CN102706018A - 一种太阳能中高温选择性吸收涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在大气状态下具有高稳定性的太阳能中高温选择性吸收涂层。涂布在太阳能集热元件上，涂层自基底向上由红外反射层、吸收层、介质减反层组成，其特征在于所述的红外反射层为铝的三元合金层，吸收层为铝的三元合金纳米粒子和介质母体组成的合金金属介质母体复合结构。吸收层从红外反射层向上依次是高吸收层和低吸收层。该涂层具有较高的热稳定性，非常适合用太阳能中高温利用。

Description

一种太阳能中高温选择性吸收涂层
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，特别涉及利用磁控溅射沉积技术制备的太阳能中高温选择性吸热涂层。
技术背景
太阳能选择性吸热涂层在太阳光谱范围（0.3~2.5微米）具有较高的吸收率,在红外趋于（2~50微米）具有低的发射率。它能把低能量密度的太阳能转换成高能量密度的热能，把太阳能收集起来，提高太阳能光热转换效率。
太阳能吸热涂层被应用到太阳能集热设备上，分为低温，中温和高温利用涂层。工作温度越高，其热转化效率也就越高，太阳能热利用朝中高温方向发展是必然的趋势。当今我国在中低温太阳能吸热涂层的制备方面已经具备成熟的技术。Al/AlN渐变涂层和SS-AlN干涉吸收涂层已经在真空管太阳能热水器领域大面积推广使用。但是在中高温热利用领域，我国在涂层制备方面技术仍不成熟，研制具有高温稳定性能的太阳能吸热涂层是太阳能热利用领域工作者努力的方向。
根据吸收太阳光的原理和膜层结构的不同，选择性吸收膜层的基本类型有半导体膜层；干涉膜层；多层渐变膜层；金属-介质母体膜层；多孔膜层。金属-介质母体膜层结构应用最为广泛，其中Mo-Al2O3,W-Al2O3等体系的吸收涂层已经在太阳能热发电领域得到应用。但由于Mo和W在高温下极易与氧发生反应，因此对应用过程中的真空环境提出了很高的要求。所以寻找比W和Mo更为抗氧化的替代物便成为新一代吸热涂层的重要方向。
发明内容
本发明提供了一种在大气环境中具有高稳定性的太阳能中高温选择性吸热涂层。
本发明高稳定性的太阳能选择性吸热涂层，涂布在太阳能集热元件上，涂层自基底向上依次由红外反射层、吸收层、介质减反层组成，其特征在于所述的红外反射层为铝的三元合金层，吸收层为铝的三元合金纳米粒子和介质母体组成的合金金属介质母体复合结构。
所述红外反射层为铝的三元合金层，由合金靶通过磁控溅射制备，所述铝的三元合金选自铝钛铬、铝镍铬、铝硅铬中的一种。
所述吸收层由两层具有不同掺杂浓度的铝的三元合金纳米粒子合金介质母体复合薄膜构成。每一层均选自铝钛铬、铝镍铬、铝硅铬中的一种掺杂的合金介质母体结构，通过介质母体靶与合金靶共溅射制备。从红外反射层向上依次是高吸收层和低吸收层，根据铝的三元合金纳米粒子掺杂浓度不同的高、低掺杂层分别对应高、低吸收层，高掺杂层的合金填充因子在0.22-0.58之间，低掺杂层的合金填充因子在0.05-0.22之间。所述介质母体靶是铝、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。
所述介质母体是铝、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。
所述介质减反层是铝、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。通过铝、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物的介质母体靶直接溅射制备。
本发明中所述的铝钛铬、铝镍铬、铝硅铬合金具有非常高的熔点以及好的耐氧化性能，是W、Mo等的理想替代物，制备金属合金-介质母体结构的中高温太阳能选择性吸收涂层。本发明涂层具有较高的热稳定性，非常适合用太阳能中高温利用。
附图说明
图1为本发明的太阳能选择性吸热涂层结构示意图
附图标记说明：1、基底；2、红外反射层，3、高吸收层，4、低吸收层，5、介质减反层
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。本发明中，以高吸收率和低发射率为目标进行优化，高吸收层和低吸收层的厚度均在35-80nm之间，而介质减反层的厚度在70-90nm之间。红外反射层要求不透光，因此厚度在90-120nm之间。以下实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
膜层的制备采用磁控溅射的方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝钛铬合金靶，氧化铝靶。在制备涂层的过程中，保持氧化铝靶功率不变，通过改变合金靶的功率来调整吸收层的填充因子。首先在经过清洗的玻璃基片上制备100nm的铝钛铬合金层。然后同时开启铝钛铬合金靶和氧化铝介质母体靶，先制备40nm厚度的高吸收层，填充因子为0.38。接着制备45nm厚度的低吸收层，填充因子为0.15。最后关闭铝钛铬合金靶，制备85nm的氧化铝减反层。将涂层置于400摄氏度大气环境中老化70小时后自然冷却。测试结果表明吸收率为0.96，发射率为0.05，涂层具有良好的热稳定性。
涂层的具体结构如图1所示。
实施例2
膜层的制备采用磁控溅射的方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝镍铬合金靶，氧化铝靶。在制备涂层的过程中，保持氧化铝靶功率不变，通过改变合金靶的功率来调整吸收层的填充因子。首先在经过清洗的玻璃基片上制备115nm的铝镍铬合金层。然后同时开启铝镍铬合金靶和氧化铝介质母体靶，先制备45nm厚度的高吸收层，填充因子为0.58。接着制备35nm厚度的低吸收层，填充因子为0.22。最后关闭铝镍铬合金靶，制备90nm的氧化铝减反层。测试结果表明吸收率为0.94，发射率为0.06。
实施例3
膜层的制备采用磁控溅射的方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝钛铬合金靶，氧化硅靶。在制备涂层的过程中，保持氧化硅靶功率不变，通过改变合金靶的功率来调整吸收层的填充因子。首先在经过清洗的玻璃基片上制备110nm的铝钛铬合金层。然后同时开启铝钛铬合金靶和氧化硅介质母体靶，先制备67nm厚度的高吸收层，填充因子为0.22。接着制备70nm厚度的低吸收层，填充因子为0.05。最后关闭铝钛铬合金靶，制备82nm的氧化硅减反层。测试结果表明吸收率为0.94，发射率为0.05。
实施例4
膜层的制备采用磁控溅射的方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝硅铬合金靶，氧化硅靶。在制备涂层的过程中，保持氧化硅靶功率不变，通过改变合金靶的功率来调整吸收层的填充因子。首先在经过清洗的玻璃基片上制备95nm的铝硅铬合金层。然后同时开启铝硅铬合金靶和氧化硅介质母体靶，先制备60nm厚度的高吸收层，填充因子为0.43。接着制备72nm厚度的低吸收层，填充因子为0.15。最后关闭铝硅铬合金靶，制备75nm的氧化硅减反层。测试结果表明吸收率为0.96，发射率为0.04。
实施例5
膜层的制备采用磁控溅射的方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝镍铬合金靶，氮化硅靶。在制备涂层的过程中，保持氮化硅靶功率不变，通过改变合金靶的功率来调整吸收层的填充因子。首先在经过清洗的玻璃基片上制备98nm的铝镍铬合金层。然后同时开启铝镍铬合金靶和氮化硅介质母体靶，先制备72nm厚度的高吸收层，填充因子为0.58。接着制备78nm厚度的低吸收层，填充因子为0.05。最后关闭铝镍铬合金靶，制备74nm的氮化硅减反层。测试结果表明吸收率为0.97，发射率为0.05。

