发射比很低，一般4%，沉积这种涂层的真空集热管，红外辐射能量比较小，尤其随着温度的升高幅度较小。沉积这种涂层的真空集热管，可以应用在比较寒冷的地区，比如南极。同时也可以工作在高温下，比如400℃。调试工艺，主要考虑膜层厚度，简化了调试程序，节省了调试时间，节约了耗材及耗电。

附图说明

图1太阳能选择性吸收涂层结构示意图。

图中：1.粘结层；2.红外反射层；3.扩散阻挡层；4.高金属陶瓷吸收层；5.低金属陶瓷吸收层；6.减反射层；7.基材。

图2太阳能选择性吸收涂层（四层吸收层）从表层到内部，金属体积含量变化示意图。

1.粘结层；2.红外反射层；3.扩散阻挡层；4.高金属陶瓷吸收层；5.低金属陶瓷吸收层；6.减反射层。

图3太阳能选择性吸收涂层（多层吸收层）从表层到内部，金属体积含量变化示意图。

图4真空集热管与磁控溅射靶间距示意图，直线型真空镀膜室横截面图。

图中：8.真空室壁；9.磁控溅射金属靶；10.玻璃管轨道；11.玻璃管；12.磁控溅射孪生靶。

图5金属陶瓷吸收层镀膜室横截面图示意图

图6真空集热管与磁控溅射靶间距示意图，圆型真空镀膜室横截面图。

图中：8.真空室壁；9.磁控溅射金属靶；10.玻璃管轨道；11.玻璃管；12.磁控溅射孪生靶。13.磁控溅射金属靶。14.挡板。15.镀膜室门。

图7太阳能选择性吸收涂层（4层吸收层）太阳光谱反射比测量图。

图8太阳能选择性吸收涂层（2层吸收层）太阳光谱反射比测量图。

图9太阳能选择性吸收涂层（多层吸收层）太阳光谱反射比测量图。

图10太阳能选择性吸收涂层4层金属陶瓷吸收层中，金属体积含量归一化。

图11太阳能选择性吸收涂层2层金属陶瓷吸收层中，金属体积含量归一化。

图12太阳能选择性吸收涂层多层金属陶瓷吸收层中，部分低金属陶瓷吸收层金属体积含量归一化。

图13太阳能选择性吸收涂层多层金属陶瓷吸收层中，部分高金属陶瓷吸收层金属体积含量归一化。

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：金属陶瓷吸收层为4层的太阳能选择性吸收涂层

在玻璃管上沉积AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太阳能选择性吸收涂层。具体膜层结构见图1太阳能选择性吸收涂层结构示意图和图2太阳能选择性吸收涂层（四层吸收层）从表层到内部，金属体积含量变化示意图。

如图1、图2所示，一种太阳能选择性吸收涂层，依次由粘结层、红外反射层、扩散阻挡层、高金属陶瓷吸收层、低金属陶瓷吸收层和减反射层组成，所述吸收层由金属陶瓷吸收层组成，为陶瓷中掺杂金属粒子组成的复合材料薄膜。

所述减反射层由可透射的陶瓷材料组成，本实例选用氮化铝，采用反应气体N₂。

所述低金属陶瓷吸收层是太阳能选择性吸收涂层的吸收层组成部分。每层低金属陶瓷吸收层由陶瓷中掺杂金属粒子组成的复合材料薄膜构成，膜层中间金属体积含量最高，从中间向两个边界方向，金属体积含量逐渐降低。如图2太阳能选择性吸收涂层（四层吸收层）从表层到内部，金属体积含量变化示意图，图2中abcd段是单层金属陶瓷吸收层（4为高金属含量吸收层，5为低金属含量吸收层），金属体积含量由abcd段组成，a、b、c、d点分别对应不同的金属体积含量，金属体积含量从a向b逐渐增加，ab间线段呈直线。bc段位于单层膜层中间位置，其间金属体积含量可以相等，也可以不相等，即bc间线段成直线，或成上凸或下凹的弧形。cd段金属体积含量分布与ab段对称。

