CN106091446A - 一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能热利用技术领域。该涂层依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层。所述吸收层的材料为氮化钛，厚度为50‑90 nm。所述减反射层为氧化铝膜，厚度为50‑90 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；该涂层具有优异的光学性能和良好的耐腐蚀性能，在太阳能中低温领域具有重要的应用价值。本发明制备工艺简单，成本较低，在太阳能热利用领域具有广阔的实用价值和应用前景。

Description

一种氮化钛基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利用和真空镀膜技术领域，涉及一种太阳能选择性吸收涂层，尤其涉及一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
0℃-100℃的太阳能热利用就是被大多数人所认为的太阳能热利用，其实是太阳能热利用应用的基础阶段，最常见的产品就是太阳能热水器和太阳能热水系统。太阳能热利用低温随市场从最初的民用领域，已经拓展到商用和工用领域。从早期农村市场的刚性需求，到后来城市市场选择性需求以及民居强制安装政策的实施，太阳能热利用低温发展呈现逐年上升的态势。太阳能低温利用不仅可以用于家庭，而且可以用于厂矿、机关、公共场所等热水系统，另外，在工农业生产中也都可大规模应用，市场容量非常大。中温利用太阳能中温利用包括采暖、制冷、海水淡化、太阳能大棚、沼气、干燥、太阳能空调等。太阳能空调只是太阳能中温热利用的一部分。皇明不仅率先将太阳能空调系统发展成熟，还在建筑上做了成功示范。2010年世界太阳城大会主会场日月坛·“微排”大厦，率先使用了目前世界上最大太阳能空调系统，该系统比常规制冷方式节能60%，每年可节电100多万度，在酒店、宾馆、学校、医院等企事业单位非常适用。专家表示，太阳能空调系统已具备了大规模推广的能力。太阳能光谱选择性吸收涂层是太阳能低温利用的关键材料。该涂层一般应具有高的吸收率和低的发射率及良好的耐腐蚀性能。黑铬镀膜技术是国际平板太阳能最成熟的吸收膜技术，目前也是应用最广泛的镀膜技术之一，曾经在世界平板太阳能应用上也占据重要地位，但随着德国蓝膜技术的发展，黑铬镀膜似乎正在退出历史舞台。据S&WE统计，2011年，70%的集热器中选择使用高选择性的PVD或溅射涂层（数据有待考究），11%采用黑铬镀层，该结果表明，采用磁控溅射涂层的高选择性吸收涂层目前是市场上的明星产品，其替代黑铬镀层似是大势所趋。蓝膜的高吸收率与低发射率使其成为一种性能优良的膜层，但是由于其膜层易腐蚀，不耐候性最终不能使其成为一种经久不衰的经典膜层，并且不会完全替代黑铬镀膜。
氮化钛（TiN）具有典型的NaCl型结构，属面心立方点阵，晶格常数a=0.4241nm，其中钛原子位于面心立方的角顶。TiN是非化学计量化合物，其稳定的组成范围为TiN0.37-TiN1.16，氮的含量可以在一定的范围内变化而不引起TiN结构的变化。TiN粉末一般呈黄褐色，超细TiN粉末呈黑色，而TiN晶体呈金黄色。TiN熔点为2950℃，密度为5.43-5.44g/cm3，莫氏硬度8-9，抗热冲击性好。TiN熔点比大多数过渡金属氮化物的熔点高，而密度却比大多数金属氮化物低，因此是一种很有特色的耐热材料。
中国发明专利CN101408354A公开了一种以氮化钛、碳化钛、碳氮化钛为基材制备的防扩散，结构稳定的太阳能选择性吸收涂层。但对于氮化钛高温陶瓷潜在的光谱选择性性能未进一步开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对传统太阳能吸收涂层存在的问题以及氮化钛陶瓷潜在的光谱选择性性能未进一步开发的问题而提供一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层。
本发明的另一目的是提供上述氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
一种氮化钛基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，所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片，所述吸收层材料为氮化钛，所述减反射层材料为氧化铝。
所述吸收层氮化钛的厚度为50-90 nm。
所述减反射层氧化铝的厚度为50-90 nm。
所述吸收层采用直流磁控溅射方法制备；所述减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述氮化钛基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：吸收层氮化钛制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的氮化钛作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0*10-6 -7.0*10-6 Torr；氮化钛靶材的溅射功率密度为3-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，沉积氮化钛厚度为50-90 nm；
（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5-9 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 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50-90 nm。
所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片。
所述在溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为25-250 oC。
所述在溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为25-250 oC。
本发明的太阳能选择性吸收涂层，以高温稳定性良好，耐腐蚀性能优异及具有潜在光谱选择性的氮化钛为吸收层，有效提高了涂层的耐腐蚀性能及光学性能（吸收率和发射率），极大的丰富了氮化钛陶瓷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，在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.90，发射率≤0.13；长期盐雾实验结果表明，该涂层具有良好的抗腐蚀性能，如图3所示。
综上所述，本发明制备的涂层具有紫外可见-近红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点。由于吸收层采用氮化钛陶瓷，涂层具有良好的抗腐蚀性能，适用于太阳能中低温利用。本发明涂层结构简单，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 为本发明氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的结构图；
图2 为本发明氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的反射谱图；
图3 为本发明氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的盐雾试验结果实物照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明太阳能选择性吸收涂层以及制备及性能作进一步说明。
实施例1
一种氮化钛基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，吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为1 nm；吸收层材料为氮化钛，厚度为62 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为65 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为1 nm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%氮化钛作为磁控溅射靶材；采用直流磁控溅射技术制备氮化钛，将真空室预抽本底真空至1.7 *10-6 Torr；调整氮化钛靶材的溅射功率密度为5.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，开始在吸热体基底上沉积氮化钛，其厚度为62 nm；溅射过程中吸热体基底温度为200 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6.14 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 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65 nm。溅射过程中吸热体基底温度为200 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；
