CN103032978A - 一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层及其制备方法，选取不锈钢作为基体材料，所述涂层从基体至表面依次为阻挡层、红外反射层、吸收层、减反层。所述阻挡层由不锈钢基体热处理生成的氧化物膜构成。所述红外反射层由Mo-Ni-SS合金膜构成。所述吸收层包括均为Ni-SiO₂膜的两个亚吸收层结构，依次为第一亚吸收层和第二亚吸收层。所述减反层为双减反层，依次为第一减反层TiO₂和第二减反层SiO₂。该涂层制备工艺简单，且均选用常规材料，便于选择和控制，靶材利用率高，适于大规模生产。

Description

一种菲涅尔式太阳能热发电用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热发电用选择性吸收涂层及其制备方法，尤其是关于一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性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

太阳能是世界公认的潜力巨大的清洁能源,将太阳能作为一种能源和动力加以利用，人类已经有300多年的历史。近年来，尤其是进入21世纪以来，随着常规化石能源的日见枯竭，太阳能作为一种清洁无污染而又来源巨大的能源，逐渐成为新能源研发的重点，世界各国对新能源的开发和利用投入了大量的人力和物力。

目前世界上太阳能发电分为光伏发电和聚热发电两种方式。经过世界上各国的持续研究，光伏发电已经形成成熟技术，而聚热发电还处于起步阶段。但是光伏发电成本高、转化率低、存储条件苛刻；太阳能热发电就是通过聚光集热器聚焦太阳直射光，将太阳能聚集起来产生高温热能，加热真空集热管里面的工质，产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。目前热发电形式主要有塔式，碟式，槽式三种，但是这三种形式的太阳能热发电系统都有着不同的缺点：（1）塔式太阳能制作成本高，尤其是跟踪系统对环境的要求比较高，每提高一点的跟踪精度，其成本成倍的提高；（2）碟式太阳能热发电系统的吸收器容易损坏，寿命短；（3）槽式太阳能热发电系统集热面积小，集热温度低，很难普及至民用建设。皇明太阳能股份有限公司创造出了一种低成本、高聚光率、占地小、结构简单的热发电方式----菲涅尔热发电技术。

皇明太阳能股份有限公司CN101660117B公开了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，但其仅适用于中低温度环境；发明专利CN1056159A公开了一种AlN_xO_y选择性吸收涂层，但该涂层以Al作为吸收层中金属成分，因Al原子容易迁移和发生化学反应，造成吸收层组分变化，涂层光学性能发生衰变，仅能在真空环境中使用。因此，如何选择耐高温材料，设计合理的涂层结构，适用非真空环境，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层。

本发明另一目的是提供菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层的制备方法。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层，选取不锈钢作为基体材料，所述涂层从基体至表面依次为阻挡层、红外反射层、吸收层、减反层。

所述阻挡层是由不锈钢基体经热处理生成的氧化物膜构成，厚度为50~200nm。

所述红外反射层由Mo-Ni-SS合金膜构成，其中Mo、Ni、SS的质量百分数比为90%:5%:5%，Mo-Ni-SS合金膜的厚度为50~250nm。

所述吸收层包括厚度均为20~100nm的第一亚吸收层和第二亚吸收层；两个亚吸收层结构，均为Ni-SiO₂膜；所述第一亚吸收层Ni体积百分比为30~70%，第二亚吸收层Ni体积百分比为20~40%；

所述减反层为厚度均为20~60nm的双减反层，依次为第一减反层TiO₂和第二减反层SiO₂。

一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将不锈钢基体在空气中热处理后在其表面得到氧化物膜作为阻挡层；

步骤2、以Ar气为反应气体，通过Mo-Ni-SS合金靶，采用直流磁控溅射法制备红外反射层Mo-Ni-SS合金膜；

步骤3、以Ar和O₂混合气体作为反应气体，通过Ni靶和Si靶，采用直流磁控溅射法制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；

