CN105091377B - 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
本发明提供一种太阳能选择性吸收涂层，通过从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层，并设置所述过渡层为CrNx、yCrN·(1‑y)Cr2O3、ySi3N4·(1‑y)SiO2、yAlN·(1‑y)Al2O3、yTi3N4·(1‑y)TiO2中的一种或几种，其中，1＜x＜1.5，0＜y＜1，从而本发明所述涂层能够有效阻止红外反射层与吸收层之间发生相互扩散，及含有扩散阻挡层的太阳能选择性吸收涂层中的红外反射层、扩散阻挡层和吸收层之间发生的相互扩散，提高所述选择性吸收涂层热稳定性能，使其在400℃大气条件下，仍具有高太阳光谱吸收率和低红外辐射率，本发明所述的选择性吸收涂层具有良好的热稳定性能和较好的光谱选择性。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能光谱选择性吸收涂层的技术领域。
背景技术
太阳光谱选择性吸收涂层在波长范围为0.3μm-2.5μm的太阳光波段具有高吸收率α，在波长范围为2.5μm-50μm的红外波段具有低辐射率ε，因此，太阳光谱选择性吸收涂层广泛应用于太阳能集热器或集热管，是实现太阳能光热转换的核心材料。目前，现有的太阳能选择性吸收涂层主要包括依次设置在玻璃、铝、不锈钢等基片上的红外反射层、吸收层和减反层，其中，红外反射层的主要作用是反射红外线，减少热量向外的辐射，当红外反射层达到一定厚度情况下，红外反射层越致密，红外反射效果越好，保温性能越好；吸收层用来吸收太阳光能量，温度升高将其转化为热能，减反层用来减少吸收层与空气界面处的太阳光反射，以使更多的太阳光穿过减反层到达吸收层。
随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热管的应用范围从低温应用(＜100℃)向中温应用(100-400℃)和高温应用(＞400℃)发展，以不断满足海水淡化、太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。然而，对于太阳能集热管而言，工作温度越高，对选择性吸收涂层的热稳定性要求越高。随着工作温度的升高，涂层往往存在吸收率降低，辐射量升高的问题，影响涂层的使用温度和寿命。
中国专利文献CN102620456公开了一种太阳能选择吸收涂层，该涂层主要包括依次沉积在具有红外反射功能的衬底上的扩散阻挡层、吸收层和减反射层；或者主要包括依次沉积在衬底上的红外反射层、扩散阻挡层、吸收层和减反射层；红外反射层的成分为Cu、Mo或Ag；扩散阻挡层的成分为含有金属铬的铬-氮复合成分；吸收层由铬单质-氧化铬多元相、铬单质-氮氧化铬多元相中的一种或两种组成；所述减反射层为SiO2陶瓷薄膜。然而，该吸收涂层热稳定性较差，仅能适用于278℃以下的工作温度，其中的红外反射层、扩散阻挡层以及吸收层中的金属组分容易发生层间相互扩散，从而导致该薄膜的太阳光谱吸收率明显降低，红外辐射率急剧升高，因此，使用该薄膜的太阳能集热管并不能满足278℃以上的应用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中太阳能选择吸收涂层中的红外反射层与吸收层之间发生相互扩散，及含有扩散阻挡层的太阳能选择性吸收涂层中的红外反射层、扩散阻挡层和吸收层之间发生的相互扩散导致热稳定性较差，太阳光谱吸收率明显降低，红外辐射率急剧升高的问题，提出一种具有良好热稳定性的太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层；
其中，所述过渡层为CrNx、yCrN·(1-y)Cr2O3、ySi3N4·(1-y)SiO2、yAlN·(1-y)Al2O3、yTi3N4·(1-y)TiO2中的一种或几种，其中，1＜x＜1.5，0＜y＜1。
所述红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层的厚度的比值范围为80-200:5-35:65-160:50-150。
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层，所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的折射率和消光系数均为依次降低。
所述金属亚层为Cr层，所述金属氮化物亚层为CrNm1层，所述金属氮氧化物亚层为CrNm2On，其中，1≤m1≤1.5，0＜m2≤1.5，0＜n≤2。
所述Cr层、CrNm1层、CrNm2On层的厚度之比为10-40:25-60:30-60。
所述基片为玻璃、铝、铜或不锈钢中的一种或几种；
所述红外反射层为Al、Cu、Au、Ag、Ni中的一种或几种；
所述减反层为SiO2、Si3N4、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3中的一种或几种，优选地，所述减反层为SiO2。
一种制备所述的太阳能选择性吸收涂层的方法，在所述基片上依次镀制所述红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层，即得。
所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取相应的金属靶材，通入惰性工作气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述基片上沉积金属膜作为红外反射层；
(2)选取相应的金属靶材，通入惰性工作气体和第一反应气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述红外反射层上沉积所述过渡层；
(3)选取相应的金属靶材，先后通入惰性工作气体、第二反应气体、第三反应气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述过渡层上沉积所述复合吸收层；
(4)选取相应的金属靶材，通入惰性工作气体和第四反应气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述复合吸收层上沉积所述减反层。还对所述基片进行预处理，具体如下：
先采用中性洗涤液对所述基片进行清洗，之后再采用射频离子源对基片进行二次清洗，得到预处理后的基片。
