CN105546857B - 一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法 - Google Patents

一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法，包括金属基底，所述金属基底的顶面呈凹凸不平的微结构，金属基底的顶面沉积有TiAlN吸收阻隔层，TiAlN吸收阻隔层上沉积有TiNxOy吸收层，TiNxOy吸收层上沉积有SiO2减反层，SiO2减反层上沉积有AlN减反保护层；采用反应离子束技术对金属基底的顶面进行刻蚀形成微结构，增大了金属基底与膜层之间的附着力，使膜层不易脱落，延长膜系的使用寿命；利用磁控溅射沉积各膜层，TiAlN吸收阻隔层能够阻止金属基底和TiNxOy吸收层之间的扩散，增大整个膜系对太阳光的吸收；利用折射率不同的AlN和SiO2组成的双层减反膜系能够提升减反效果；AlN减反保护层具有优良的耐蚀耐磨性能，在高温大气环境下，膜层寿命持久，提高使用寿命。

Description

一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换技术领域，具体是一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法。
背景技术
太阳能具有分布广泛、取之不尽、用之不竭的优点，并且可以做到对环境几乎没有任何污染，是真正意义上的可持续的清洁能源。对太阳能的利用，目前主要集中在光热转换和光电转换两大类。太阳能集热器是用来吸收太阳辐射并使之转化为热能的光热转换装置。目前市场上有很多种太阳能集热器，最常见的是全玻璃真空管太阳能热水器，但它有无法承压、易爆裂、维修率高，使用寿命短等缺点。不适应人们对未来太阳能集热器的要求。
平板太阳能集热器的发展满足了人类对未来太阳能集热器的要求。其具有光热转换快，热效率高，寿命长等优点。而太阳能选择性吸收膜系的结构及其制备方法，则是平板太阳能集热器的核心技术。
太阳能选择性吸收膜系是太阳能光热转换的关键，随着太阳能集热元件的发展，对膜系提出了越来越高的要求。太阳能选择性吸收膜系要求在太阳光谱（300nm～2500nm）具有高吸收率，红外波段（>2500nm）具有低发射率的光学性能。由于集热板芯的膜系长期处在与自然环境直接接触的条件下工作，因而，要求集热板芯的膜系，必须具备良好的耐热性能和耐候性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法，该膜系的膜层不易脱落，使用寿命长，膜系吸收能力强，并具有优良的耐蚀耐磨性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种太阳能选择性吸收膜系，包括金属基底，所述金属基底的顶面呈凹凸不平的微结构，金属基底的顶面沉积有TiAlN吸收阻隔层，TiAlN吸收阻隔层上沉积有TiNxOy吸收层，TiNxOy吸收层上沉积有SiO2减反层，SiO2减反层上沉积有AlN减反保护层。
进一步的，所述金属基底为厚度0.3mm的银箔片，所述TiAlN吸收阻隔层的厚度为30～50nm，所述TiNxOy吸收层的厚度为100～150nm，所述SiO2减反层的厚度为30～50nm，所述AlN减反保护层的厚度为30～50nm。
本发明还一种太阳能选择性吸收膜系的制备方法，包括以下步骤：
a) 清洗金属基底，并用高压N2气吹干；
b) 采用反应离子束技术对清洗后金属基底的顶面进行刻蚀，使所述金属基底顶面呈凹凸不平的微结构；
c)在具有微结构的金属基底顶面通过磁控溅射沉积TiAlN吸收阻隔层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，直流溅射功率75～100W，靶材为TiAl合金靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的TiAlN吸收阻隔层厚度为30～50nm；
d)在TiAlN吸收阻隔层上通过磁控溅射沉积TiNxOy吸收层，磁控溅射本底真空≤8×10-4Pa，工作压强3.5～5.5×10-1Pa，直流溅射功率100～150W，靶材为Ti靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体O2流量2～5sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的TiNxOy吸收层厚度为100～150nm；
e)在TiNxOy吸收层上通过磁控溅射沉积SiO2减反层，磁控溅射本底真空≤9×10- 4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，射频溅射功率40～80W，靶材为Si靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体O2流量5～7sccm，沉积的SiO2减反层厚度为30～50nm；
f)在SiO2减反层上通过磁控溅射沉积AlN减反保护层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，直流溅射功率75～100W，靶材为Al靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的AlN减反保护层厚度为30～50nm，得到最终的太阳能选择性吸收膜系。
进一步的，所述步骤a中采用超声波清洗机对金属基底进行清洗，先用丙酮超声清洗20min，再用酒精超声清洗20min，最后用去离子水超声清洗20min。
进一步的，所述步骤b中采用反应离子束刻蚀设备对金属基底的顶面进行刻蚀，刻蚀气体为Ar与CHF3的混合气体，Ar与CHF3的流量比为1：1～1.5；反应离子束刻蚀设备本底真空≤8×10-3Pa，工作压强为2～6×10-1 Pa，离子束流能量为300～400eV，束流为70～90mA，加速电压200～260V，入射角为25～45°，刻蚀时间3～5min。
本发明的有益效果是，对金属基底顶面进行了反应离子束刻蚀，使金属基底表面产生了凹凸不平的微结构，增大了金属基底与膜层之间的附着力，使膜层不易脱落，延长膜系的使用寿命；TiAlN吸收阻隔层能够阻止金属基底和TiNxOy吸收层之间的扩散，同时TiAlN吸收阻隔层还做为副吸收层，增大整个膜系对太阳光的吸收；SiO2减反层与AlN减反保护层共同作为减反层，利用折射率不同的AlN和SiO2组成的双层减反膜系能够提升减反效果，增加膜系的吸收率；AlN减反保护层具有优良的耐蚀耐磨性能，在高温大气环境下，膜层寿命持久，有效提高了太阳能集热器的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种太阳能选择性吸收膜系，包括金属基底1，所述金属基底1的顶面呈凹凸不平的微结构，金属基底1的顶面沉积有TiAlN吸收阻隔层2，TiAlN吸收阻隔层2上沉积有TiNxOy吸收层3，TiNxOy吸收层上沉积有SiO2减反层4，SiO2减反层4上沉积有AlN减反保护层5。