所述高金属陶瓷吸收层是太阳能选择性吸收涂层的吸收层组成部分。具体结构除金属体积含量不同，其余和低金属陶瓷吸收层完全相同或类似。

本实例中，吸收层由两层低金属陶瓷吸收层和两层高金属陶瓷吸收层组成。

所述扩散阻挡层沉积在吸收层和红外反射层之间，本实例选用氮化铝。

所述红外反射层采用低红外辐射率的金属薄膜材料，本实例通过磁控溅射沉积形成铜金属薄膜。

所述粘结层，直接沉积在基材上，本实例基材选用高硼硅玻璃，粘结层材料选用氮化铝。

本实例采用太阳能集热管真空磁控溅射连续镀膜线，镀膜线的镀膜区由若干个镀膜室和抽真空室组成。镀膜室用于磁控溅射沉积涂层，抽真空室用于镀膜室抽真空。具体描述如下。

在图4所示为真空集热管与磁控溅射靶间距示意图，直线型真空镀膜室横截面图。图中两侧8为真空室壁，中间为11玻璃管，能够自转，并能沿10玻璃管轨道直线行进。玻璃管一侧为12磁控溅射孪生靶，用于磁控溅射沉积陶瓷成分。另一侧为9磁控溅射金属靶，用于沉积吸收层中的金属成分。每个真空室溅射宽度0.8米。玻璃管在行进过程中，与金属靶的距离x、y、z不断变化，所得到的金属成分或陶瓷成分也不断变化。本实例中的太阳能集热管真空磁控溅射连续镀膜线采用十一个真空镀膜室直线排列在一起，中间分别采用配有分子泵抽真空的真空室隔离，进行镀膜室的真空度维持。十一个真空镀膜室分别是一个粘结层、一个金属红外反射层、一个扩散阻挡层、四个吸收层、四个减反层。玻璃管依次走过十一个真空镀膜室，直线行进，走速0.5米/分钟，自转40转/米。当真空度达到10^-3Pa时，分别充Ar和N₂进行磁控溅射，工作真空度0.4Pa。

图5给出金属陶瓷吸收层镀膜室横截面示意图。共计四个镀膜室，其中两个是低金属陶瓷吸收层镀膜室（镀膜1和镀膜室2），两个是高金属陶瓷吸收层镀膜室（镀膜3和镀膜室4）。每个镀膜室结构与图4所示直线型真空镀膜室相同。

本实例中具体的太阳能选择性吸收涂层沉积过程如下。

玻璃管一边自转，一边直线行进，依次经过太阳能集热管真空磁控溅射连续镀膜线十一个镀膜室，在玻璃管上依次沉积太阳能选择性吸收涂层各部分。

首先是AIN粘结层真空镀膜室，除没有9磁控溅射金属靶，其余组成与图4相同。从Ar进气管充纯Ar，从N²管充纯N²，磁控溅射孪生靶12接中频电源，磁控反应溅射沉积AIN粘结层。功率10KW。采用美国Veeco公司的Dektak 6M台阶仪测试厚度为32nm。第二是红外反射层Cu真空镀膜室室，除没有12磁控溅射孪生靶，其余组成与图4相同。从Ar进气管充纯Ar，直流磁控非反应溅射沉积Cu红外反射层。功率30KW。采用美国Veeco公司的Dektak 6M台阶仪测试厚度为70nm。第三是扩散阻挡层AIN真空室，真空工艺与第一真空室相同。磁控反应溅射沉积AIN阻挡层。测试厚度为33nm。第四是高金属陶瓷吸收层SS-AIN真空镀膜室，即图5中镀膜室1。从Ar进气管充纯Ar，从N²管充纯N²，磁控溅射孪生靶12接中频电源，磁控反应溅射沉积陶瓷成分AIN，功率20KW。磁控溅射金属靶9接直流电源，磁控非反应溅射金属成分SS，功率20KW。第五是高金属陶瓷吸收层SS-AIN真空镀膜室，即图5中镀膜室2，重复镀膜室1中工艺。测试高金属陶瓷吸收层厚度为51nm。第六是低金属陶瓷吸收层SS-AIN真空镀膜室，即图5中镀膜室3。从Ar进气管充纯Ar，从N²管充纯N²，磁控溅射孪生靶12接中频电源，磁控反应溅射沉积陶瓷成分AIN，功率20KW。磁控溅射金属靶9接直流电源，磁控非反应溅射金属成分SS，功率9KW。第七是低金属陶瓷吸收层SS-AIN真空镀膜室，即图5中镀膜室4。重复镀膜室3中工艺。测试低吸收层厚度为39nm。第八、九、十、十一四个镀膜室是减反层AIN真空镀膜室，反应溅射功率30KW，其余工艺与第一真空镀膜室相同。测试减反层厚度为73nm。