调整Ni靶电流，采用中频磁控溅射法制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；

步骤4、以Ar和O₂混合气体作为反应气体，通过Ni靶，采用直流磁控溅射法制备TiO₂减反膜；

通过Si靶，采用直流磁控溅射法，以Ar和O₂混合气体作为反应气体，制备SiO₂减反膜。

所述步骤1中热处理温度为500~700℃，时间为10~30min。

所述步骤2中溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Mo：Ni：SS合金靶的电流为0.5~0.8A，溅射电压为350-450V，溅射气压为1.5~3.5×10^-1Pa。

所述步骤3中制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Ni靶、Si靶电流分别为0.6~0.8A，0.5~0.8A，溅射电压均为300-400V；

调整Ni靶电流为0.3~0.5A制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜。

所述步骤4中制备TiO₂减反膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Ti靶电流为0.3~0.5A，溅射电压为280-320V，溅射气压为3.5~4.5×10^-1Pa；

制备SiO₂减反膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Ti靶电流为0.4~0.7A，溅射电压为290-350V，溅射气压为3.5~4.5×10^-1Pa。

本发明的有益效果：

1、氧化物膜作为阻挡层能够防止高温时金属粒子扩散，改变了吸收层的金属体积分数，从而影响了涂层的光学性能。

2、采用高熔点的Mo-Ni-SS合金膜为红外反射层具有较好的高温稳定性，且由于Mo-Ni-SS合金膜中的Ni与吸收层中Ni粒子，高温下动态平衡，从而可以阻止由Ni金属粒子的扩散引起吸收层金属体积分数的改变，因此能显著提高涂层的高温稳定性；

3、TiO₂/SiO₂双减反层的存在使得该层的水接触角度小于15度，满足了自清洁所要求的角度条件，可以提高材料的自清洁性能，适用于菲涅尔式太阳能热发电镀膜钢管；

4、本发明所述涂层厚度在500nm以下，在空气中，550℃，热处理200h，涂层的光学性能几乎不变，具有非真空高温稳定性；

5、本发明所述涂层在太阳能光谱范围内（0.3~2.5μm）具有高的吸收率a（0.92~0.97），在红外区域（2.5~50μm）有很低的发射率ε（0.07~0.14）；

6、该涂层制备工艺简单，且均选用常规材料，便于选择和控制，靶材利用率高，适于大规模生产。

附图说明

图1为本发明涂层结构示意图；

图中：1、阻挡层；2、红外反射层；

3、吸收层；31、第一亚吸收层；32、第二亚吸收层；

4、减反层；41、第一减反层；42、第二减反层。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层从底层至表面依次为阻挡层1、红外反射层2、吸收层3、减反层4。

所述阻挡层由不锈钢基体热处理生成的氧化物膜构成，厚度为50~200nm。所述红外反射层由Mo-Ni-SS合金膜构成，其中Mo-Ni-SS的质量百分数比为90%:5%:5%，Mo-Ni-SS合金薄膜的厚度为50~250nm。所述吸收层包括两个亚吸收层结构，依次为第一亚吸收层31和第二亚吸收层32；两个亚吸收层结构，均为Ni-SiO₂膜。所述第一亚吸收层Ni体积百分比为30~70%，第二亚吸收层Ni体积百分比为20~40%；第一亚吸收层和第二亚吸收层的厚度均为20~100nm。所述减反层为双减反层，依次为第一减反层TiO₂和第二减反层SiO₂；第一减反层41和第二减反层42的厚度均为20~60nm。

实施例1

步骤1 阻挡层1的制备

将不锈钢基体在空气中600℃热处理20min后在其表面得到一层致密的氧化物膜，氧化物膜的厚度为100nm；

步骤2 红外反射层2的制备

采用直流磁控溅射法制备红外反射层Mo-Ni-SS合金膜，以Ar气为反应气体，按照Mo：Ni：SS的质量百分数比为90%:5%:5%，通过Mo-Ni-SS合金靶，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar，调整Mo-Ni-SS合金靶的电流为0.7A，溅射电压为400V，溅射气压为2×10^-1Pa；所得Mo-Ni-SS合金薄膜的厚度为100nm；

