CN103727693A - 一种金属-介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层 - Google Patents

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吴杨微
杨睿华
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Abstract

本发明涉及一种金属-介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层。所述的涂层在衬底上依次是红外反射层、吸收层、减反层。涂层的吸收层由金属涂层和介质涂层交替镀制而成，共2～7层，且自上而下第一层为金属涂层。涂层的颜色通过改变吸收层中的金属涂层或介质涂层的层数和厚度组合，或改变减反层的厚度来实现。本专利的太阳选择性吸收涂层具有太阳光吸收率高，红外热发射率低，光热转换效率高，涂层颜色可调，制备工艺容易控制，生产成本低的特点，特别适用于太阳能集热器与建筑一体化的场合。

Description

一种金属-介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换材料、太阳能集热器领域，具体是指一种金属-介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层。
背景技术
太阳能作为理想的可持续清洁能源受到了人们的密切关注。目前对太阳能的利用主要体现在光热、光电和光化学转换等方面。太阳能光热转换最直接的方法是利用高太阳光吸收和低热发射的太阳能集热器。太阳能集热器的表面通常采用涂上黑色的吸收涂层来达到对太阳能吸收率的最大化，但是表面黑色的集热器在与建筑物一体化的过程中受到了限制，因为相比于黑色的太阳能集热器，85%的居民更喜欢彩色的太阳能集热器。所以，拥有一个美丽外观的太阳能集热器不仅在实现与建筑一体化过程中扮演了十分重要的角色，而且在推动太阳能集热器大面积使用上也起到了很好的推动作用。针对这一情况，本发明提出一种金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种金属/介质多层结构的太阳光热吸收涂层。
本发明的目的之二是提供一种颜色可调的太阳光热吸收涂层制备方法。
本发明提供的太阳光热吸收涂层具有太阳能吸收率高，红外热发射率低，光热转换效率高，涂层颜色可调，制备工艺容易控制，生产成本低的特点，特别适用于与建筑物一体化的太阳能集热器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种金属-介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，涂层由金属/介质和衬底构成，且自下而上分别为衬底、红外反射层、吸收层和减反层叠合而成，其中：
所述的减反层位于涂层的最上面，是由氮化铝膜、氧化铝膜或氧化硅膜中的一种构成，涂层厚度为2到100纳米。通过改变减反层的厚度可调节涂层颜色。
所述的吸收层，位于减反层之下，共有2～7层，自上而下第一层为金属涂层，分别由钛或铬中的一种金属涂层和氮化铝、氧化铝或氧化硅中的一种介质涂层交替镀制而成。
所述的红外反射层位于吸收层之下，为单层结构。红外反射涂层是铜、铝或银涂层中的一种，厚度范围为120到200纳米。
所述的衬底位于红外反射层之下，是由石英片、铜片、铝片或不锈钢片构成。
本专利所述的一种金属-介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层可通过磁控溅射镀制。制备过程如下：
1、在石英片、铜片、铝片或不锈钢片构成的衬底上镀制一层红外反射层，其制备方法直接采用金属铜、金属铝、金属银靶进行溅射镀制。涂层厚度范围为120到200纳米，太薄会影响太阳能吸收率和发射率，太厚会降低与衬底间的附着能力。
2、在红外反射层上交替镀制金属涂层和介质涂层作为吸收层，且自上而下第一层为金属涂层。金属涂层是钛膜或铬膜，膜层厚度范围为2到30纳米。其制备方法直接采用金属钛或金属铬靶进行溅射镀制。介质涂层是氮化铝膜、氧化铝膜或氧化硅膜，膜层厚度范围为10到100纳米。氮化铝膜采用金属铝靶，以氮气作为反应气体进行反应溅射；或者采用氮化铝靶直接进行溅射镀制。氧化铝膜采用金属铝靶，以氧气作为反应气体进行反应溅射；或者采用氧化铝靶直接进行溅射镀制。氧化硅膜采用硅靶，以氧气作为反应气体进行反应溅射；或者采用氧化硅靶直接进行溅射镀制。
