CN102812385B

CN102812385B - 用于反射阳光的前表面镜及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102812385B
Application number: CN201080066007.3A
Authority: CN
Inventors: M.巴凯; Y.戴曼特; A.格特
Original assignee: Siemens Concentrated Solar Power Ltd
Current assignee: Siemens Concentrated Solar Power Ltd
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: WO2011120595A1; CN102812385A

Abstract

本发明涉及用于反射阳光的前表面镜(FSM)、该镜的制备方法以及该镜的用途。公开了用于反射阳光的前表面镜，其中该镜包含位于基材的基材表面上的多层组合，该多层组合包含：设置在该基材的该基材表面上的至少一个粘合层；设置在该粘合层上的至少一个中间结合层；设置在该粘合层上的至少一个用于反射阳光的反射层；设置在该反射层上的至少一个钝化层，其使得Ag对严酷的户外环境条件呈惰性；和设置在该钝化层上的用于抗刮和环境防护的至少一个抗刮保护层。选择材料以使整个制造工艺可以在大规模的溅射生产设备上进行。该前表面镜被用于将太阳能转换成电能的发电厂。

Description

用于反射阳光的前表面镜及其制备方法和应用

背景技术

1.发明领域

本发明涉及用于反射阳光的前表面镜(frontsurfacemirror,FSM)及其制备方法。另外还提供了该前表面镜的应用。

2.现有技术

通常，用于反射阳光的前表面镜因其在太阳能发电厂中的应用而为人所知。一个基本的FSM包括位于基材的基材表面上的多层叠层，该多层叠层包括以下层叠序列：含铬(Cr)的粘合层，含镍铬合金(NiCr)的结合层，含银(Ag)的反射层，和含硫化锌(ZnS)或氧化锌(ZnO)的钝化层。对于在太阳能发电厂中的应用来说，前表面镜的抗刮性（scratchresistance）是该镜的一个重要特征。

对于抗刮性，通过电子束枪(E.B.枪)方法沉积的位于该基本的FSM上的含氧化铝(Al₂O₃₎罩面层显示了很好的效果。但为了避免该前表面镜的很高热负荷，该方法的沉积速率受到限制。这使得很难多产且盈利地制造具有这样罩面层的前表面镜。另一方面，提高沉积速率将导致前表面镜的反射率低且耐久性差。这种前表面镜不适合用于太阳能发电厂。

发明内容

本发明的一个目的在于提供对阳光具有高反射率的前表面镜。此外，该前表面镜还应当能够耐不同的环境条件。

本发明的另一个目的在于提供制造该前表面镜的方法。此方法应当可以在大规模生产设备上实施。

本发明的又一个目的在于提供该前表面镜的用途。

这些目的可通过权利要求中指定的发明来实现。

公开了用于反射阳光的前表面镜，其中该镜包括在基材的基材表面上的多层叠层，该多层叠层包括以下层叠序列：设置在基材的基材表面上的至少一个粘合层；至少一个中间结合层；至少一个反射层，其含有用于反射阳光的至少一种反射材料；至少一个钝化层，其使得该反射材料对至少一种户外环境条件呈惰性；和至少一个抗刮保护层。结合以该抗刮层的该钝化层用于该多层叠层的环境防护。

这些层是彼此直接堆叠的。该叠层中的相邻层至少部分彼此覆盖。特别是，上面的层完全覆盖下邻的层。

对至少一种户外环境条件呈惰性是指当该前表面镜暴露于该户外环境条件时，不发生或几乎不发生该反射层的反射材料的降解过程。例如，反射材料为银，而户外环境条件为氧分压。降低了出现降解过程(银的氧化)的几率。

除了该前表面镜，还记述了制造该前表面镜的方法。该方法包括以下步骤：a)提供具有基材表面的基材；b)在该基材表面上设置该粘合层；c)在该粘合层上设置该中间结合层；d)在该中间结合层上设置该反射层；e)在该反射层上设置该钝化层；和f)在该钝化层上设置该抗刮保护层。

最后，还公开了该前表面镜在用于将太阳能转换成电能的发电厂中的应用，其中由该前表面镜来进行阳光的聚集。该前表面镜(例如抛物面形前表面镜)是该发电厂的阳光采集装置的一部分。阳光通过该镜集中到管，所述管中充满着换热流体以吸收该汇集(聚集)的阳光。该换热流体为热油或热液体盐。