步骤3 吸收层3的制备

采用Ni靶和Si靶共溅射，制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，调整Ni靶、Si靶电流分别为0.7A，0.6A，溅射电压分别为350V，分别采用直流和中频磁控溅射制备；调整Ni靶电流为0.4A制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；第一亚吸收层Ni体积百分比为50%，第二亚吸收层Ni体积百分比为30%；两个亚吸收层的厚度均为60nm；

步骤4 减反层4的制备

制备第一减反层TiO₂减反膜，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，依次调整Ti靶电流为0.4A，溅射电压为300V，溅射气压为4×10^-1Pa制备TiO₂减反膜，制备厚度40nm；

制备第二减反层SiO₂减反膜，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，依次调整Ti靶电流为0.6A，溅射电压为320V，溅射气压为4×10^-1Pa制备SiO₂减反膜；制备厚度40nm。

检测结果：实施例1制得的涂层400nm，在太阳能光谱范围内（0.3~2.5μm）吸收率а=0.93，在红外区域（2.5~50μm）的发射率ε=0.06，在大气中，550℃，200h退火处理，其颜色无变化，光学性能a=0.934,ε=0.07，高温发射率几乎不发生变化，且该TiO₂/SiO₂双减反层的水接触角为10度，满足了自清洁所要求的角度条件。

实施例2

步骤1 阻挡层1的制备

将不锈钢基体在空气中500℃热处理10min后在其表面得到一层致密的氧化物膜，氧化物膜的厚度为50nm；

步骤2 红外反射层2的制备

采用直流磁控溅射法制备红外反射层Mo-Ni-SS合金膜，以Ar气为反应气体，按照Mo：Ni：SS的质量百分数比为90%:5%:5%，通过Mo-Ni-SS合金靶，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar，调整Mo-Ni-SS合金靶的电流为0.5A，溅射电压为350V，溅射气压为1.5×10^-1Pa；所得Mo-Ni-SS合金薄膜的厚度为50nm；

步骤3 吸收层3的制备

采用Ni靶和Si靶共溅射，制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，调整Ni靶、Si靶电流分别为0.6A，0.5A，溅射电压分别为300V，分别采用直流和中频磁控溅射制备；调整Ni靶电流为0.3A制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；第一亚吸收层Ni体积百分比为30%，第二亚吸收层Ni体积百分比为20%；两个亚吸收层的厚度均为20nm；

步骤4 减反层4的制备

制备第一减反层TiO₂减反膜，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，依次调整Ti靶电流为0.3A，溅射电压为280V，溅射气压为3.5×10^-1Pa制备TiO₂减反膜，制备厚度20nm；

制备第二减反层SiO₂减反膜，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，依次调整Ti靶电流为0.4A，溅射电压为290V，溅射气压为3.5×10^-1Pa制备SiO₂减反膜；制备厚度20nm。

检测结果：实施例2制得的涂层460nm，在太阳能光谱范围内（0.3~2.5μm）吸收率a=0.95，在红外区域（2.5~50μm）的发射率ε=0.09，在大气中，550℃，200h退火处理，其颜色无变化，光学性能a=0.96,ε=0.095，高温发射率几乎不发生变化，且该TiO₂/SiO₂双减反层的水接触角为11度，满足了自清洁所要求的角度条件。

实施例3

步骤1 阻挡层1的制备

将不锈钢基体在空气中700℃热处理30min后在其表面得到一层致密的氧化物膜，氧化物膜的厚度为200nm；

步骤2 红外反射层2的制备

采用直流磁控溅射法制备红外反射层Mo-Ni-SS合金膜，以Ar气为反应气体，按照Mo：Ni：SS的质量百分数比为90%:5%:5%，通过Mo-Ni-SS合金靶，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar，调整Mo-Ni-SS合金靶的电流为0.8A，溅射电压为450V，溅射气压为3.5×10^-1Pa；所得Mo-Ni-SS合金薄膜的厚度为250nm；