所述金属基底1可采用为厚度0.3mm的银箔片、Cu箔片或Al箔片，也可以在不锈钢箔片上沉积一层Ag薄膜、Cu薄膜或Al薄膜作为金属基底1；所述TiAlN吸收阻隔层2的厚度为30～50nm，所述TiNxOy吸收层3的厚度为100～150nm，所述SiO2减反层4的厚度为30～50nm，所述AlN减反保护层5的厚度为30～50nm。
本发明还提供所述的一种太阳能选择性吸收膜系的制备方法，包括以下步骤：
a) 清洗金属基底，并用高压N2气吹干；可采用超声波清洗机对金属基底进行清洗，先用丙酮超声清洗20min，再用酒精超声清洗20min，最后用去离子水超声清洗20min；
b) 采用反应离子束刻蚀设备对清洗后金属基底的顶面进行刻蚀，刻蚀气体为Ar与CHF3的混合气体，Ar与CHF3的流量比为1：1～1.5；反应离子束刻蚀设备本底真空≤8×10-3Pa，工作压强为2～6×10-1 Pa，离子束流能量为300～400eV，束流为70～90mA，加速电压200～260V，入射角为25～45°，刻蚀时间3～5min，使所述金属基底顶面呈凹凸不平的微结构；
c)在具有微结构的金属基底顶面通过磁控溅射沉积TiAlN吸收阻隔层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，直流溅射功率75～100W，靶材为TiAl合金靶，Ti：Al（at%）=9:1，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的TiAlN吸收阻隔层厚度为30～50nm；
d)在TiAlN吸收阻隔层上通过磁控溅射沉积TiNxOy吸收层，磁控溅射本底真空≤8×10-4Pa，工作压强3.5～5.5×10-1Pa，直流溅射功率100～150W，靶材为Ti靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体O2流量2～5sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的TiNxOy吸收层厚度为100～150nm；
e)在TiNxOy吸收层上通过磁控溅射沉积SiO2减反层，磁控溅射本底真空≤9×10- 4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，射频溅射功率40～80W，靶材为Si靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体O2流量5～7sccm，沉积的SiO2减反层厚度为30～50nm；
f)在SiO2减反层上通过磁控溅射沉积AlN减反保护层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，直流溅射功率75～100W，靶材为Al靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的AlN减反保护层厚度为30～50nm，得到最终的太阳能选择性吸收膜系。
对金属基底顶面进行了反应离子束刻蚀，使金属基底表面产生了凹凸不平的微结构，增大了金属基底与膜层之间的附着力，使膜层不易脱落，延长膜系的使用寿命；TiAlN吸收阻隔层能够阻止金属基底和TiNxOy吸收层之间的扩散，同时TiAlN吸收阻隔层还做为副吸收层，增大整个膜系对太阳光的吸收；SiO2减反层与AlN减反保护层共同作为减反层，利用折射率不同的AlN和SiO2组成的双层减反膜系能够提升减反效果，增加膜系的吸收率；AlN减反保护层具有优良的耐蚀耐磨性能，在高温大气环境下，膜层寿命持久，有效提高了太阳能集热器的使用寿命。
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；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种太阳能选择性吸收膜系的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a) 清洗金属基底，并用高压N2气吹干；
b) 采用反应离子束技术对清洗后金属基底的顶面进行刻蚀，使所述金属基底顶面呈凹凸不平的微结构；
c)在具有微结构的金属基底顶面通过磁控溅射沉积TiAlN吸收阻隔层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，直流溅射功率75～100W，靶材为TiAl合金靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的TiAlN吸收阻隔层厚度为30～50nm；
d)在TiAlN吸收阻隔层上通过磁控溅射沉积TiNxOy吸收层，磁控溅射本底真空≤8×10-4Pa，工作压强3.5～5.5×10-1Pa，直流溅射功率100～150W，靶材为Ti靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体O2流量2～5sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的TiNxOy吸收层厚度为100～150nm；
e)在TiNxOy吸收层上通过磁控溅射沉积SiO2减反层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，射频溅射功率40～80W，靶材为Si靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体O2流量5～7sccm，沉积的SiO2减反层厚度为30～50nm；
f)在SiO2减反层上通过磁控溅射沉积AlN减反保护层，磁控溅射本底真空≤9×10-4Pa，工作压强4～6×10-1Pa，直流溅射功率75～100W，靶材为Al靶，溅射工艺气体Ar流量20～30sccm，反应气体N2流量5～10sccm，沉积的AlN减反保护层厚度为30～50nm，得到最终的太阳能选择性吸收膜系；
所述步骤a中采用超声波清洗机对金属基底进行清洗，先用丙酮超声清洗20min，再用酒精超声清洗20min，最后用去离子水超声清洗20min；
所述步骤b中采用反应离子束刻蚀设备对金属基底的顶面进行刻蚀，刻蚀气体为Ar与CHF3的混合气体，Ar与CHF3的流量比为1：1～1.5；反应离子束刻蚀设备本底真空≤8×10- 3Pa，工作压强为2～6×10-1 Pa，离子束流能量为300～400eV，束流为70～90mA，加速电压200～260V，入射角为25～45°，刻蚀时间3～5min。
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