Claims (5)

1.一种高稳定性的太阳能选择性吸热涂层，涂布在太阳能集热元件上，涂层自基底向上由红外反射层、吸收层、介质减反层组成，其特征在于所述的红外反射层为铝的三元合金层，吸收层为铝的三元合金纳米粒子和介质母体组成的合金金属介质母体复合结构。
2.如权利要求1所述的高稳定性的太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述铝的三元合金选自铝钛铬、铝镍铬、铝硅铬中的一种，通过合金靶磁控溅射制备。
3.如权利要求1所述的高稳定性的太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述的介质母体是铝、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。
4.如权利要求1所述的高稳定性的太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述的吸收层由两层具有不同掺杂浓度的铝的三元合金纳米粒子合金介质母体复合薄膜构成，所述铝的三元合金纳米粒子选自铝钛铬、铝镍铬、铝硅铬中的一种，复合薄膜通过介质母体靶和铝的三元合金靶共溅射制备。
5.如权利要求1或4所述的高稳定性的太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述的吸收层从红外反射层向上依次是高吸收层和低吸收层，根据铝的三元合金纳米粒子掺杂浓度不同的高、低掺杂层分别对应高、低吸收层，高掺杂层的合金填充因子在0.22-0.58之间，低掺杂层的合金填充因子在0.05-0.22之间。
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