步骤3 吸收层3的制备

采用Ni靶和Si靶共溅射，制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，调整Ni靶、Si靶电流分别为0.8A，0.8A，溅射电压分别为400V，分别采用直流和中频磁控溅射制备；调整Ni靶电流为0.5A制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；第一亚吸收层Ni体积百分比为70%，第二亚吸收层Ni体积百分比为40%；两个亚吸收层的厚度均为100nm；

步骤4 减反层4的制备

制备第一减反层TiO₂减反膜，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，依次调整Ti靶电流为0.5A，溅射电压为320V，溅射气压为4.5×10^-1Pa制备TiO₂减反膜，制备厚度60nm；

制备第二减反层SiO₂减反膜，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，通入惰性气体Ar和O₂作为反应气体，依次调整Ti靶电流为0.7A，溅射电压为350V，溅射气压为4.5×10^-1Pa制备SiO₂减反膜；制备厚度60nm。

检测结果：实施例3制得的涂层490nm，在太阳能光谱范围内（0.3~2.5μm）吸收率a=0.92，在红外区域（2.5~50μm）的发射率ε=0.06，在大气中，550℃，200h退火处理，其颜色无变化，光学性能a=0.93,ε=0.06，高温发射率几乎不发生变化，且该TiO₂/SiO₂双减反层的水接触角为8度，满足了自清洁所要求的角度条件。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层，其特征在于，选取不锈钢作为基体材料，所述涂层从基体至表面依次为阻挡层、红外反射层、吸收层、减反层。

2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述阻挡层是由不锈钢基体经热处理生成的氧化物膜构成，厚度为50~200nm。

3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述红外反射层由Mo-Ni-SS合金膜构成，其中Mo、Ni、SS的质量百分数比为90%:5%:5%，Mo-Ni-SS合金膜的厚度为50~250nm。

4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述吸收层包括厚度均为20~100nm的第一亚吸收层和第二亚吸收层；两个亚吸收层均为Ni-SiO₂膜；

所述第一亚吸收层Ni体积百分比为30~70%，第二亚吸收层Ni体积百分比为20~40%。

5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述减反层为厚度均为20~60nm的双减反层，依次为第一减反层TiO₂和第二减反层SiO₂。

6.一种权利要求1-5中所述的菲涅尔式太阳能热发电用选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将不锈钢基体在空气中热处理后在其表面得到氧化物膜作为阻挡层；

步骤2、以Ar气为反应气体，通过Mo-Ni-SS合金靶，采用直流磁控溅射法制备红外反射层Mo-Ni-SS合金膜；

步骤3、以Ar和O₂混合气体作为反应气体，通过Ni靶和Si靶，采用直流磁控溅射法制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；

调整Ni靶电流，采用中频磁控溅射法制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜；

步骤4、以Ar和O₂混合气体作为反应气体，通过Ni靶，采用直流磁控溅射法制备TiO₂减反膜；

通过Si靶，采用直流磁控溅射法，以Ar和O₂混合气体作为反应气体，制备SiO₂减反膜。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中热处理温度为500~700℃，时间为10~30min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Mo-Ni-SS合金靶的电流为0.5~0.8A，溅射电压为350-450V，溅射气压为1.5~3.5×10^-1Pa。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中制备第一亚吸收层Ni-SiO₂薄膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Ni靶、Si靶电流分别为0.6~0.8A，0.5~0.8A，溅射电压均为300-400V；

调整Ni靶电流为0.3~0.5A制备第二亚吸收层Ni-SiO₂薄膜。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中制备TiO₂减反膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Ti靶电流为0.3~0.5A，溅射电压为280-320V，溅射气压为3.5~4.5×10^-1Pa；

制备SiO₂减反膜时，溅射前将真空抽至3×10^-3Pa以下，Ti靶电流为0.4~0.7A，溅射电压为290-350V，溅射气压为3.5~4.5×10^-1Pa。

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