CN104034073A - 咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备防护和应用，其中吸收涂层包括：基底层；吸收层，设于基底层的顶面，包括内吸收层、中吸收层和外吸收层，其中内吸收层，设于基底层的顶面，由TiN_x1O_y1制成，1.10＞x1＞0.90,0.70＞y1＞0.50；中吸收层，设于内吸收层的顶面，由TiN_x2O_y2制成，0.60＞x2＞0.50,1.30＞y2＞1.10；外吸收层，设于中吸收层的顶面，由TiN_x3O_y3制成，0.50＞x3＞0.40,1.40＞y3＞1.30；减反层，设于吸收层的顶面。本发明的吸收涂层对太阳光谱的高效吸收,热稳定性高。

Description

咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及太阳能光热利用技术领域，特别是一种咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法和应用。

背景技术

氮化铝中掺杂Al、不锈钢等金属作为太阳光谱选择性吸收材料已被广泛应用于真空管式太阳能集热器中，为中低温下使用的太阳能集热器的发展做出了巨大的贡献。然而，此类吸收材料在大气中的热稳定性不佳，仅限于真空环境中使用。随着太阳能集热方式多元化的发展，平板式太阳能集热器的优势已逐步显现，被认为是未来建筑中采用的重要集热方式。平板式集热器中采用的太阳光谱选择性吸收涂层需直接面对大气，以往真空管式太阳能集热器中采用的材料体系不能应用其中，开发新型热稳定性强、成本低廉的吸热材料对平板式太阳能集热器的发展至关重要。

此外，现代建筑风格与外观结构更加多样，太阳能一体化建筑也成为发展趋势，如何使太阳能集热器在外观上更加适应建筑物的美观要求已越来越得到重视。然而，现阶段适用于平板式集热器的吸收材料颜色为蓝色，颜色较为单一，影响到建筑物的整体美观，不适应当前太阳能一体化建筑也成为发展趋势，其应用受到限制。如何在不牺牲涂层其它性能的基础上丰富涂层的颜色将有助于提升涂层产品的竞争力，并对推动太阳能集热器的发展也有重要的积极作用。

由此可见，上述现有的太阳能光谱选择性吸收涂层在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。本发明人积极加以研究创新，以期创设一种新颖的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，使其更具有实用性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种对太阳光谱的高效吸收,热稳定性高的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，包括：

基底层；

吸收层，设于基底层的顶面，包括内吸收层、中吸收层和外吸收层，其中

内吸收层，设于基底层的顶面，由TiN_x1O_y1制成，1.10＞x1＞0.90,0.70＞y1＞0.50；

中吸收层，设于内吸收层的顶面，由TiN_x2O_y2制成，0.60＞x2＞0.50,1.30＞y2＞1.10；

外吸收层，设于中吸收层的顶面，由TiN_x3O_y3制成，0.50＞x3＞0.40,1.40＞y3＞1.30；

减反层，设于吸收层的顶面。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的吸收涂层，其中所述吸收层的厚度为50nm-150nm；其中内吸收层的厚度为30nm-50nm，中吸收层的厚度为10nm-50nm，外吸收层的厚度为10nm-50nm。

优选的，前述的吸收涂层，其中所述基底层由铝制成。

优选的，前述的吸收涂层，其中所述基底层的厚度为0.2-10mm。

优选的，前述的吸收涂层，其中所述减反层的厚度为80-100nm。

优选的，前述的吸收涂层，其中所述减反层的材质为二氧化硅。

本发明的另一目的为提供一种上述吸收涂层的制备方法，本发明方法具有工艺简单、易实现的特点。实现该目的技术方案如下：

上述任一种咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）将基底层置于真空清洗室中，通入一定量的氩气，进行射频氩离子清洗；

2）在通入氩气和氮气的条件下，将上述的清洗后的基底层置于钛靶下，采用磁控溅射法在上述的基底层上制备内吸收层；然后通入一定量的氧气，继续以金属钛为靶材通过反应磁控溅射法在上述内吸收层上制备中吸收层；保持溅射气压不变，将氩气和氮气分别增加至原来的两倍，并增加氧气流量，继续以金属钛为靶材通过反应磁控溅射法在上述中吸收层上制备外吸收层；