前(第一)表面镜(也常缩写为FS镜)是反射面位于背板（backing）之上的镜，与反射面位于对阳光透明的基材之后的传统的第二表面镜相反。例如，该透明的基材由玻璃或丙烯酸玻璃构成。前表面镜导致了无重影效应（ghostingeffect）的精确反射。

在本发明的意义上，阳光特别是指阳光的可见光谱(约350-780nm)的电磁辐射和红外光谱的电磁辐射。尤其是指阳光的近红外光谱(约780-2.500nm)的辐射。不过，更长波长的辐射也是允许的。

一般而言，任何种类的基材都是允许的。基材材料可以为有机材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或无机材料如玻璃。在这里，通常使用玻璃，例如窗玻璃，或钢化玻璃。另外允许的基材材料为金属。例如，金属为铝(Al)或不锈钢。基材的表面可以是平的或弯曲的。另外，该表面可以是经过抛光和/或涂漆的。

可以采用纳米技术来沉积该多层叠层中的一或多个层。但在一个优选实施方案中，采用了薄膜沉积技术来设置该不同的层(步骤b-f)。该薄膜沉积技术优选地选自原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。特别是该物理气相沉积为溅射。由此，在一个优选实施方案中采用了反应溅射。所有步骤b)-f)采用相同的薄膜沉积技术是有利的。但也可以对于不同的步骤采用不同的薄膜技术。

在步骤a)-f)中的至少一个步骤之中、之前和/或之后，对基材或具有设置的层的基材进行热处理。该热处理包括加热到选自50℃-350℃、特别是选自50-250℃的温度。在一个优选实施方案中，该热处理包括等离子辉光放电处理。该热处理和特别是该等离子辉光放电处理在氩气、氮气和/或氧气的存在下进行。该热处理和该等离子辉光放电处理对于所采用的薄膜技术来说可以是必需的。此外，通过该热处理还可以进行对基材和/或设置的层的清洗。

该粘合层可以由不同的材料构成。在一个优选实施方案中，该粘合层包括选自铬(Cr)和镍(Ni)的至少一种粘合材料。

通过该中间结合层，该粘合层(例如含铬的)和该反射层(例如含银的)不彼此直接粘附。该中间结合层导致消除了伽伐尼电位（galvanicpotential）。由此可以减少电化学腐蚀作用。

对于该中间结合层也是如此：特别是该中间结合层包括选自镍和铬的至少一种中间层材料。

在另一优选实施方案中，该粘合层的厚度为0.5-20nm，优选地1-15nm，更优选地5-10nm。相比之下，该中间结合层的厚度优选为5-80nm，特别地10-60nm，更特别地30-50nm。

对于该反射层，任何反射材料如金属(如铝或铜)都是允许的。在一个优选实施方案中，反射材料为银。具有这样的反射材料的反射层对阳光显示高反射率。该反射层由银或银合金构成。通过覆盖该反射层的该钝化层，可以防止该反射层的银遭受严酷的户外反应活性（reactivity）损害(例如银的氧化)。

在一个优选实施方案中，该反射层的厚度为50-250nm，特别地70-200nm，更特别地100-150nm。由这些反射层厚度，确保了高反射率。另外，考虑到使用的薄膜技术，可经济地控制该厚度。

在另一优选实施方案中，在该粘合层与该中间结合层之间设置有至少一个过渡区层，且该过渡区层既包括该粘合层的该粘合材料又包括该中间结合层的该中间层材料。借助于该过渡层，提供了该粘合层和该中间结合层的组成的交叉。例如，该粘合层由铬构成。该中间结合层由镍和铬的合金构成。该过渡区层由与该中间结合层的组成相比过量的铬构成。

此外还优选地在该中间结合层与该反射层之间设置至少一个另外的过渡区层。由此，该另外的过渡区层既包括该中间结合层的该中间层材料又包括该反射层的该反射材料。例如，反射材料为银。该另外的过渡区层包含银。

这些过渡区层十分薄。在一个优选实施方案中，该过渡区层和/或该另外的过渡区层的厚度为0.5-20nm，特别地1-15nm，更特别地5-10nm。

该钝化层具有分别保护该反射层和该反射材料的功能。例如，反射材料为银。该钝化层应当抑制银的反应活性。各种适当的钝化材料都是允许的。但在一个优选实施方案中，该钝化层包括选自氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)和硫化锌(ZnS)的至少一种钝化材料。这些钝化材料在该保护功能方面显示出非常好的特性。

使用适当的钝化材料如氧化锌、硒化锌或硫化锌，该钝化层的厚度可以非常小。在一个优选实施方案中，该钝化层的厚度为0.1-20nm，特别地0.5-15nm，更特别地1.0-10nm。