步骤(1)-(4)中所述的惰性工作气体均为氩气；
所述第一反应气体为氮气或者氮气和氧气的混合气，所述第二反应气体为氮气，所述第三反应气体为氧气，所述第四反应气体为氧气。
所述惰性工作气体的通入流量为40-60sccm，所述第一反应气体中氮气的通入流量为50-80sccm，所述第一反应气体中氧气的通入流量为5-30sccm，所述第二气体的通入流量为5-80sccm，所述第三气体的通入流量为5-30sccm，所述第四气体的通入流量为5-30sccm。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的太阳能选择性吸收涂层，通过从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层，并设置所述过渡层为CrNx、yCrN·(1-y)Cr2O3、ySi3N4·(1-y)SiO2、yAlN·(1-y)Al2O3、yTi3N4·(1-y)TiO2中的一种或几种，其中，1＜x＜1.5，0＜y＜1，从而使得本发明所述涂层能够有效阻止所述红外反射层与吸收层之间发生相互扩散，及含有扩散阻挡层的太阳能选择性吸收涂层中的红外反射层、扩散阻挡层和吸收层之间发生的相互扩散，有效提高所述选择性吸收涂层的热稳定性能，本发明所述选择性吸收涂层的吸收率α高达95％以上，辐射率ε低于5％(80℃)，经过250℃大气环境372h退火后，性能和表面形貌无明显变化，经过400℃大气环境28h退火后，吸收率为93.45％，辐射率为4.70％，吸收发射比为19.9，表面形貌无明显变化，由此可见，本发明所述的选择性吸收涂层具有良好的热稳定性能和较好的光谱选择性。
(2)本发明所述的太阳能选择性吸收涂层，通过将所述复合吸收层设置为由下至上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层，所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的折射率和消光系数均为依次降低，从而本发明所述选择性吸收涂层的吸收-反射过渡区陡峭，进一步使其在太阳能光谱范围0.3μm-2.5μm具有较高的吸收率，在热辐射红外区域2.5μm-50μm具有极低的辐射率，并且能够使得红外反射层、所述金属亚层、金属氮化物之间的界面应力得以有效降低，提高涂层之间的附着力，进一步有利于提高所述选择性吸收涂层的热稳定性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所述的太阳能选择性吸收涂层的结构示意图；
图2A-2C是本发明所述的太阳能选择性吸收涂层分别在未处理、250℃、400℃处理后的表面形貌图；
图3A-3C是对比例2所述的选择性吸收涂层分别在未处理、250℃、400℃处理后的表面形貌图。
图中附图标记表示为：1-基片，2-红外反射层，3-过渡层，41-金属吸收亚层，42-金属氮化物亚层，43-金属氮氧化物亚层，5-减反层。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种太阳能选择性吸收涂层，其结构如图1所示，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层。
其中，所述基片为铝基片，其厚度为0.5mm。
所述红外反射层为Al层，其厚度为200nm，所述红外反射层的电导率大于106S·m-1。
所述过渡层为CrNx，其中，1＜x＜1.5，其厚度为15nm。
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On，其中，1≤m1≤1.2，0＜m2≤0.5，1＜n≤2，所述Cr层、CrNm1层和CrNm2On的折射率和消光系数均为依次降低。所述复合吸收层的总厚度为160nm，所述Cr层的厚度为40nm，所述CrNm1层的厚度为60nm，所述CrNm2On层的厚度为60nm。
所述减反层为SiO2，其厚度为90nm。
所述的太阳能选择性吸收涂层采用如下方法制备得到：
(1)基片的预处理：
先采用中性洗涤液和去离子水对所述基片进行初步清洗，之后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击所述基片表面进行二次清洗，得到预处理后的基片；工艺参数设置如下：射频电源溅射功率为200w，工作气体为纯度为99.99％的Ar，流量为45sccm，工作气压为9.8×10-2mTorr，溅射时间为360s；
(2)在所述基片上沉积Al层作为所述红外反射层
选取纯度为99.7％Al靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击纯度为99.7％铝靶实现在所述基片上沉积Al膜作为红外反射层，其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1200w，所述工作气体的流量为50sccm，工作气压为5mTorr，所述基片的传输速率为0.4m/min，所述基片在Al靶材下方往返运动3次，基片的温度为室温；
(3)在所述Al/基片上沉积所述过渡层
选取纯度为99.7％Cr靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar和第一反应气体N2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述Al/基片上沉积所述过渡层CrNx；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述第一反应气体的流量为50sccm，所述Al/基片的传输速率为1m/min，所述Al/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
(4)在所述CrNx/Al/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On
选取纯度为99.7％的Cr靶材，先后通入纯度均为99.99％惰性工作气体Ar、第二反应气体N2、第三反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述CrNx/Al/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On；
