CN105387641A - 以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层，属于太阳能利用技术领域。本发明的涂层是在不锈钢基底上依次形成吸收层和减反射层；其中吸收层由表面织构化金属Mo薄膜构成，厚度为40~100？nm，粗糙度值为0.5~3nm；减反射层由陶瓷Al2O3或SiO2薄膜构成，厚度为50~150？nm。该太阳能选择性吸收涂层具有可见-红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率，以及良好的高温热稳定性；而且涂层结构简单，制备工艺稳定，操作方便，生产成本低，生产周期短；同时以表面织构化金属Mo涂层作为吸收层，有效避免了红外反射层的使用及掺杂，拓展了低热发射金属在太阳能吸收涂层的使用范围。

Description

以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，尤其涉及一种以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能热利用和热发电技术领域。
背景技术
表面结构化是提高对太阳辐射吸收率的一项有效技术。1957年，Tabor提出将接收表面制造成连续的V形邹折，当太阳辐射入射到这种邹折表面时，阳光经过多次反射吸收，最终可将表面的有效阳光吸收率增加到接近1。控制薄膜表面的形貌和结构，使该种薄膜表面对紫外-可见-近红外波段的太阳能光谱通过陷阱不断折射而被吸收，而反射掉中远红外波段的太阳能光谱，达到选择性吸收的目的，这种膜表面通常呈“V”形沟、蜂窝结构、树枝状表面等，这些陷阱可以大大增加光谱的选择性吸收作用。表面织构化低热发射金属，将极大提高金属的吸收率。表面织构化技术中阳极氧化，激光刻蚀在大规模应用及后续涂层制备方面存在局限性。
金属陶瓷复合材料以其独特的性能在太阳能光谱选择性吸收涂层中得到了广泛的应用。传统的涂层设计是以低发射率的金属Mo作为红外反射层或掺杂材料。然而，掺杂体系使涂层生产工艺复杂，成本增加。如何设计并制备结构简单，光学性能良好，易于生产的太阳能吸收涂层是当前研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供了一种以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层，以提高金属的光吸收率，拓展低发射金属在太阳能吸收涂层中的应用范围。
本发明的另一目的是提供一种以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
本发明以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；其中吸收层由表面织构化金属Mo薄膜构成，厚度为40~100nm；减反射层由陶瓷Al2O3或SiO2薄膜构成，厚度为50~150nm。
上述耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗15~20分钟，氮气吹干，真空保存；吸热体基底为粗糙度值为0.1~3nm的抛光不锈钢片；
（2）吸收层的制备：将真空室预抽本底真空至1.0E-6~5.0E-6Torr，采用压力模式通入真空室氩气流量在10~20mTorr；以纯度为99.99%的金属Mo靶材作为磁控溅射靶材，调整金属Mo靶材的溅射功率密度为0.5~3.0W/cm-2，降低氩气的进气量至2~5mTorr，采用直流磁控溅射预溅射3~10分钟后，开始在吸热体基底溅射制备吸收层，厚度为40~100nm，粗糙度值为0.5~3nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3或SiO2作为磁控溅射靶材，控制Al2O3或SiO2靶材的溅射功率密度在5~8W/cm-2，采用压力模式通入真空室氩气流量在2~5mTorr，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50~200nm。
上述制备的涂层进行真空热处理，在2×10-4Pa高真空度下，经600℃真空长时间保温，涂层吸收率和发射率没有明显的变化，说明本发明制备的涂层具有良好的热稳定性。
图1为上述制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。根据图谱计算得出该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，其吸收率≥0.90，发射率≤0.09。
图2为上述制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层的XRD图，表明该涂层为无定形结构。
图3为上述制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层的断面高分辨透射电镜图（a）及选区电子衍射谱图（b）。图中（a）表明该涂层形成吸收层和减反射层两层膜结构（为表征方便基底采用硅片），并具有无定形结构。
综上所述，本发明相对现有技术具有以下优点：
1、本发明制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层，以表面织构化金属Mo涂层作为吸收层，以陶瓷Al2O3或SiO2作为减反射层，具有紫外可见-近红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点；同时有效避免了红外反射层的使用及掺杂，提高了涂层的高温热稳定性；
2、本发明的涂层结构简单，制备工艺简便，操作方便，生产成本低，生产周期短；
3、以表面织构化金属Mo涂层作为吸收层，拓展了低热发射金属在太阳能吸收涂层的使用范围。
附图说明
图1为本发明制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。
图2为本发明制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层的XRD图。
图3为本发明制备的耐高温太阳能选择性吸收涂层的断面高分辨透射电镜图及选区电子衍射谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备及性能作进一步说明。
实施例1
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为1nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空室保存，待用；
（2）吸收层的制备：采用纯度均为99.99%的金属Mo靶作为靶材，利用直流磁控溅射在不锈钢基底上制备吸收层。安装好靶材后，将真空室预抽本底真空至3.0E-6Torr，然后打开半开阀，采用压力模式通入真空室的氩气为18mTorr，开启金属Mo靶材电源，调整金属Mo靶材的溅射功率为1.09W/cm-2，降低氩气的进气量至3mTorr。金属Mo靶材预溅射8分钟后，开始在不锈钢基底溅射制备吸收层，厚度为66.5nm，粗糙度值为1.26nm；
（3）减反射层的制备：采用纯度均为99.99%的Al2O3作为靶材，采用射频磁控溅射制备减反射层。吸收层制备完毕后，关闭金属Mo靶电源，开启Al2O3靶电源，调整Al2O3靶材的溅射功率密度为6.14W/cm-2，氩气的流量始终保持压力模式3mTorr，采用射频磁控溅射开始在吸收层上制备减反射层，厚度为82.3nm。
太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.06。进行真空热处理，在2×10-4Pa高真空度下，经600℃真空长时间保温，涂层吸收率和发射率没有明显的变化。
实施例2
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为1nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空保存，待用；
（2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的金属Mo靶材，利用直流磁控溅射在不锈钢基底上制备吸收层。安装好靶材后，将真空室预抽本底真空至2.8E-6Torr，然后打开半开阀，采用压力模式，通入真空室的氩气为19mTorr，开启金属Mo靶材电源，调整金属Mo靶材的溅射功率为1.09W/cm-2，降低氩气的进气量至3mTorr；金属Mo靶材预溅射8分钟后，开始在不锈钢基底溅射制备吸收层，厚度为66.5nm，粗糙度值为1.2nm。
（3）减反射层的制备：采用纯度均为99.99%的Al2O3作为靶材，采用射频磁控溅射制备减反射层。吸收层制备完毕后，关闭金属Mo靶电源，开启Al2O3靶电源，调整Al2O3靶材的溅射功率密度为6.14W/cm-2，氩气的流量始终保持压力模式3mTorr，开始在吸收层上制备减反射层，厚度为52.5nm。
太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.08。进行真空热处理，在2×10-4Pa高真空度下，经600℃真空长时间保温，涂层吸收率和发射率没有明显的变化。
实施例3
（1）吸热体基底的处理：同实施例1。
（2）吸收层的制备：同实施例1。
（3）减反射层的制备：采用纯度均为99.99%的SiO2作为靶材，采用射频磁控溅射制备减反射层。吸收层制备完毕后，关闭金属Mo靶电源，开启SiO2靶电源，调整SiO2靶材的溅射功率密度为6.14W/cm-2，氩气的流量始终保持压力模式3mTorr，采用射频磁控溅射开始在吸收层上制备减反射层，厚度为76nm。
太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.07。进行真空热处理，在2×10-4Pa高真空度下，经600℃真空长时间保温，涂层吸收率和发射率没有明显的变化。