3）将步骤2）得到的产品置于硅靶前，通入氩气和氧气，采用反应磁控溅射法在上述外吸收层上制备氧化硅层作为减反层。

本发明还提出上述吸收涂层在太阳能集热器上的应用，采用上述吸收涂层的太阳能集热器对太阳光谱的高效吸收,热稳定性高，且显现咖啡色。实现该目的的技术方案如下：

上述任一所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层在太阳能集热器上的应用，其中所述太阳能集热器为平板式太阳能集热器或真空管式太阳能集热器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的吸收涂层在太阳光波段可具有94%以上的吸收率（300nm-2500nm），在100摄氏度下的辐射率可低于6%；

2、本发明的吸收涂层在400摄氏度的真空环境中吸收率和辐射率变化不明显，可作为真空管中使用的光热转化材料；

3、本发明的吸收涂层通过制备成分梯度渐变的吸收层，涂层在340摄氏度以下的大气环境下性能难发生降低，适合中低温下用作平板式集热器的集热板芯；

4、本发明的吸收涂层采用经离子清洗后的金属铝板作为基底层，对透过吸收层的红外光谱（2.5微米以外）具有很强的反射，对降低辐射率有明显的效果；

5、在380nm至430nm的波长范围内，涂层的反射率由12%降低至3%左右，在430nm-780nm的可见光范围内反射光谱在波长为600nm处有反射率极高值，约为4%，以上光谱特性使涂层在太阳光下呈现咖啡色，可满足客户对涂层颜色的特定需求；

6、基底层之上的吸收层具有成分渐变的结构，具有可缓解热应力的特点，适合在高温下使用，对提升高温下使用涂层的力学性能有较大帮助。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的咖啡色太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图；

图2为实例的反射光谱图；

图3为实例的样品在大气下退火后的吸收率和辐射率示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的折断式屏蔽罩其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

图1是本发明的咖啡色太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图。如图1所示，咖啡色太阳光谱选择性吸收涂层，依次包括基底层3、吸收层2和减反层1。其中基底层3由0.2mm的铝板，经过抛光后形成。为增加基底层3的表面活性，在机械抛光清洗后进行射频离子清洗，去除基底层3表面的污染层和氧化层，从而达到基底层3对入射的整个波段的光谱进行反射，特别是对红外光谱，尤其是波长2.5微米以上的红外光进行反射。吸收层2由自上而下依次设置的外吸收层21、中吸收层22和内吸收层23组成，内吸收层23设置于基底层3上。在外吸收层21之上为减反层1，减反层的材质为氧化硅，其在300nm-2500nm波段的折射率在1.45-1.52之间。本实施例具体可通过如下步骤得到：

1）基底层制备

选择抛光铝板，经过机械抛光清洗后进行射频氩离子清洗去除表面污染层和氧化层，增进基底表面活性，最终基底的辐射率低于1.5%。基底层的厚度为1mm。

2）吸收层的制备

制备内吸收层，通过反应磁控溅射法在步骤1）所得基底层上制备内吸收层，以金属钛作为靶材；将基底层传输至钛靶前方，通入50sccm氩气，8sccm氮气，控制气压5mTorr，开启溅射电源，保持功率1000W，基底层的传输速率为0.4m/min，使基底层通过钛靶3次，以此在基底层3上制备内吸收层23，所得内吸收层23的材质为TiN_0.94O_0.60，内吸收层的厚度为42nm；内吸收层的材料中所含的氧一部分来自真空腔室中的残余水气和氧气，另一部则由于在空气中氧化所得。

制备中吸收层，制得内吸收层后，在其它条件不变的情况下，通入2.5sccm的氧气，使基底层在钛靶下按0.4m/min的速率运行3次，以此在内吸收层23上制备中吸收层22，所得中吸收层22的材质为TiN_0.52O_1.20，厚度为28nm；

制备外吸收层，随后将氩气、氮和氧气分别增加至100sccm、16sccm和3.5sccm，传输速度增至0.6m/min，其它参数保持不变，使基底层在钛靶下方运行5次，以此在中吸收层22上制备外吸收层21，所得外吸收层21的材质为TiN_0.46O_1.34，厚度为28nm；

3）减反层的制备，采用反应磁控溅射法在上述外吸收层上制备氧化硅层作为减反层，该方法为成熟技术。其中优选如下，将制备好吸收层的基底层传输至硅靶前方，通入50sccm氩气，26sccm氧气，控制气压5mTorr，开启溅射电源，保持功率2000W，设置基底层的传输速度为1m/min，使基底层通过硅靶9次，以此制备二氧化硅减反层。需要指出的是，制备过程中控制氧化硅层在0.3微米-2.5微米波段的折射率控制在1.45-1.52之间。