ZnS仅可使用RF电源溅射。这意味着设备的宽度最好被限制在～2.5m。为克服该限制，可以使用长的热蒸发舟向下蒸发热升华的ZnS材料。或者，使用脉冲直流发电机溅射传导性ZnO来作为替代的保护材料。

在一个优选实施方案中，该抗刮保护层包括作为抗刮保护材料的二氧化硅。也可包含其它组分，例如氧化铝。二氧化硅(SiO₂)具有良好的抗刮性。另外，可以溅射二氧化硅。利用反应溅射Si来沉积该SiO₂层，可以获得能实现和满足该反射层的银与该SiO₂之间的界面反应的足够热力。SiO₂的反应溅射可以在大规模生产设备上实施。使用含Si和Al的靶进行反应溅射可产生含这些元素的效果极佳的抗刮层。Al的量为1-20wt%，优选地5-15wt%。从耐久性的角度考虑优选10wt%的Al(和90wt%的Si)，因为所得抗刮保护层(包含Si和Al)几乎没有机械表面应力。

特别是该保护层的厚度为200-3000nm，特别地500-2500nm，更特别地1000-2000nm。低于(例如100nm)或高于(例如4000nm)上述范围的厚度也是允许的。

在另一优选实施方案中，在该钝化层与该抗刮保护层之间设置有至少一个加强层（enhancementlayer）。两个或更多个加强层也是允许的。该加强层包括选自二氧化硅、二氧化钛(TiO₂)和二氧化锆(ZrO₂)的至少一种加强材料。多于一种的加强材料也是允许的。该加强层导致了更高的反射率。由厚度为10-150nm、特别地20-100nm、更特别地30-80nm的加强层获得了非常好的结果。例如，存在两个加强层：SiO₂(70nm)和TiO₂(30nm)。这些加强层彼此粘附在一起。

为了进行特性测试，将前表面镜设置在盒中。由此，该镜在盒中设置以使得阳光可以由其反射。例如，该盒为老化箱或盐雾室。这样的盒被用于研究该前表面镜在不同和规定的环境条件下的耐久性。为此，该盒可设计为使得该镜与该盒的外界密封地(完全)隔绝。部分隔绝也是允许的。例如，将该盒设计成可以防止该镜被灰尘覆盖，但允许该镜暴露于湿气。

该盒优选地由含优质钢的盒材料构成。但根据环境条件，含其它金属合金乃至纯(或者接近纯)金属的盒子也是允许的。

为了研究该前表面镜的光学特性(例如反射率)，该盒包括窗口，阳光或一定范围的阳光可透过该窗口照射该镜。该窗口对于阳光或对于该范围的阳光是透明的。例如，该盒包括带玻璃或丙烯酸玻璃的盖。特定波长的阳光穿过该盒的盖，到达镜的反射面。

总的说来，本发明具有以下优点：

-该前表面镜显示高反射率(96%-98%)和在不同环境条件下的高耐久性(多于20年)；

-整个多层叠层可通过溅射制造。不必采用不同的薄膜沉积技术；

-该溅射容易在高产量的设备上实施。

附图简要说明

参照附图，由对示例性实施方案的说明可以得知本发明的其它特性和优点。

附图显示了前表面镜的横截面。

发明的详细说明

前表面镜1具有设置在基材11的基材表面111上的多层叠层10。

该多层叠层包括以下层叠序列：设置在该基材的基材表面上的至少粘合层(101)；至少一个中间结合层(102)；用于反射阳光的至少一个反射层(103)；至少一个钝化层(104)，其使得Ag对严酷的户外环境条件呈惰性；和用于多层叠层的抗刮和环境防护的至少一个抗刮保护层(105)。

该基材为窗玻璃。基材表面111为平的或弯曲的。在一个实施方案中，该弯曲的基材表面是抛物面的。

该粘合层包含铬。该粘合层的厚度为约10nm。该中间结合层包含镍和铬的合金。该中间层的厚度为约40nm。

在该粘合层101与该中间结合层102之间设置有过渡区层112。此过渡区层也包含镍和铬的合金。但该过渡区层的铬含量比该中间结合层的铬含量高。该过渡层的厚度为约10nm。

反射层103包含作为反射材料的银。该反射层的厚度为约150nm。在该中间结合层102与该反射层103之间设置有另外的过渡区层123。此另外的过渡区层也包含镍和铬的合金。该另外的过渡区层还包含该反射层的该反射材料，即银。