Claims (5)

1.以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；其特征在于：吸收层由表面织构化金属Mo薄膜构成，厚度为40~100nm，粗糙度值为0.5~3nm；减反射层由陶瓷Al2O3或SiO2薄膜构成，厚度为50~150nm。
2.如权利要求1所述以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸热体基底为粗糙度值0.1~3nm的抛光不锈钢片。
3.如权利要求1或2所述以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，其吸收率≥0.90，发射率≤0.09。
4.如权利要求1所述以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗15~20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：将真空室预抽本底真空至1.0E-6~5.0E-6Torr，采用压力模式，通入真空室的氩气为10~20mTorr；以纯度为99.99%的金属Mo靶材作为磁控溅射靶材，调整金属Mo靶材的溅射功率密度为0.5~3.0W/cm-2，降低氩气的进气量至2~5mTorr，采用直流磁控溅射预溅射3~10分钟后，开始在吸热体基底溅射制备吸收层，厚度为40~100nm，粗糙度值为0.5~3nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3或SiO2作为磁控溅射靶材，控制Al2O3或SiO2靶材的溅射功率密度在5~8W/cm-2，保持压力模式，通入真空室氩气的流量在2~5mTorr，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50~200nm。
5.如权利要求4所述以表面织构化金属Mo作为吸收层的耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述吸热体基底为粗糙度值为0.1~3nm的抛光不锈钢片。
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