CN105970175A - 一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

一种碳化钛-碳化锆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

本发明公开了一种碳化钛‑碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，其中该涂层从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层。所述吸收层的材料为碳化钛和碳化锆的复合物，采用双靶共溅射制备，厚度为35‑80 nm，该复合物中锆原子百分比为0.5‑3%。所述减反射层为氧化铝，厚度为30‑100 nm。本发明制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.90，发射率≤0.13；该涂层具有很好的高温稳定性和抗腐蚀性能。本发明提供的涂层具有高吸收率、低发射率，良好的热稳定性能及耐腐蚀性能等特点。该涂层制备工艺简单、原料来源丰富、价格低廉、操作方便、易于控制，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

一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能热发电和真空镀膜技术领域，涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，是目前太阳能热发电的关键技术之一，具体涉及一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能热发电技术是指：利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太阳能热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。光谱选择性吸收涂层是光热发电的核心材料，为了提高光热发电效率，该涂层应具有高吸收率，低发射率，优异的的热稳定性能。
1955年，以色列的Tabor首次提出了“太阳能选择性吸收涂层”的概念并制备出了电镀黑镍涂层。普朗克定律揭示了太阳辐射随波长的变化规律，太阳辐射具有一个很宽的波长范围，其能量主要集中在0.3-2.5μm范围内。对于一个受热物体而言，它的辐射主要在大于2.5μm的红外区域。如果一种涂层在0.3-2.5μm范围内对太阳辐射有高的吸收率，在2.5-25μm范围内有低的热发射率，那么这种涂层就被称作“太阳能选择性吸收涂层”或者“光谱选择性吸收涂层”。 按照吸收原理和涂层结构的不同，一般可将太阳能选择性吸收涂层分为：本征吸收涂层、光干涉涂层、金属陶瓷涂层、多层渐变涂层、光学陷阱涂层。近年来，金属陶瓷光谱选择性吸收涂层得到了广泛的研究和应用。如 Al-AlN、Mo-SiO2、W-A12O3、Cr-Cr2O3、Ni-A12O3、Mo-A12O3、Cr-A12O3、Co-WC、W-Ni-A12O3、Ag-A12O3、Mo-Si3N4、Al-Ni-A12O3、W-Ni-YSZ等。意大利Angelantoni-ENEA公司和德国Siemens公司已经将Mo-SiO2 和Mo-A12O3体系成功商业化推广。然而，对于金属陶瓷复合体系，由于体系中存在的金属颗粒易在高温下发生氧化、扩散、团聚等现象，从而造成吸收涂层长期在高温下服役其光学性能下降，甚至失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层具有良好的高温稳定性、高吸收率、低发射率、制备工艺简单、原料来源丰富，操作方便。
本发明的另一目的是提供上述碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：
一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；所述的吸热体基底为抛光不锈钢或铜片，所述的吸收层材料为碳化钛和碳化锆的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。
所述的吸收层厚度为35-80 nm。
所述的吸收层复合物中锆原子百分比为0.5-3%。
所述的减反射层厚度为30-100 nm。
所述的吸收层该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备， 碳化锆采用射频磁控溅射方法制备；所述的减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化钛-碳化锆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10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化钛和碳化锆作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化钛采用直流磁控溅射，碳化锆采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0*10-6-7.0*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4-10W/cm-2，碳化锆靶材的溅射功率密度为0.5-5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化锆的复合物，溅射过程中吸热体基底温度为50-300 oC；
（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5-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，溅射过程中吸热体基底温度为50-300 oC。
本发明的优点在于：本发明的太阳能选择性吸收涂层，以碳化钛和碳化锆复合物为吸收层，氧化铝为减反射层，极大的丰富了碳化钛陶瓷和碳化锆在太阳能产业中的应用。本发明的太阳能选择性涂层由图2可知，该涂层在紫外可见近红外光谱范围内具有低的反射率，在红外光谱范围内具有高的反射率。本发明采用碳化钛和碳化锆的复合物作为吸收层，该吸收层表现出一定的光谱选择性，即相对高的吸收率和低的发射率，在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.90，发射率≤0.13。减反射层氧化铝的沉积极大地提高了该涂层的吸收率。同时在高真空度下，经长时间高温保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化，该涂层具有优异的高温稳定性能。本发明涂层结构简单，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 为本发明碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层的结构图；
图2 为本发明碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的碳化钛-碳化锆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
一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片。吸收层材料为碳化钛和碳化锆的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备， 碳化锆采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为35 nm，吸收层复合物中锆原子百分比为0.5%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为60 nm。
上述碳化钛-碳化锆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：选用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15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%碳化钛和碳化锆作为磁控溅射靶材；碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化锆靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至2.1*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4.0W/cm-2，碳化锆靶材的溅射功率密度为0.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为100 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化锆的复合物，其厚度为35 nm。溅射过程中吸热体基底温度为100oC。
（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6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为60 nm。溅射过程中吸热体基底温度为100 oC。
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0.91，发射率为0.11；在高真空度下，经800℃ 长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
实施例2