实施例2
一种氮化钛基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，吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.5 nm；吸收层材料为氮化钛，厚度为50 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为73 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为0.5 nm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%氮化钛作为磁控溅射靶材；氮化钛采用直流磁控溅射技术制备，将真空室预抽本底真空至1.0*10-6 Torr；调整氮化钛靶材的溅射功率密度为3W/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氮化钛，其厚度为50 nm；溅射过程中吸热体基底温度为250 oC。
（3）减反射层的制备：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5.0 W/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73 nm。溅射过程中吸热体基底温度为250 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0.13；
实施例3
一种氮化钛基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，吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为3 nm；吸收层材料为氮化钛，厚度为90 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为50 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为3 nm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%氮化钛作为磁控溅射靶材；氮化钛采用直流磁控溅射技术制备，将真空室预抽本底真空至2.1*10-6 Torr；调整氮化钛靶材的溅射功率密度为8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为80 sccm，开始在吸热体基底上沉积氮化钛，其厚度为90 nm；溅射过程中吸热体基底温度为150 oC。
（3）减反射层的制备：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80 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50 nm。溅射过程中吸热体基底温度为150 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0.12；
实施例4
一种氮化钛基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，吸热体基底为铜片；吸收层材料为氮化钛，厚度为62 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为90nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用铜片作为吸热体基底。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%氮化钛作为磁控溅射靶材；采用直流磁控溅射技术制备氮化钛，将真空室预抽本底真空至7.0*10-6 Torr；调整氮化钛靶材的溅射功率密度为8.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，开始在吸热体基底上沉积氮化钛，其厚度为62 nm；溅射过程中吸热体基底温度为25 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9.0 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 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90 nm。溅射过程中吸热体基底温度为25oC。
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0.09。

Claims (10)

1.一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片，所述吸收层材料为氮化钛，所述减反射层材料为氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收层氮化钛的厚度为50-90 nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述减反射层氧化铝的厚度为50-90 nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸热体基底抛光不锈钢片的粗糙度值为0.5-3 nm。
5.根据权利要求3所述的一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸热体基底抛光不锈钢片的粗糙度值为0.5-3 nm。
6.根据权利要求1或5所述的一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收层采用直流磁控溅射方法制备；所述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氮化钛基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：吸收层氮化钛制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的氮化钛作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0*10-6 -7.0*10-6 Torr；氮化钛靶材的溅射功率密度为3-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，沉积氮化钛厚度为50-90 nm；
（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5-9 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 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50-90 nm。
8.根据权利要求7所述一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片。
9.根据权利要求7或8所述一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述在溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为25-250 oC。
10.根据权利要求7或8所述一种氮化钛基太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述在溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为25-250 oC。
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