CN104534703A - 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。选择性吸收涂层涂布在太阳能集热元件的基底上，涂层从底层至表面依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，所述红外反射层由内层向外层依次包括的抗扩散阻隔层，沉积在所述抗扩散阻隔层上的抗集聚涂层及沉积在所述抗集聚涂层上的银层。该选择性吸收涂层使用发射率极低的银作为红外反射层的金属材料，通过在银层下方设置抗扩散阻隔层和抗集聚涂层的方法，解决了银红外反射层的集聚问题，提高膜层性能。采用本发明的工艺制得的膜层可以在空气中耐温500℃，3000小时后的性能衰减为吸收率降低0.5％，发射率上升1％。

Description

一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
集热元件(HCE)是太阳能线性聚光集热器的组成部件。太阳能线性聚光集热器是太阳能光热发电电站的集热装置，通过用线性反射镜将太阳光聚集到一条焦线上。在这条焦线的位置放置集热元件，将太阳辐射转化成热。
集热元件已经实现商业化，典型结构是由一支钢管和与其同心安装的玻璃管构成。在钢管上镀选择性涂层以提高效率，玻璃管采用硼硅玻璃管，其上镀减反射涂层。玻璃管和钢管之间形成一个环形空间。为了进一步提高效率，这个环形空间于两端密封并抽真空。环形空间的密封是通过在钢管和硼硅玻璃管之间安装膨胀装置来实现的。膨胀装置通过金属连接环，一端与玻璃管相连，另一端与钢管相连。有了膨胀装置，钢管和玻璃管之间的线膨胀量差异问题得以解决。
选择性涂层应在太阳光谱内高吸收(低反射)，同时在集热元件适合的工作温度下高反射。涂层在反射率上的这种转变被称为边缘(edge)。要得到在高工作温度下高吸收、低发射，关键在于在目标截止波长上形成陡峭的边缘曲线。这个截止波长取决于选择性涂层的工作温度。工作温度越高，目标截止波长越低。选择性涂层包含红外反射层，红外反射层上面是太阳光吸收层。让吸收层对工作温度下黑体辐射尽可能透明是非常重要的。
做出更陡峭的边缘曲线，就可能创造出干涉效果。把吸收层分成数层，其中每一层的折射率不同，这样就能得到想要的干涉效果。在这些涂层的最外层再加上一层减反射层，能进一步提高吸收。
通过使边缘曲线更陡峭、采用发射率更低的红外反射层、减小截止波长，还可以得到高温下更低的发射率。然而，减小截止波长也会使得太阳光吸收降低，所以要进一步降低发射率，就必须使用发射率尽可能低的红外反射层。
为了达到上述效果，由于银具有较低的发射率，可以考虑用银作为红外反射层的材料，但是银具有集聚现象。集聚现象是指很薄的银红外反射层形成团簇的过程，这种现象会造成膜层里出现孔洞而损害其光学性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
本发明的第一个目的是提供一种太阳能选择性吸收涂层，具体技术方案如下：
一种太阳能选择性吸收涂层，涂布在太阳能集热元件的基底上，涂层从底层至表面依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，红外反射层由内层向外层依次包括抗扩散阻隔层，沉积在所述抗扩散阻隔层上的抗集聚涂层及沉积在所述抗集聚涂层上的银层。
进一步地，所述吸收层至少包含两层陶瓷涂层，所述陶瓷层的单层厚度是30～80nm。
进一步地，上述陶瓷涂层掺入一种金属材料或半导体材料,如将氮化钛掺入氮化铝，或将钼掺入氧化铝。
进一步地，上述陶瓷层也可以是尖晶石材料，如氧化钴、氧化镍等。
进一步地，所述抗扩散阻隔层包括金属氧化物、金属氮化物和二氧化硅中的一种或多种。
进一步地，上述金属氧化物包括氧化锌、氧化铝；上述金属氮化物包括TixNy、AlxTiyNz、AlxSiyTizNm、ZrxTiyNz。
进一步地，所述抗集聚层涂层包含铌、钨、钼、钽、钛或铼中的一种或多种金属。
进一步地，所述减反射层是一层或多层减反射层。
进一步地，上述减反射层包括金属氧化物和金属氮化物，所述金属氧化物包括氧化硅、氧化铝；所述金属氮化物包括氮化硅、氮化铝。
进一步地，在所述银层和所述吸收层之间，还包括一层抗扩散阻隔层，其作用是抗扩散。
进一步地，上述抗扩散阻隔层包括金属或半导体氧化物、金属或半导体氮化物、金属或半导体氮氧化物及二氧化硅；所述金属或半导体氧化物包括氧化铝、氧化铬；所述金属或半导体氮化物包括AlxTiyNz；所述金属或半导体氮氧化物包括TizAlrSimNxOy，TimCrnNxOy。
本发明的另一个目的是提供一种上述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法。具体技术方案如下：
一种制备上述太阳能选择性吸收涂层的方法，包括如下步骤：
(1)在太阳能集热元件的基材上电镀或或反应磁控溅射或高温氧化/氮化制备一层或多层抗扩散阻隔层，可以使用中频电源或高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)；