沉积所述金属亚层Cr层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述CrNx/Al/基片的传输速率为2.3m/min，所述CrNx/Al/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮化物亚层CrNm1层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述Cr/CrNx/Al/基片的传输速率为1m/min，所述Cr/CrNx/Al/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮氧化物亚层CrNm2On的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述第三反应气体O2的流量为10sccm，所述CrNm1/Cr/CrNx/Al/基片的传输速率为0.45m/min，所述CrNm1/Cr/CrNx/Al/基片在Cr靶材下方往返运动5次，温度为室温；
(5)在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/CrNx/Al/基片上沉积所述减反层
选取纯度为99.7％的硅铝靶材(Al含量30wt％)，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar和第四反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击硅铝靶材，在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/CrNx/Al/基片沉积SiO2作为所述减反层；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为2000w，工作气压为5mTorr，所述工作气体的流量为30sccm，所述第四反应气体O2的流量为14sccm，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/CrNx/Al/基片的传输速率为1m/min，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/CrNx/Al/基片在硅铝靶材下方往返运动9次，温度为室温；
(6)待完成上述制备步骤后，使样品冷却20min，出片，停机。
实施例2
本实施例提供一种太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层。
其中，所述基片为玻璃片，其厚度为6mm。
所述红外反射层为Cu层，其厚度为80nm。
所述过渡层为完全氮氧化的yCrN·(1-y)Cr2O3，其中，0＜y＜1，其厚度为35nm。
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On，其中，1.2＜m1＜1.5，0.5＜m2＜1，0＜n＜1，所述Cr层、CrNm1层和CrNm2On的折射率和消光系数均为依次降低；所述复合吸收层的总厚度为65nm，所述Cr层的厚度为10nm，所述CrNm1层的厚度为25nm，所述CrNm2On层的厚度为30nm。
所述减反层为SiO2，其厚度为150nm。
所述的太阳能选择性吸收涂层采用如下方法制备得到：
(1)基片的预处理：
先采用中性洗涤液和去离子水对所述基片进行初步清洗，之后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击所述基片表面进行二次清洗，得到预处理后的基片；工艺参数设置如下：射频电源溅射功率为200w，工作气体为纯度为99.99％的Ar，流量为45sccm，工作气压为9.8×10-2mTorr，溅射时间为360s；
(2)在所述基片上沉积Cu层作为所述红外反射层
选取纯度为99.7％Cu靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击纯度为99.7％Cu靶实现在所述基片上沉积Cu膜作为红外反射层，其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1200w，所述工作气体的流量为50sccm，工作气压为5mTorr，所述基片的传输速率为0.4m/min，所述基片在Cu靶材下方往返运动3次，基片的温度为室温；
(3)在所述Cu/基片上沉积所述过渡层
选取纯度为99.7％Cr靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar、第一反应气体N2和O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述Cu/基片上沉积所述过渡层yCrN·(1-y)Cr2O3；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述第一反应气体N2和O2流量均为50sccm，所述Cu/基片的传输速率为1m/min，所述Cu/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
(4)在所述yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On
选取纯度为99.7％的Cr靶材，先后通入纯度均为99.99％惰性工作气体Ar、第二反应气体N2、第三反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On；
沉积所述金属亚层Cr层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述CrNx/Al/基片的传输速率为2.3m/min，所述yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮化物亚层CrNm1层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片的传输速率为1m/min，所述Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮氧化物亚层CrNm2On的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述第三反应气体O2的流量为10sccm，所述CrNm1/Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片的传输速率为0.45m/min，所述CrNm1/Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片在Cr靶材下方往返运动5次，温度为室温；