3、在吸收层上镀制一层减反层，减反层是氮化铝膜、氧化铝膜或氧化硅膜，膜层厚度范围为2到100纳米。通过调节减反层的厚度调节涂层的颜色。氮化铝膜采用金属铝靶，以氮气作为反应气体进行反应溅射；或者采用氮化铝靶直接进行溅射镀制。氧化铝膜采用金属铝靶，以氧气作为反应气体进行反应溅射；或者采用氧化铝靶直接进行溅射镀制。氧化硅膜采用硅靶，以氧气作为反应气体进行反应溅射；或者采用氧化硅靶直接进行溅射镀制。
本发明的有益效果为：该太阳光热吸收涂层制备方法简单、成本低、易于工业化。在保持太阳光热吸收涂层具有高太阳光吸收率和低红外热发射率的前提下，实现涂层颜色多样化，满足市场对太阳能集热器个性化需求，具有很好的市场前景。
本发明专利的太阳光热吸收涂层，具有太阳能吸收率高，红外热发射率低，光热转换效率高的特点，通过改变吸收层中的金属涂层或介质涂层的层数和厚度组合，或改变减反层的厚度来实现吸收涂层颜色多样化。从而实现吸收涂层的颜色与建筑物的外观相匹配。
附图说明
附图1是本发明的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层结构示意图。
附图2本发明实施例1所述的一种紫色太阳光热吸收涂层的反射谱图。
附图3本发明实施例2所述的一种黄绿色太阳光热吸收涂层的反射谱图。
附图4本发明实施例3所述的一种蓝色太阳光热吸收涂层的反射谱图。
附图5本发明实施例4所述的一种粉红色太阳光热吸收涂层的反射谱图。
具体实施方式
为使本专利的内容、技术方案更加清楚明白，现结合附图以实施例的方式对本专利作进一步的说明：
图1中，1为衬底；2为红外反射层；3为吸收层，该吸收层由2～7层金属涂层和介质涂层交替镀制而成，且最上层为金属涂层；4为减反层。
实施例1:
一种紫色的太阳光热吸收涂层及其制备方法。
此太阳光热吸收涂层自下而上的组成依次为衬底、红外反射层、吸收层和减反层，其中吸收层由氮化铝膜和钛膜组成，具体膜层成分如下：
石英片/Cu/Ti/AlN/Ti/AlN。
本实施例以磁控溅射设备为例，其制备方法如下：
首先，以石英片作为衬底，采用直流磁控溅射在石英片上镀制铜膜。所用靶材为金属铜靶，通过溅射240秒使铜膜厚度达到120 纳米。
然后，采用直流磁控溅射在铜膜上镀制钛膜，所用靶材为金属钛靶，通过溅射47秒使钛膜厚度达到24纳米；以金属铝为靶材，通入氮气作为反应气体在钛膜上镀制氮化铝膜，通过溅射265秒使氮化铝膜厚度达到52纳米；以金属钛作为靶材，采用直流磁控溅射在氮化铝膜上镀制钛膜，通过溅射49秒使钛膜厚度达到25纳米；
最后，继续以金属铝为靶材，通入氮气作为反应气体在钛膜上镀制氮化铝膜，通过溅射420秒使氮化铝膜厚度达到83纳米；
这样，一种紫色的太阳光热吸收涂层就制备完成了，其反射谱如图2所示。该吸收涂层具有高太阳能吸收率为0.94，低热发射率为0.05。
实施例2：
一种黄绿色的太阳光热吸收涂层及其制备方法。
此太阳光热吸收涂层自下而上的组成依次为衬底、红外反射层、吸收层和减反层，其中吸收层由氮化铝膜和钛膜组成，具体膜层成分如下：
石英片/Cu/AlN/Ti/AlN/Ti/AlN。
本实施例以磁控溅射设备为例，其吸收涂层的制备方法如下：
首先，以石英片作为衬底，采用直流磁控溅射在石英片上镀制铝膜。所用靶材为金属铝靶，通过溅射240秒使铝膜厚度达到120纳米。
然后，以金属铝为靶材，通入氮气作为反应气体在铜膜上镀制氮化铝膜，通过溅射280秒使氮化铝膜厚度达到55纳米；以金属钛作为靶材，采用直流磁控溅射在氮化铝膜上镀制钛膜，通过溅射32秒使钛膜厚度达到16纳米；以金属铝为靶材，通入氮气作为反应气体在钛膜上镀制氮化铝膜，通过溅射320秒使氮化铝膜厚度达到63纳米；以金属钛作为靶材，采用直流磁控溅射在氮化铝膜上镀制钛膜，通过溅射35秒使钛膜厚度达到18纳米；
最后，继续以金属铝为靶材，通入氮气作为反应气体在钛膜上镀制氮化铝膜，通过溅射305秒使氮化铝膜厚度达到60纳米；
这样，一种黄绿色的太阳光热吸收涂层就制备完成了，其反射谱如图3所示。该吸收涂层具有高太阳能吸收率为0.92，低热发射率为0.05。
实施例3：