使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度计（0.3-2.5μm），测量太阳能选择性吸收涂层在0.3-2.5μm太阳光谱范围内的反射比谱值R，结果见图7，经计算得到太阳吸收比a为93.2%，使用TJ270-30红外分光光度计（2.5-25μm），测量太阳能选择性吸收涂层在红外光谱范围内的反射比谱值R，结果见图7，计算得到的涂层80℃发射比为4.1%。

采用本实施例镀膜设备，正对12磁控溅射孪生靶溅射中心放置一玻璃基片，以此为中心，每隔50mm放置一玻璃基片，采用与本实例高金属陶瓷吸收层和低金属陶瓷吸收层相同的工艺溅射AIN涂层，然后采用Dektak台阶仪测量膜层厚度分布。同时，玻璃基片放置位置同AIN，采用与本实例高金属陶瓷吸收层相同的工艺溅射SS，然后采用Dektak台阶仪测量膜层厚度分布。玻璃基片放置同AIN，采用与本实例低金属陶瓷吸收层相同的工艺溅射SS，然后采用Dektak台阶仪测量膜层厚度分布。采用以上测试数据计算高金属（SS）体积与金属陶瓷体积比值，同时计算低金属（SS）体积与金属陶瓷体积比值，进行归一化，具体见图10太阳能选择性吸收涂层4层金属陶瓷吸收层中，金属体积含量归一化。两个吸收层只是SS靶溅射功率不同，所以金属含量体积归一化后图形相似。

实施例2：金属陶瓷吸收层为2层的太阳能选择性吸收涂层

在玻璃管上沉积AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太阳能选择性吸收涂层。涂层与实例1基本相同，具体膜层结构见图3太阳能选择性吸收涂层从表层到内部，金属体积含量变化示意图。本实例中，n等于1，m等于1，即只有一层高金属陶瓷吸收层，一层低金属陶瓷吸收层。本实例与实例1相比，仅有吸收层不同，实例1两层高金属陶瓷吸收层，两层低金属陶瓷吸收层，而本实例高、低金属吸收层各有一层。其余膜层结构完全相同，工艺参数也基本相同。因此，本实例仅详述两层吸收层的工艺参数。

本实例采用实例1中太阳能集热管真空磁控溅射连续镀膜线，其中金属陶瓷吸收层镀膜室（图5），仅采用镀膜室2沉积低金属陶瓷吸收层，镀膜室3沉积高金属陶瓷吸收层。镀膜1和镀膜室4停用。

在镀膜室1和镀膜室3中，从Ar进气管充纯Ar，从N²进气管充纯N²，保持真空室气压0.4Pa。镀膜室2中，磁控溅射孪生靶12接中频电源，磁控反应溅射沉积陶瓷成分AIN，功率40KW。磁控溅射金属靶9接直流电源，磁控非反应溅射金属成分SS，功率40KW。镀膜室3中，磁控溅射孪生靶12接中频电源，磁控反应溅射沉积陶瓷成分AIN，功率40KW。磁控溅射金属靶9接直流电源，磁控非反应溅射金属成分SS，功率19KW。

使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度计（0.3-2.5μm），测量太阳能选择性吸收涂层在0.3-2.5μm太阳光谱范围内的反射比谱值R，结果见图8太阳能选择性吸收涂层（2层吸收层）太阳光谱反射比测量图，经计算得到太阳吸收比为93%，使用TJ270-30红外分光光度计（2.5-25μm），测量太阳能选择性吸收涂层在红外光谱范围内的反射比谱值R，结果见图8，计算得到的涂层80℃发射比为3.9%。