(5)在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片上沉积所述减反层
选取纯度为99.7％的硅铝靶材(Al含量30wt％)，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar和第四反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击硅铝靶材，在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/CrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片沉积SiO2作为所述减反层；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为2000w，工作气压为5mTorr，所述工作气体的流量为30sccm，所述第四反应气体O2的流量为14sccm，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片的传输速率为1m/min，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yCrN·(1-y)Cr2O3/Cu/基片在硅铝靶材下方往返运动15次，温度为室温；
(6)待完成上述制备步骤后，使样品冷却20min，出片，停机。
实施例3
本实施例提供一种太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层。
其中，所述基片为铜片，其厚度为0.3mm。
所述红外反射层为Au层，其厚度为100nm。
所述过渡层为完全氮氧化的ySi3N4·(1-y)SiO2，其中，0＜y＜1，其厚度为20nm。
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On，其中，1.1＜m1＜1.3，0.8＜m2＜1.3，0.6＜n＜1.2，所述Cr层、CrNm1层和CrNm2On的折射率和消光系数均为依次降低；所述复合吸收层的总厚度为100nm，所述Cr层的厚度为20nm，所述CrNm1层的厚度为40nm，所述CrNm2On层的厚度为40nm。
所述减反层为SiO2，其厚度为120nm。
所述的太阳能选择性吸收涂层采用如下方法制备得到：
(1)基片的预处理：
先采用中性洗涤液对所述基片进行初步清洗，之后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击所述基片表面进行二次清洗，得到预处理后的基片；工艺参数设置如下：射频电源溅射功率为200w，工作气体为纯度为99.99％的Ar，流量为45sccm，工作气压为9.8×10- 2mTorr，溅射时间为360s；
(2)在所述基片上沉积Au层作为所述红外反射层
选取纯度为99.7％Au靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击纯度为99.7％Au靶实现在所述基片上沉积Au膜作为红外反射层，其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1200w，所述工作气体的流量为50sccm，工作气压为5mTorr，所述基片的传输速率为0.4m/min，所述基片在Au靶材下方往返运动3次，基片的温度为室温；
(3)在所述Au/基片上沉积所述过渡层
选取纯度为99.7％硅靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar、第一反应气体N2和O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击硅靶，在所述Au/基片上沉积所述过渡层ySi3N4·(1-y)SiO2；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述第一反应气体N2和O2流量均为50sccm，所述Au/基片的传输速率为1m/min，所述Au/基片在硅靶材下方往返运动3次，温度为室温；
(4)在所述ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On
选取纯度为99.7％的Cr靶材，先后通入纯度均为99.99％惰性工作气体Ar、第二反应气体N2、第三反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On；
沉积所述金属亚层Cr层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片的传输速率为2.3m/min，所述ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮化物亚层CrNm1层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片的传输速率为1m/min，所述Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮氧化物亚层CrNm2On的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述第三反应气体O2的流量为10sccm，所述CrNm1/Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片的传输速率为0.45m/min，所述CrNm1/Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片在Cr靶材下方往返运动5次，温度为室温；
(5)在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片上沉积所述减反层