(2)用磁控溅射工艺镀制抗集聚涂层，使用直流电源，非平衡靶，也可以使用中频电源或高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)；
(3)用磁控溅射工艺镀制银层，使用直流电源，非平衡靶，也可以使用中频电源或高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)；
(4)用磁控溅射工艺镀制高度掺入一种金属或半导体材料的陶瓷层，靶材用粉末烧结工艺制成，靶材含W、Ni、Al、Cr、V、Mo、Si、Ti、Zr、Co、Cu、Mn中一种或多种元素，可以使用中频电源或高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)。
(5)用磁控溅射工艺镀制掺入一种金属或半导体材料的陶瓷层，靶材用粉末烧结工艺制成，靶材含W、Ni、Al、Cr、V、Mo、Si、Ti、Zr、Co、Cu、Mn中一种或多种元素等，可以使用中频电源或高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)。
(6)用反应磁控溅射工艺镀制一层或多层减反射层，使用中频电源或高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)或偏压电源，非平衡孪生靶。
本发明的上述太阳能选择性吸收涂层可以用于太阳能线性聚光集热器，进一步可将该太阳能线性聚光集热器用于太阳能光热发电电站。
本发明的技术方案有以下的有益效果：
可以允许使用发射率极低的银红外反射层，提高膜层性能，解决银产生集聚现象导致膜层中产生孔洞而破坏膜层，减少膜层性能的衰减。经实验得到的数据，采用本发明的工艺制得的膜层可以在空气中耐温500℃，3000小时后的性能衰减为吸收率降低0.5％，发射率上升1％。
附图说明
图1是种太阳能选择性吸收涂层的结构示意图。
其中：
1-基材                                 2-抗扩散阻隔层
3-抗集聚涂层                           4-银层
5-第一层陶瓷涂层                       6-第二层陶瓷涂层
7-减反层                               8-红外反射层
9-吸收层
具体实施方式
具体实施例1
从图1可以看出，本发明公开的太阳能选择性吸收涂层从底层至表面依次包括红外反射层8、吸收层9和减反射层7，其中，红外反射层8由内层向外层依次包括抗扩散阻隔层2，沉积在抗扩散阻隔层2上的抗集聚涂层3及沉积在抗集聚涂层3上的银层4。
如图1所示的太阳能选择性吸收涂层的制备方法如下：
(1)在基底1上通过电镀的方式沉积一层抗扩散阻隔层2，抗扩散阻隔层2含有镍金属单质及其氧化物；
(2)用磁控溅射工艺镀制抗集聚涂层3，使用直流电源，非平衡靶；
(3)用磁控溅射工艺镀制银层4，使用直流电源，非平衡靶；
(4)用磁控溅射工艺镀制高度掺入一种金属或半导体材料的第一层陶瓷层5，第一陶瓷涂层5的厚度为30nm,磁控溅射所用靶材用粉末烧结工艺制成，靶材含W、Ni、Al、Cr、V、Mo、Si、Ti、Zr、Co、Cu、Mn元素。
(5)用磁控溅射工艺镀制掺入一种金属或半导体材料的第二层陶瓷层6，第二层陶瓷层6的厚度为80nm，靶材用粉末烧结工艺制成，含W、Ni、Al、Cr、V、Mo、Si、Ti、Zr、Co、Cu、Mn元素；第一层陶瓷层5和第二层陶瓷涂层6组成吸收层9；
(6)用反应磁控溅射工艺镀制一层减反射层7，所述减反射层7包含氧化硅、氧化铝，氮化硅，氮化铝中的一种或多种，使用中频电源，非平衡孪生靶。
具体实施例2
具体实施例2与具体实施例1大致相同，区别在于：
步骤(1)中采用反应磁控溅射的方式沉积一层抗扩散阻隔层2，抗扩散阻隔层2含有氧化锌、氧化铝；
步骤(4)中制备的第一层陶瓷涂层的厚度是80nm；
步骤(5)中制备的第一层陶瓷涂层的厚度是30nm；
在步骤(6)后再采用反应磁控溅射工艺在减反射层7上镀制一层减反射层，减反射层包含氧化硅，氧化铝中的一种或多种，使用高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)非平衡孪生靶。
具体实施例3
具体实施例3与具体实施1大致相同，区别在于：
步骤(1)中采用高温氧化的方式沉积一层抗扩散阻隔层2，抗扩散阻隔层2含有氧化锌、氧化铝中的一种或多种；
步骤(4)中制备的第一层陶瓷涂层的厚度是60nm；
步骤(5)中制备的第一层陶瓷涂层的厚度是50nm；
步骤(6)中使用高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)，非平衡孪生靶。
具体实施例4
具体实施例4与具体实施1大致相同，区别在于：