采用实例1中Dektak台阶仪测量膜层厚度，并采用实例1试验方法进行金属含量归一化计算，做图11太阳能选择性吸收涂层2层金属陶瓷吸收层中，金属体积含量归一化。

实施例3：

在玻璃管上沉积AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太阳能选择性吸收涂层。本实例与实例1相比，仅有吸收层不同，实例1两层高金属陶瓷吸收层，两层低金属陶瓷吸收层，而本实例高、低金属陶瓷吸收层各有多层。具体膜层结构见图3太阳能选择性吸收涂层从表层到内部，金属体积含量变化示意图。本实例中，n等于24，即含有24层低金属陶瓷吸收层子层，m等于18，即含有18层高金属陶瓷吸收层子层。其余膜层结构与实例1完全相同，不再详述。

本实例采用圆型镀膜室，具体结构见图6真空集热管与磁控溅射靶间距示意图，圆型真空镀膜室横截面图。图6中，真空镀膜室由8真空室壁和15镀膜室门组成。真空镀膜室中心装有两支13磁控溅射金属靶和一支12磁控溅射靶，三支靶中间用挡板隔离。在12磁控溅射靶两侧的挡板上分别固定N²进气管和Ar进气管。11玻璃管围绕三支靶在10玻璃管轨道公转，同时自转。在15镀膜室门上装有9磁控溅射金属靶，可以沉积金属成分。

在镀膜过程中，玻璃管做行星运动，太阳能选择性吸收涂层被均匀沉积在玻璃管上。制备金属陶瓷吸收层时，采用12磁控溅射靶溅射沉积陶瓷成分，玻璃管表面距离12磁控溅射靶距离基本相同，沉积的陶瓷成分厚度基本相同。采用9磁控溅射金属靶沉积金属成分，玻璃管表面距离9磁控溅射金属靶随11玻璃管在10玻璃管轨道上的位置而变，因此沉积的金属成分厚度也是变化的。12磁控溅射靶和9磁控溅射金属靶同时在Ar气和N2混合气体中溅射。

采用圆型镀膜室在在玻璃管上沉积AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太阳能选择性吸收涂层过程如下。

具体膜层结构见图3太阳能选择性吸收涂层（多层吸收层）从表层到内部，金属体积含量变化示意图。首先沉积粘结层。11玻璃管自转，并沿10玻璃管轨道公转。玻璃管每分钟公转3圈，自转50圈。圆型真空镀膜室后面配有扩散板和机械泵抽真空，当真空度达到10^-3Pa时，充Ar和N²，工作真空度0.4Pa，采用12磁控溅射靶进行反应溅射沉积粘结层AIN，时间1分钟，功率12KW。采用美国Veeco公司的Dektak 6M台阶仪测试厚度为29nm。第二层是红外反射层，关掉N²，充Ar，工作压强0.3Pa，采用13磁控溅射金属靶直流磁控非反应溅射Cu薄膜。每支靶功率16KW。时间3分钟。采用美国Veeco公司的Dektak 6M台阶仪测试厚度为135nm。第三层是扩散阻挡层，与粘结层工艺相同。测试膜层厚度30nm。第四层是高金属陶瓷吸收层SS-AIN，由18层子层组成。分别充纯Ar和纯N²，工作真空度0.4Pa，采用磁控溅射靶12反应溅射沉积AIN，溅射功率12KW。因为磁控溅射靶12位于圆型真空室中心，靶与玻璃管的距离始终相等，沉积在玻璃管上的膜层厚度始终是均匀的。同时，采用9磁控溅射金属靶非反应沉积SS，溅射功率10KW，溅射时间6分钟，每分钟玻璃管在真空镀膜室中转3圈，沉积3层高金属陶瓷吸收层子层。测试高金属陶瓷吸收层膜厚45.7nm。第五层是低金属陶瓷吸收层SS-AIN，SS靶溅射功率4.5KW，溅射时间8分钟，沉积低金属陶瓷吸收层子层24层。其余与高金属陶瓷吸收层相同。测试低金属陶瓷吸收层膜厚37.7nm。第六层是AIN减反层，关掉低吸收层SS靶，继续进行溅射AIN。沉积AIN工作时间10分钟。测试膜厚60nm。