选取纯度为99.7％的硅铝靶材(Al含量30wt％)，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar和第四反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击硅铝靶材，在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片沉积SiO2作为所述减反层；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为2000w，工作气压为5mTorr，所述工作气体的流量为30sccm，所述第四反应气体O2的流量为14sccm，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片的传输速率为1m/min，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/ySi3N4·(1-y)SiO2/Au/基片在硅铝靶材下方往返运动12次，温度为室温；
(6)待完成上述制备步骤后，使样品冷却20min，出片，停机。
实施例4
本实施例提供一种太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层。
其中，所述基片为不锈钢，其厚度为8mm。
所述红外反射层为Ag层，其厚度为120nm。
所述过渡层为完全氮氧化的yAlN·(1-y)Al2O3，其中，0＜y＜1，其厚度为25nm。
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On，其中，1.2＜m1＜1.4，0＜m2＜0.3，1.1＜n＜1.5，所述Cr层、CrNm1层和CrNm2On的折射率和消光系数均为依次降低；所述复合吸收层的总厚度为120nm，所述Cr层的厚度为30nm，所述CrNm1层的厚度为45nm，所述CrNm2On层的厚度为45nm。
所述减反层为SiO2，其厚度为60nm。
所述的太阳能选择性吸收涂层采用如下方法制备得到：
(1)基片的预处理：
先采用中性洗涤液对所述基片进行初步清洗，之后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击所述基片表面进行二次清洗，得到预处理后的基片；工艺参数设置如下：射频电源溅射功率为200w，工作气体为纯度为99.99％的Ar，流量为45sccm，工作气压为9.8×10- 2mTorr，溅射时间为360s；
(2)在所述基片上沉积Ag层作为所述红外反射层
选取纯度为99.7％Ag靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击纯度为99.7％Ag靶实现在所述基片上沉积Ag膜作为红外反射层，其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1200w，所述工作气体的流量为50sccm，工作气压为5mTorr，所述基片的传输速率为0.4m/min，所述基片在Ag靶材下方往返运动3次，基片的温度为室温；
(3)在所述Ag/基片上沉积所述过渡层
选取纯度为99.7％铝靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar、第一反应气体N2和O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击铝靶，在所述Ag/基片上沉积所述过渡层yAlN·(1-y)Al2O3；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述第一反应气体N2和O2流量均为50sccm，所述Ag/基片的传输速率为1m/min，所述Ag/基片在硅靶材下方往返运动3次，温度为室温；
(4)在所述yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On
选取纯度为99.7％的Cr靶材，先后通入纯度均为99.99％惰性工作气体Ar、第二反应气体N2、第三反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On；
沉积所述金属亚层Cr层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片的传输速率为2.3m/min，所述yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮化物亚层CrNm1层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片的传输速率为1m/min，所述Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮氧化物亚层CrNm2On的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述第三反应气体O2的流量为10sccm，所述CrNm1/Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片的传输速率为0.45m/min，所述CrNm1/Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片在Cr靶材下方往返运动5次，温度为室温；
(5)在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片上沉积所述减反层
选取纯度为99.7％的硅铝靶材(Al含量30wt％)，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar和第四反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击硅铝靶材，在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片沉积SiO2作为所述减反层；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为2000w，工作气压为5mTorr，所述工作气体的流量为30sccm，所述第四反应气体O2的流量为14sccm，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片的传输速率为1m/min，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/yAlN·(1-y)Al2O3/Ag/基片在硅铝靶材下方往返运动6次，温度为室温；