在该反射层之上设置有以氧化锌为钝化材料的钝化层。在另一替代实施方案中，该钝化材料为氧化锌。该钝化层的厚度为约5nm。

然后，设置有两个加强层：含二氧化硅的加强层145(厚度为约80nm)，和含二氧化钛的另外加强层154(厚度为约50nm)。

该多层叠层的最后一层为具有抗刮保护材料二氧化硅的抗刮保护层。抗刮保护层的保护层厚度为约2000nm。

为制造该前表面镜，执行了以下步骤：a)提供具有基材表面的基材；b)在该基材表面上设置该粘合层；c)在该粘合层上设置该中间结合层；d)在该中间结合层上设置该反射层；e)在该反射层上设置该钝化层；和f)在该钝化层上设置该抗刮保护层。步骤b)-f)都采用溅射。该溅射采用反应溅射。

该前表面镜被用于将太阳能转换成电能的发电厂。从而，由该前表面镜进行阳光的聚集。通过将镜弯曲成抛物面形状，阳光被汇集到充满着换热流体的管。该换热流体为热油或熔融的热盐。通过热交换器，产生用于运行涡轮的蒸汽。

Claims

1.用于反射阳光的前表面镜(1)，其中所述前表面镜包含位于基材(11)的表面(111)上的多层叠层(10)，所述多层叠层包含以下层叠序列：

-设置在所述基材的表面上的至少一个粘合层(101)；

-至少一个中间结合层(102)；

-至少一个反射层(103)，其含有用于反射阳光的至少一种反射材料；

-至少一个钝化层(104)，其使得所述反射材料对至少一种户外环境条件呈惰性；

-至少一个加强层(145,154)，和

-至少一个抗刮保护层(105)；

其中所述至少一个钝化层(104)包含选自氧化锌、硒化锌和硫化锌的至少一种钝化材料，所述至少一个加强层(145,154)包含选自二氧化硅、二氧化钛和二氧化锆的至少一种加强材料，所述至少一个抗刮保护层(105)包含二氧化硅和/或氧化铝，和所述至少一个抗刮保护层通过使用包含Si和Al的靶的反应溅射而获得。

2.根据权利要求1所述的前表面镜，其中所述粘合层包含至少一种选自铬(Cr)和镍(Ni)的粘合材料。

3.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中所述粘合层具有选自0.5-20nm的粘合层厚度。

4.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中所述中间结合层包含至少一种选自镍和铬的中间层材料。

5.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中所述中间结合层具有选自5-80nm的中间层厚度。

6.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中所述反射材料为银。

7.根据权利要求1或2之一所述的前表面镜，其中所述反射层具有选自50-250nm的反射层厚度。

8.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中在所述粘合层与所述中间结合层之间设置至少一个过渡区层(112)，且所述过渡区层包含所述粘合层的所述粘合材料以及所述中间结合层的所述中间层材料。

9.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中在所述中间结合层与所述反射层之间设置至少一个另外的过渡区层(123)，且所述另外的过渡区层包含所述中间结合层的所述中间层材料以及所述反射层的所述反射材料。

10.根据权利要求8所述的前表面镜，其中所述过渡区层具有选自0.5-20nm的过渡层厚度。

11.根据权利要求9所述的前表面镜，其中所述另外的过渡区层具有选自0.5-20nm的过渡层厚度。

12.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中所述钝化层具有选自0.1-20nm的钝化层厚度。

13.根据权利要求1或2所述的前表面镜，其中所述抗刮保护层具有选自200-3000nm的保护层厚度。

14.根据权利要求1所述的前表面镜，其中所述加强层具有选自10-150nm的加强层厚度。

15.用于制造根据权利要求1所述的前表面镜的方法，其包括以下步骤：

a)提供具有基材表面的基材；

b)在所述基材表面上设置所述粘合层；

c)在所述粘合层上设置所述中间结合层；

d)在所述中间结合层上设置所述反射层；

e)在所述反射层上设置所述钝化层；和

f)在所述钝化层上设置所述抗刮保护层；

在所述钝化层与所述抗刮保护层之间设置有至少一个加强层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中采用薄膜沉积技术来设置所述步骤b)-f)中的至少一个步骤的相应层。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述薄膜沉积技术选自原子层沉积、化学气相沉积和物理气相沉积。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述物理气相沉积采用溅射。

19.根据权利要求1-14所述的前表面镜在用于将太阳能转换成电能的发电厂中的用途，其中由所述前表面镜来进行阳光的聚集。