一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片。吸收层材料为碳化钛和碳化锆的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备， 碳化锆采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为80 nm，吸收层复合物中锆原子百分比为3%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为30 nm。
上述碳化钛-碳化锆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：选用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10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%碳化钛和碳化锆作为磁控溅射靶材；碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化锆靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至1.0*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为6 .0W/cm-2，碳化锆靶材的溅射功率密度为5.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化锆的复合物，其厚度为80 nm。溅射过程中吸热体基底温度为300oC。
（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 .0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为30 nm。溅射过程中吸热体基底温度为300 oC。
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0.90，发射率为0.11；在高真空度下，经800℃ 长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
实施例3
一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片。吸收层材料为碳化钛和碳化锆的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备， 碳化锆采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为55 nm，吸收层复合物中锆原子百分比为0.83%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为46 nm。
上述碳化钛-碳化锆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：选用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%碳化钛和碳化锆作为磁控溅射靶材；碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化锆靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至2.1*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为6.5W/cm-2，碳化锆靶材的溅射功率密度为1.1 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为30 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化锆的复合物，其厚度为55 nm。溅射过程中吸热体基底温度为100oC。
（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6.1 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为30 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为46 nm。溅射过程中吸热体基底温度为100 oC。
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0.92，发射率为0.10；在高真空度下，经800℃ 长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
实施例4
一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为铜片。吸收层材料为碳化钛和碳化锆的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备， 碳化锆采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为35 nm，吸收层复合物中锆原子百分比为0.8%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为100 nm。
上述碳化钛-碳化锆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：选用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15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%碳化钛和碳化锆作为磁控溅射靶材；碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化锆靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至7.0*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为10W/cm-2，碳化锆靶材的溅射功率密度为1.1 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为30 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化锆的复合物，其厚度为35 nm。溅射过程中吸热体基底温度为50oC。
（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10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为30 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为100 nm。溅射过程中吸热体基底温度为50 oC。
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0.92，发射率为0.09。

Claims (7)

1.一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：从底层到表面依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；所述的吸热体基底为抛光不锈钢或铜片，所述的吸收层材料为碳化钛和碳化锆的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的吸收层厚度为35-80 nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的吸收层复合物中锆原子百分比为0.5-3%。
4.根据权利要求1或2所述的一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的减反射层厚度为30-100 nm。
5.根据权利要求3所述的一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的减反射层厚度为30-100 nm。
6.根据权利要求1或5所述的一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的吸收层该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备， 碳化锆采用射频磁控溅射方法制备；所述的减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
7.根据上述任一权利要求所述的一种碳化钛-碳化锆高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
（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10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化钛和碳化锆作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化钛采用直流磁控溅射，碳化锆采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0*10-6-7.0*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4-10W/cm-2，碳化锆靶材的溅射功率密度为0.5-5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化锆的复合物，溅射过程中吸热体基底温度为50-300 oC；
（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5-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，溅射过程中吸热体基底温度为50-300 oC。
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