(6)待完成上述制备步骤后，使样品冷却20min，出片，停机。
上述实施例1-4中镀制每个涂层采用的仪器为SPL-18P磁控溅射系统。本系统真空腔室长约5.8米，采用气动闸板阀将其隔离成四个独立腔室，分别为：进片/射频预清洗室，制程一室，制程二室和出片室。制备薄膜前基片可在清洗室中采用Ar+进行清洗，有效去除基片表面吸附的各种杂质及气体分子；制程一室和制程二室中安装有六条阴极，当制备某种材料时传输装置可将基片传输至阴极下方进行薄膜的制备，更换另一材料时仅需采用传动装置传输到另一位置；薄膜制备完成后样品可传输至出片室中出片。
对比例1
本对比例提供一种太阳能选择性薄膜，该薄膜包括衬底、红外反射层、扩散阻挡层、吸收层和减反射层；红外反射层的成分为Cu；扩散阻挡层的成分为含有金属铬的铬-氮复合成分；吸收层由铬单质-氧化铬多元相和铬单质-氮氧化铬多元相组成；所述减反射层为SiO2陶瓷薄膜。
该薄膜采用如下方法制备得到：
(1)选用厚度为0.4mm纯铝箔作为吸收涂层衬底，依次以去污剂、去离子水、丙酮和酒精超声清洗10min，并经N2吹干后，置于真空腔体中，待真空抽至2×10-4Pa后，在300℃烘烤30min，然后通过反溅射装置对样品进行Ar等离子体处理，其中Ar气压为0.45Pa，处理时间为10min，得到预处理后的基片；
(2)选取金属Cu靶材，在真空腔体中通入Ar气，采用直流磁控溅射方法室温在预处理后的基片上制备金属红外反射层，其中，Ar工作气压为0.46Pa，靶面功率密度4.9w/cm3，同时，在制备过程中需采用射频电源施加功率为100w、电压为120v的衬底负偏压，以提高Cu反射层与衬底间的结合力；
(3)使用Cr靶，采用反应磁控溅射方法，在真空腔体中同时通入Ar气和N2气，调节氩气和氮气的流量比在红外反射层上制备不同x值的CrNx扩散阻挡层，然后，通入Ar气、N2气和O2气，通过调节气体流量，在扩散阻挡层上依次沉积Cr-CrOmNn多元相下涂层和Cr-CrOyNz多元相上涂层，同时，在制备过程中需采用射频电源施加功率为100w、120v的衬底负偏压，以提高层与层间的结合力；
(4)使用SiO2陶瓷靶材射频溅射方法，室温在吸收层上沉积减反层，沉积过程中，Ar工作气压为0.46Pa，靶面功率密度为4.9w/cm3，制得太阳能选择性吸收薄膜。
对比例2
本对比例提供一种太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、复合吸收层和减反层。
其中，所述基片为铝基片，其厚度为0.5mm。
所述红外反射层为Al层，其厚度为200nm，所述红外反射层的电导率大于106S·m-1。
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On，其中，1＜m1＜1.5，0＜m2＜1.5，0＜n＜2，所述Cr层、CrNm1层和CrNm2On的折射率和消光系数均为依次降低，具体为：在500-2500nm范围内，所述Cr层的折射率为3.19-6.13，所述CrNm1层的折射率为3.00-4.40，所述CrNm2On的折射率为2.38-2.20；在380-2500范围内，所述Cr层的消光系数为3.59-6.84，所述CrNm1层的消光系数为1.79-0.76，所述CrNm2On的消光系数为0.47-0.005。
所述复合吸收层的总厚度为160nm，所述Cr层的厚度为40nm，所述CrNm1层的厚度为60nm，所述CrNm2On层的厚度为60nm。
所述减反层为SiO2，其厚度为90nm，所述减反层在波长350-2500范围内，折射率处于1.47-1.43之间，消光系数小于0.03。
所述的太阳能选择性吸收涂层采用如下方法制备得到：
(1)基片的预处理：
先采用中性洗涤液对所述基片进行初步清洗，之后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击所述基片表面进行二次清洗，得到预处理后的基片；工艺参数设置如下：射频电源溅射功率为200w，工作气体为纯度为99.99％的Ar，流量为45sccm，工作气压为9.8×10- 2mTorr，溅射时间为360s；
(2)在所述基片上沉积Al层作为所述红外反射层
选取纯度为99.7％Al靶材，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击纯度为99.7％铝靶实现在所述基片上沉积Al膜作为红外反射层，其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1200w，所述工作气体的流量为50sccm，工作气压为5mTorr，所述基片的传输速率为0.4m/min，所述基片在Al靶材下方往返运动3次，基片的温度为室温；
(3)在所述Al/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On
选取纯度为99.7％的Cr靶材，先后通入纯度均为99.99％惰性工作气体Ar、第二反应气体N2、第三反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶，在所述Al/基片上依次沉积所述金属亚层Cr层、金属氮化物亚层CrNm1层和金属氮氧化物亚层CrNm2On；
沉积所述金属亚层Cr层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体的流量为50sccm，所述Al/基片的传输速率为2.3m/min，所述Al/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮化物亚层CrNm1层的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述Cr/Al/基片的传输速率为1m/min，所述Cr/Al/基片在Cr靶材下方往返运动3次，温度为室温；
沉积所述金属氮氧化物亚层CrNm2On的工艺参数设置为：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，所述工作气体Ar的流量为50sccm，所述第二反应气体N2的流量为50sccm，所述第三反应气体O2的流量为10sccm，所述CrNm1/Cr/Al/基片的传输速率为0.45m/min，所述CrNm1/Cr/Al/基片在Cr靶材下方往返运动5次，温度为室温；