一种蓝色的太阳光热吸收涂层及其制备方法。
此太阳光热吸收涂层自下而上的组成依次为衬底、红外反射层、吸收层和减反层，其中吸收层由氧化铝膜和钛膜组成，具体膜层成分如下：
铝片/Ag/Al2O3/Ti/ Al2O3/Ti/ Al2O3。
本实施例以磁控溅射设备为例，其吸收涂层的制备方法如下：
首先，以石英片作为衬底，采用直流磁控溅射在石英片上镀制银膜。所用靶材为金属银靶，通过溅射150秒使银膜厚度达到120纳米。
然后，以金属铝为靶材，通入氧气作为反应气体在银膜上镀制氧化铝膜，通过溅射225秒使氧化铝膜厚度达到36纳米；以金属钛作为靶材，采用直流磁控溅射在氧化铝膜上镀制钛膜，通过溅射62秒使钛膜厚度达到30纳米；以金属铝为靶材，通入氧气作为反应气体在钛膜上镀制氧化铝膜，通过溅射156秒使氧化铝膜厚度达到25纳米；以金属钛作为靶材，采用直流磁控溅射在氧化铝膜上镀制钛膜，通过溅射25秒使钛膜厚度达到12纳米；
最后，继续以金属铝为靶材，通入氧气作为反应气体在钛膜上镀制氧化铝膜，通过溅射544秒使氧化铝膜厚度达到87纳米；
这样，一种蓝色的太阳光热吸收涂层就制备完成了，其反射谱如图4所示。该吸收涂层具有高太阳能吸收率为0.94，低热发射率为0.03。
实施例4
一种粉红色的太阳光热吸收涂层及其制备方法。
此太阳光热吸收涂层自下而上的组成依次为衬底、红外反射层、吸收层和减反层，其中吸收层由氧化硅膜和铬膜组成，具体膜层成分如下：
不锈钢片/Al/SiO2/Cr/ SiO2/Cr/ SiO2。
本实施例以磁控溅射设备为例，其吸收涂层的制备方法如下：
首先，以不锈钢片作为衬底，采用直流磁控溅射在不锈钢片上镀制铝膜。所用靶材为金属铝靶，通过溅射380秒使铝膜厚度达到120纳米。
然后，以硅为靶材，通入氧气作为反应气体在铜膜上镀制氧化硅膜，通过溅射278秒使氧化硅膜厚度达到39纳米；以金属铬作为靶材，采用直流磁控溅射在氧化硅膜上镀制铬膜，通过溅射18秒使铬膜厚度达到7纳米；以硅为靶材，通入氧气作为反应气体在铬膜上镀制氧化硅膜，通过溅射650秒使氧化硅膜厚度达到91纳米；以金属铬作为靶材，采用直流磁控溅射在氧化硅膜上镀制铬膜，通过溅射13秒使铬膜厚度达到5纳米；
最后，继续以硅为靶材，通入氧气作为反应气体在铬膜上镀制氧化硅膜，通过溅射585秒使氧化硅膜厚度达到82纳米；
这样，一种粉红色的太阳光热吸收涂层就制备完成了，其反射谱如图5所示。该吸收涂层具有高太阳能吸收率为0.95，低热发射率为0.04。

Claims (8)

1.一种金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征是：在衬底1上依次是红外反射层、吸收层、减反层。
2.根据权利要求1所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的衬底1可以是石英片、铜片、铝片或不锈钢片中的一种。
3.根据权利要求1所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的红外反射层是铜膜、铝膜或银膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的吸收层是由金属涂层、介质涂层交替镀制而成，共2～7层，且自上而下第一层为金属涂层。
5.根据权利要求4所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的金属涂层是钛膜或铬膜中的一种。
6.根据权利要求4所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的介质涂层是氮化铝膜、氧化铝膜或氧化硅膜中的一种。
7.根据权利要求1所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的减反层是氮化铝膜、氧化铝膜或氧化硅膜中的一种。
8.根据权利要求1所述的金属/介质多层结构颜色可调的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述的颜色可调是通过改变吸收层中的金属涂层或介质涂层的层数和厚度组合，或改变减反层的厚度来实现的。
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