CN105483632A - 具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层，属于太阳能利用技术领域。该涂层依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层。所述吸收层的母体材料为碳化钨，掺杂材料为氧化铝，依次包括第一亚层和第二亚层；其中第一亚层厚度为50~100nm；氧化铝体积百分含量为5%~30%；第二亚层厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为15%~45%。所述减反射层为氧化铝膜，厚度为50~150nm。本发明制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.93，发射率≤0.09；具有很好的高温稳定性，在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。

Description

具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层，尤其涉及一种具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能热发电和热利用技术领域。
背景技术
目前最常用的选择性吸收涂层是渐变金属-电介质选择性吸收涂层，它由金属红外反射层、金属-介质复合材料吸收层和表面减反射层组成。金属-介质复合材料吸收层由多层金属-介质复合材料层组成，涂层的折射率和消光系数从内向外逐渐减小。渐变金属-介质选择性吸收涂层的制备方法包括阳极氧化、真空蒸发、磁控溅射等，其中磁控溅射制备的选择性吸收涂层性能好、沉积速率适中、便于实现工业化生产，是目前最常用的选择性吸收涂层制备方法。
电介质-金属复合型膜系是指在高红外反射率的金属基体表面沉积一种由金属小颗粒嵌入氧化物电介质中所形成的一种涂层。嵌入电介质中的通常为过渡金属颗粒，这些颗粒要么均匀分布于电介质中，要么从底层到表层金属颗粒的含量依次降低从而使涂层的折射率成梯度变化。涂层的结构通常为非晶电介质包含微晶金属颗粒。这种类型的涂层的光学性能优异，是常用的光谱选择性吸收涂层。由于过渡族金属粒子的电子跃迁能级与可见光谱区的光子能量较为匹配，具有类似于半导体的光谱吸收性质，该涂层对可见光的吸收主要是由金属粒子共振及带间跃迁引起，且可见光易在金属粒子之间经多次反射与散射而被吸收，其选择性吸收性质是由涂层本身对可见光的高吸收、对红外光的高透过及金属基材的高红外反射特性构成的。金属陶瓷膜，如金属粒子与氧化物、碳化物组成共析膜层Cr-Cr2O3、Ni-A12O3、Mo-A12O3、Cr-A12O3、Co-WC等。金属粒子的氧化温度决定了此类太阳能选择性吸收涂层的应用温度。
然而，对于传统的金属-电介质复合体系，作为填充粒子的金属或金属合金在高温下易发生扩散、氧化、团聚等现象，由此导致吸收涂层光学性能的衰减。而且射频溅射等工艺沉积速率低、生产周期长、工艺复杂、成本高。
发明内容
针对传统太阳能吸收涂层存在的问题，本发明提供一种具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层，以提高高温选择性吸收涂层的热稳定性能；
本发明的另一目的是提供一种具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
本发明具有双陶瓷结构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；其中吸收层的母体材料为碳化钨，掺杂材料为氧化铝，厚度为100~200nm；减反射层为氧化铝膜，厚度为50~150nm。
所述吸收层依次包括第一亚层和第二亚层；其中第一亚层厚度为50~100nm；氧化铝体积百分含量为5%~30%；第二亚层厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为15%~45%。第一亚层和第二亚层对太阳光谱具有本征吸收，同时第一亚层和第二亚层所形成的干涉效应，加强了涂层的吸收作用。
所述吸热体基底为抛光不锈钢片，其粗糙度值为0.1~3nm。
上述具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下几个步骤：
（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：采用纯度99.99%氧化铝和纯度99.99%碳化钨作为磁控溅射靶材，利用双靶共溅射在不锈钢基底上制备吸收层；其中氧化铝采用射频磁控溅射，碳化钨采用直流磁控溅射；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；调整碳化钨靶材的溅射功率密度为1~4W/cm-2，氧化铝靶材的溅射功率密度为5~8W/cm-2，降低氩气的进气量至2~5mTorr；氧化铝和碳化钨靶材均预溅射3~10分钟后，开始在不锈钢基底双靶共溅射制备吸收层，厚度为100~200nm。
为了进一步提高吸收层的吸收效率和稳定性，吸收层的制备包括两步：第一步：调整碳化钨靶材的溅射功率密度为2~4W/cm-2，氧化铝靶材的溅射功率密度为5~8W/cm-2，降低氩气的进气量至2~5mTorr；氧化铝和碳化钨靶材均预溅射3~10分钟后，开始在不锈钢基底双靶共溅射制备第一亚层，厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为5%~30%；再调整碳化钨靶材的溅射功率密度为1~3W/cm-2，其它参数不变，在第一亚层上继续溅射制得第二亚层，厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为15%~45%。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5~8W/cm-2，氩气进气量在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50~150nm。
上述制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.93，发射率≤0.09；在2×10-4Pa高真空度下，经600℃长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化。
图1为上述制备的具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。反射谱图表明该涂层在紫外可见-近红外光谱波段具有高吸收率，红外光谱波段具有低发射率的特点。
图2为上述制备的具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的高分辨断面透射电镜图(为表征方便，涂层基底采用硅片)。上述制备涂层的高分辨断面透射电镜图（图A）表明该涂层具有吸收层和减反射层两层膜结构，吸收层包含第一亚层和第二亚层。图B为第二吸收亚层和减反射层的界面放大图。图C为第一吸收亚层和硅片的界面放大图。整个涂层断面（包含吸收层和减反射层）的选区电子衍射结果（图D）表明该涂层是无定形状态。
综上所述，本发明制备的涂层由氧化铝和碳化钨高熔点陶瓷构成的双干涉吸收层和陶瓷减反射层组成，具有可见-红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点。由于吸收层采用双陶瓷结构，涂层具有良好的热稳定性能，适用于高温（400~600℃）太阳能光热转换系统，用于太阳能热蒸汽发生系统和热发电技术。另外，本发明涂层在结构上没有红外反射层和掺杂，从而简化了工艺，操作方便，缩短生产周期，降低成本，本发明在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。
图2为本发明具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的高分辨断面透射电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明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，真空保存，待用。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%氧化铝和纯度99.99%碳化钨作为磁控溅射靶材，利用双靶共溅射在不锈钢基底上制备吸收层；其中氧化铝采用射频磁控溅射，碳化钨采用直流磁控溅射。安装好靶材后，将真空室预抽本底真空至3.0E-6Torr，打开半开阀，采用压力模式，通入真空室氩气，通入量在18mTorr；分别开启碳化钨靶材和氧化铝靶材的靶材电源，调整碳化钨靶材的溅射功率密度为3.29W/cm-2，氧化铝靶材的溅射功率密度为6.14W/cm-2，降低氩气的进气量至3mTorr。氧化铝和碳化钨靶材均预溅射5分钟后，开始在不锈钢基底双靶共溅射制备吸收层第一亚层Al2O3+WC，厚度为67nm，氧化铝体积百分含量为19%。然后降低碳化钨靶材的溅射功率密度至1.75W/cm-2，其它参数不变，在吸收层第一亚层膜上继续溅射得到第二亚层Al2O3+WC，厚度为93nm，氧化铝体积百分含量为27%。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，关闭碳化钨靶电源，氧化铝靶材的溅射功率密度仍为6.14W/cm-2，继续在吸收层第二亚层上制备减反射层，厚度为103nm。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.94，发射率为0.08；在2×10-4Pa高真空度下，经600℃长时间保温后，其吸收率为0.94，法向发射率为0.08。
实施例2
（1）吸热体基底的处理：同实施例1；
（2）吸收层的制备：第一亚层的厚度为83nm，氧化铝的体积百分含量为21%；第二亚层的厚度为93nm，氧化铝的体积百分含量为27%。其他同实施例1；
（3）减反射层的制备：同实施例1；
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.93，发射率为0.06；在2×10-4Pa高真空度下，经600℃长时间保温后，其吸收率为0.93，法向发射率为0.06。