(4)在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/Al/基片上沉积所述减反层
选取纯度为99.7％的硅铝靶材(Al含量30wt％)，通入纯度为99.99％惰性工作气体Ar和第四反应气体O2，采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击硅铝靶材，在所述CrNm2On/CrNm1/Cr/Al/基片沉积SiO2作为所述减反层；其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为2000w，工作气压为5mTorr，所述工作气体的流量为30sccm，所述第四反应气体O2的流量为14sccm，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/Al/基片的传输速率为1m/min，所述CrNm2On/CrNm1/Cr/Al/基片在硅铝靶材下方往返运动9次，温度为室温；
(6)待完成上述制备步骤后，使样品冷却20min，出片，停机。
实验例
首先，将实施例1-4和对比例1-2制得的选择性吸收涂层(或薄膜)样品依次编号为A-F，分别采用日立U-4100分光光度计测试0.3μm-2.5μm波段的吸收率α，采用Bruker的Tensor27傅里叶红外光谱仪测试2.5μm-50μm波段的辐射率ε，其中，样品A-D吸收率α和辐射率ε见表1。
接着，分别对本发明所述选择性吸收涂层A与对比例涂层E经250℃、400℃不同退火时间下的吸收率α和辐射率ε进行检测，结果如表2所示。
进一步，采用光学显微镜检测本发明方法所得样品A和对比例2方法制备得到样品F的表面形貌，分别如图2A-2C和图3A-3C所示，可以看出，本发明所述选择性吸收涂层A经过250℃、400℃退火处理后表面形貌变化很小，但选择性吸收涂层F经过250℃、400℃退火处理后表面形貌变化较大，尤其是经过400℃退火处理后表面已经出现明显斑点，这也是导致涂层性能变化主要原因。
表1-不同选择性吸收涂层的吸收率和辐射率
从表1中可以看出，本发明所述选择性吸收涂层(A-D)的吸收率α高达95％以上，辐射率ε低于5％，说明本发明所述选择性吸收涂层具有较高的吸收率α和较低的辐射率。
表2-经不同条件处理后涂层的吸收率和辐射率
从表2可以看出，本发明所述涂层A经过250℃、400℃退火后，吸收率α仍较高为93.45％，辐射率ε为4.70％，从而α/ε降低并不明显，而对比例1所得涂层E在经过278℃退火后，吸收率α降低为90.6％，辐射率ε较高为7.0％，从而α/ε降低明显，而对比例2所得涂层F在经过400℃退火后，吸收率α降低为93.00％，辐射率ε升高为13.0％，从而α/ε降低明显，因此，本发明所述选择性吸收涂层具有良好的热稳定性能，并在400℃大气环境退火后仍具有较好的光谱选择性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次设置基片、红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层；
其特征在于，所述过渡层为yCrN·(1-y)Cr2O3、ySi3N4·(1-y)SiO2、yAlN·(1-y)Al2O3、yTi3N4·(1-y)TiO2中的一种或几种，其中，0＜y＜1；
所述复合吸收层由下至上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层，所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的折射率和消光系数均为依次降低；
所述金属亚层为Cr层，所述金属氮化物亚层为CrNm1层，所述金属氮氧化物亚层为CrNm2On，其中，1≤m1≤1.5，0＜m2≤1.5，0＜n≤2；
所述Cr层、CrNm1层、CrNm2On层的厚度之比为10-40:25-60:30-60。
2.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层的厚度比值范围为80-200:5-35:65-160:50-150。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述基片为玻璃、铝、铜或不锈钢中的一种或几种；
所述红外反射层为Al、Cu、Au、Ag、Ni中的一种或几种；
所述减反层为SiO2、Si3N4、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3中的一种或几种。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述的太阳能选择性吸收涂层的方法，其特征在于，在所述基片上依次镀制所述红外反射层、过渡层、复合吸收层和减反层，即得。
5.根据权利要求4所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取相应的金属靶材，通入惰性工作气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述基片上沉积金属膜作为红外反射层；
(2)选取相应的金属靶材，通入惰性工作气体和第一反应气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述红外反射层上沉积所述过渡层；
(3)选取相应的金属靶材，先后通入惰性工作气体、第二反应气体、第三反应气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述过渡层上沉积所述复合吸收层；
(4)选取相应的金属靶材，通入惰性工作气体和第四反应气体，采用脉冲直流磁控溅射法在所述复合吸收层上沉积所述减反层。
6.根据权利要求4所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)-(4)中所述的惰性工作气体均为氩气。
7.根据权利要求5或6所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，所述第一反应气体为氮气或者氮气和氧气的混合气，所述第二反应气体为氮气，所述第三反应气体为氧气，所述第四反应气体为氧气。
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