使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度计（0.3-2.5μm），测量太阳能选择性吸收涂层在0.3-2.5μm太阳光谱范围内的反射比谱值R，结果见图9太阳能选择性吸收涂层（多层吸收层）太阳光谱反射比测量图。经计算得到太阳吸收比为94%，使用TJ270-30红外分光光度计（2.5-25μm），测量太阳选择性吸收涂层在红外光谱范围内的反射比谱值R，结果见图9，计算得到的涂层80℃发射比为4%。

采用本实施例镀膜设备，正对磁控溅射靶12溅射中心放置一玻璃基片，以此为中心，每隔50mm放置一玻璃基片，采用与本实例高金属陶瓷吸收层和低金属陶瓷吸收层相同的工艺溅射AIN涂层，然后采用Dektak台阶仪测量膜层厚度分布。同时，玻璃基片放置同AIN，采用与本实例高金属吸收层相同的工艺溅射SS，然后采用Dektak台阶仪测量膜层厚度分布。玻璃基片放置同AIN，采用与本实例低金属吸收层相同的工艺溅射SS，然后采用Dektak台阶仪测量膜层厚度分布。采用以上测试数据计算高金属（SS）体积与金属陶瓷（AIN和SS）体积比值，并进行归一化。作图12太阳能选择性吸收涂层多层金属陶瓷吸收层中，部分低金属陶瓷吸收层金属体积含量归一化。和图13太阳能选择性吸收涂层多层金属陶瓷吸收层中，部分高金属陶瓷吸收层金属体积含量归一化图。图中低金属陶瓷吸收层，b、c点合并在一起，膜层厚度为37.7nm，每个子层膜层厚度1.57nm。高金属陶瓷吸收层，膜层厚度为45.7nm。每个子层膜层厚度2.54nm。

Claims

1.一种太阳能选择性吸收涂层，包括粘结层、红外反射层、扩散阻挡层、吸收层和减反射层，其特征是，所述吸收层由至少两层金属陶瓷吸收层组成，所述至少两层吸收层均为陶瓷中掺杂金属原子组成的复合材料薄膜，其金属体积含量为膜层中间金属体积含量最高，从中间向两个边界方向金属体积含量逐渐降低，且不同平均金属体积含量的相邻两金属陶瓷吸收层之间的金属体积含量存在明显的界面；

所述金属陶瓷吸收层的膜层金属含量均由abcd段组成，其中a、b、c、d点依次对应膜层一侧到另一侧不同位置的金属体积含量，其中金属体积含量从a向b逐渐增加，ab间线段为直线；bc段位于单层膜层中间位置，其间金属体积含量相等，即bc间线段为直线；cd段金属体积含量分布与ab段对称；

所述吸收层分为低金属陶瓷吸收层和高金属陶瓷吸收层，低金属陶瓷吸收层的最低金属含量与高金属陶瓷吸收层最低金属含量不相等；低金属陶瓷吸收层膜层厚度为30nm；高金属陶瓷吸收层膜层厚度为30nm；

所述吸收层由两层高金属陶瓷吸收层和两层低金属陶瓷吸收层组成；

所述减反射层由可透射的陶瓷材料组成，选用折射率低的材料氮化铝AlN、氧化铝Al₂O₃、氮氧化铝或二氧化硅SiO₂组成；膜层厚度50nm；

所述红外反射层采用低红外辐射率的金属薄膜材料通过磁控溅射沉积形成金属薄膜，厚度范围为50-500nm。

2.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征是，所述吸收层总膜层厚度为60-300nm。

3.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征是，所述金属陶瓷吸收层中的金属成分选用钨、钨合金、镍、镍铬合金、铂、钼、钼合金、或不锈钢金属靶材在惰性气体中溅射沉积得到；该陶瓷成分选用纯铝靶或铝合金靶在至少一种反应气体溅射反应沉积得到。

4.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征是，所述扩散阻挡层沉积在吸收层和红外反射层之间，材料选自金属或陶瓷；厚度为20-40nm。

5.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征是，所述粘结层，直接沉积在基材上，基材选用玻璃或抛光的金属，材料选用陶瓷或金属陶瓷材料；金属陶瓷材料选用氮化铝、氧化铝或氮氧化铝；膜层厚度20-40nm。