Claims (6)

1.具有双陶瓷结构的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：吸收层的母体材料为碳化钨，掺杂材料为氧化铝，厚度为100~200nm；减反射层为氧化铝膜，厚度为50~150nm。
2.如权利要求1所述具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收层依次包括第一亚层和第二亚层；其中第一亚层厚度为50~100nm；氧化铝体积百分含量为5%~30%；第二亚层厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为15%~45%。
3.如权利要求1或2所述的具有双陶瓷结构的高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.1~3nm。
4.如权利要求1所述具有双陶瓷结构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：采用纯度99.99%氧化铝和纯度99.99%碳化钨作为磁控溅射靶材，利用双靶共溅射在不锈钢基底上制备吸收层；其中氧化铝采用射频磁控溅射，碳化钨采用直流磁控溅射；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；调整碳化钨靶材的溅射功率密度为1~4W/cm-2，氧化铝靶材的溅射功率密度为5~8W/cm-2，降低氩气的进气量至2~5mTorr；氧化铝和碳化钨靶材均预溅射3~10分钟后，开始在吸热体基底上双靶共溅射制备吸收层，厚度为100~200nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5~8W/cm-2，氩气进气量在2~5mTorr(压力模式)，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50~150nm。
5.如权利要求4所述具有双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述吸收层的制备包括两步：
第一步：调整碳化钨靶材的溅射功率密度为2~4W/cm-2，氧化铝靶材的溅射功率密度为5~8W/cm-2，降低氩气的进气量至2~5mTorr；氧化铝和碳化钨靶材均预溅射3~10分钟后，开始在不锈钢基底双靶共溅射制备第一亚层，厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为5%~30%；
第二步：调整碳化钨靶材的溅射功率密度为1~3W/cm-2，其它参数不变，在第一亚层上继续溅射制得第二亚层，厚度为50~100nm，氧化铝体积百分含量为15%~45%。
6.如权利要求4或5所述具有双陶瓷结构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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