4）待完成以上制备步骤后，使样品冷却后即可取出成品。一般冷却20min即可。

采用带积分球的分光光度计测量实例1的涂层样品的反射光谱（0.3μm-2.5μm），如图2所示，该涂层在此波段的吸收率为94.5%；采用热辐射计测量涂层在100摄氏度下的辐射率为6.0%；涂层的Lab值分别为21.12，4.01和6.82。

对实例制得的吸收涂层样品进行真空气氛下的退火处理，来验证制得涂层在真空中的高温稳定性和耐用性。将吸收涂层样品置于真空状态下（小于1×10^-5Torr），将样品加热至380摄氏度退火14h，退火后样品的吸收率和辐射率分别为93.0%和5.0%，较退火前涂层的吸收率（94.5%）和辐射率（6.0%）略有变化，但不明显，证明实例制得的涂层可应用于真空管式太阳能集热器中使用。

实例制得的涂层样品进行大气气氛下的退火处理，来验证制得涂层在大气下的高温稳定性和耐用性。将涂层样品置于马弗炉中依次在150摄氏度、250摄氏度和340摄氏度下连续退火24h、10h和3h。图3为实例的样品在大气下退火后的吸收率和辐射率示意图。图中为α吸收率，ε为辐射率。如图3所示，150℃退火24小时后该涂层的吸收率为94.9%，辐射率为5.5%；280℃退火10小时后该涂层的吸收率为94.0%，辐射率为5.0%；340℃退火3小时后该涂层的吸收率为93.1%，辐射率为4.8%。退火后该涂层的吸收率和辐射率仅出现小幅度的变化，涂层的光热转化效率没有明显的降低，证明实例1制得的涂层可以用于340摄氏度以下的平板式太阳能热水器中使用。当然，也可在真空管式太阳能集热器中使用。

本发明中的吸收层为渐变吸收层，通过在调整流量及反应时间可以得到不同厚度及组分含量的各吸收层，经检测，本发明的渐变吸收层的各吸收层其在不同波段的折射率和消光系数如表1所示。

表1

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，包括：

基底层；

吸收层，设于基底层的顶面，包括内吸收层、中吸收层和外吸收层，其中

内吸收层，设于基底层的顶面，由TiN_x1O_y1制成，1.10＞x1＞0.90,0.70＞y1＞0.50；

中吸收层，设于内吸收层的顶面，由TiN_x2O_y2制成，0.60＞x2＞0.50,1.30＞y2＞1.10；

外吸收层，设于中吸收层的顶面，由TiN_x3O_y3制成，0.50＞x3＞0.40,1.40＞y3＞1.30；

减反层，设于吸收层的顶面。

2.根据权利要求1所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，其中所述吸收层的厚度为50nm-150nm；其中内吸收层的厚度为30nm-50nm，中吸收层的厚度为10nm-50nm，外吸收层的厚度为10nm-50nm。

3.根据权利要求1所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，其中所述基底层由铝制成。

4.根据权利要求1所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，其中所述基底层的厚度为0.2-10mm。

5.根据权利要求1所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，其中所述减反层的厚度为80-100nm。

6.根据权利要求1所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，其中所述减反层的材质为二氧化硅。

7.权利要求1-6任一权项所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将基底层置于真空清洗室中，通入一定量的氩气，进行射频氩离子清洗；

2）在通入氩气和氮气的条件下，将上述的清洗后的基底层置于钛靶下，采用磁控溅射法在上述的基底层上制备内吸收层；然后通入一定量的氧气，继续以金属钛为靶材通过反应磁控溅射法在上述内吸收层上制备中吸收层；保持溅射气压不变，将氩气和氮气分别增加至原来的两倍，并增加氧气流量，继续以金属钛为靶材通过反应磁控溅射法在上述中吸收层上制备外吸收层；

3）将步骤2）得到的产品置于硅靶前，通入氩气和氧气，采用反应磁控溅射法在上述外吸收层上制备氧化硅层作为减反层。

8.权利要求1-6任一权项所述的咖啡色太阳能光谱选择性吸收涂层在太阳能集热器上的应用，其中所述太阳能集热器为平板式太阳能集热器或真空管式太阳能集热器。