步骤(1)中抗扩散阻隔层2包括氧化锌、氧化铝、TiN、AlxTiyNz(氮化钛与氮化铝形成的固溶体)、AlxSiyTizNm(氮化铝、氮化硅及氮化钛形成的固溶体)、ZrxTiyNz(氮化锆与氮化钛形成的固溶体)中的一种或多种。
在步骤(1)和步骤(2)之间，再通过反应磁控溅射的方式在抗扩散阻隔层2上制备一层抗扩散阻隔层；
步骤(6)中使用偏压电源，非平衡孪生靶。
具体实施例5
具体实施例5与具体实施例大致相同，区别在于:
在步骤(3)和步骤(4)之间，通过反应磁控溅射工艺制备抗扩散阻隔层，使用中频电源，非平衡孪生靶。抗扩散阻隔层包括氧化铝、氧化铬、AlxTiyNz(氮化铝与氮化钛形成的固溶体)中的一种或多种。
具体实施例6
具体实施例6与具体实施例大致相同，区别在于:
在步骤(3)和步骤(4)之间，通过反应磁控溅射工艺制备抗扩散阻隔层，使用偏压电源，非平衡孪生靶。抗扩散阻隔层包括金属或半导体氧化物，如氧化铝、氧化铬、TizAlrSimNxOy(氮氧化物钛与氮氧化铝、氮氧化硅形成的固溶体)、TimCrnNxOy(氮氧化钛、氮氧化铬形成的固溶体)中的一种或多种。
具体实施例7
具体实施例7与具体实施例大致相同，区别在于:
在步骤(3)和步骤(4)之间，通过反应磁控溅射工艺制备抗扩散阻隔层，使用高能脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)，非平衡孪生靶。抗扩散阻隔层包括氧化铝、氧化铬等、AlxTiyNz(氮化铝与氮化钛形成的固溶体)、TizAlrSimNxOy(氮氧化物钛与氮氧化铝、氮氧化硅形成的固溶体)，TimCrnNxOy(氮氧化钛、氮氧化铬形成的固溶体)、二氧化硅中的一种或多种。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种太阳能选择性吸收涂层，涂布在太阳能集热元件的基底上，所述涂层从底层至表面依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，其特征在于，所述红外反射层由内层向外层依次包括抗扩散阻隔层，沉积在所述抗扩散阻隔层上的抗集聚涂层及沉积在所述抗集聚涂层上的银层。
2.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收层至少包含两层陶瓷涂层，所述陶瓷层的单层厚度是30～80nm。
3.如权利要求2所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于所述陶瓷涂层掺入一种金属材料或半导体材料,所述金属材料包括钼，所述半导体材料包括氮化钛。
4.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述抗扩散阻隔层包括金属氧化物、金属氮化物和二氧化硅中的一种或多种；所述金属氧化物包括氧化锌、氧化铝；所述金属氮化物包括TixNy、AlxTiyNz、AlxSiyTizNm、ZrxTiyNz。
5.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述抗集聚层涂层包含铌、钨、钼、钽、钛或铼中的一种或多种金属。
6.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述减反射层是一层或多层减反射层；所述减反射层包括金属氧化物和金属氮化物，所述金属氧化物包括氧化硅、氧化铝；所述金属氮化物包括氮化硅、氮化铝。
7.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：在所述银层和所述吸收层之间，还包括一层抗扩散阻隔层，所述抗扩散阻隔层包括金属或半导体氧化物、金属或半导体氮化物、金属或半导体氮氧化物、二氧化硅中的一种或几种；所述金属或半导体氧化物包括氧化铝、氧化铬；所述金属或半导体氮化物包括AlxTiyNz；所述金属或半导体氮氧化物包括TizAlrSimNxOy和TimCrnNxOy。
8.一种制备如权利要求1～10所述的太阳能选择性吸收涂层的方法，包括如下步骤：
(1)在太阳能集热元件的基材上采用下列方法制备一层或多层抗扩散阻隔层：电镀、反应磁控溅射、高温氧化/氮化；
(2)用磁控溅射工艺镀制抗集聚涂层；
(3)用磁控溅射工艺镀制银层；
(4)用磁控溅射工艺镀制高度掺入一种金属或半导体材料的陶瓷层，磁控溅射的靶材用粉末烧结工艺制成，靶材含有W、Ni、Al、Cr、V、Mo、Si、Ti、Zr、Co、Cu、Mn中一种或多种元素；
(5)用磁控溅射工艺镀制掺入一种金属或半导体材料的陶瓷层，磁控溅射的靶材用粉末烧结工艺制成，靶材含有W、Ni、Al、Cr、V、Mo、Si、Ti、Zr、Co、Cu、Mn中一种或多种元素；
(6)用反应磁控溅射工艺镀制一层或多层减反射层。
9.一种包含权利要求1至7中任一项所述耐高温太阳能选择性涂层的太阳能线性聚光集热器。
10.一种包含权利要求9所述太阳能线性聚光集热器的太阳能光热发电电站。
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