CN106568207B - 高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，高温太阳能光谱选择性吸收涂层包括吸热基底，吸热基底表面设有高温太阳能光谱选择性吸收涂层，高温太阳能光谱选择性吸收涂层由三层膜结构组成，三层膜结构由底部到顶部依次为红外反射层、复合吸收层和减反射层，复合吸收层包括高吸收亚层NiSiN膜层和低吸收亚层NiSiON膜层双层结构，该发明的高温太阳能光谱选择性吸收涂层复合吸收层包括高吸收亚层NiSiN膜层和低吸收亚层NiSiON膜层双层结构，可以保证涂层在400‑600℃高温环境下稳定工作，热稳定性好。

Description

高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及槽式太阳能热利用技术领域，具体涉及不锈钢高温集热管用高温太阳能选择性吸收涂层。
背景技术
槽式太阳能热发电是目前技术较为成熟，具有广泛应用前景的太阳能热利用技术之一，其中真空集热管是槽式热发电系统的核心部件。高温环境下集热管的光热转换效率强烈依赖于太阳光谱选择性吸收涂层的光学性能和涂层材料的热稳定性。因此，研发出高效、耐久的太阳能光谱选择性吸收涂层是槽式热发电中的关键技术，对提高真空集热管性能至关重要。
适于真空集热管使用的太阳能光谱选择性吸收涂层须对可见-近红外(0.3～2.5μm)波段的太阳辐射具有高的吸收率(α)，同时在≥400℃高温环境下，在红外光谱范围(2.5～50μm)内具有低发射率(ε)，并且在高温环境下性能长期保持稳定。当前，国内外公开报道的高温太阳光谱选择性吸收涂层大都采用金属陶瓷材料作为吸收层。金属陶瓷材料的特征为金属纳米颗粒弥散在介质材料之中，通过调节厚度和金属体积分数，可以实现对太阳辐射的选择性吸收。研究者们开发的金属陶瓷光谱选择性吸收涂层如Ni-Al2O3、Mo-Si氧气、NiAl-Al2O3等，都表现出较高的吸收率(α≥90％)和低的反射率(ε≤15％，400℃)。然而，金属陶瓷吸收层内金属离子在高温环境中长期服役容易发生扩散及氧化等现象，从而造成涂层的性能出现严重退化。
为了进一步提高太阳光谱选择性吸收涂层的使用温度和高温环境下长期服役的稳定性，本发明从材料的本征特性出发，提出具有复合吸收层结构，使用NiSiN材料作为高吸收亚层，使用NiSiON材料作为低吸收亚层的太阳光谱选择性吸收涂层体系。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适于真空集热管使用的高温太阳能光谱选择性吸收涂层，该高温太阳能光谱选择性吸收涂层可以在400-600℃高温环境下工作，具有高的吸收率、低的发射率、热稳定性好；
本发明的另一目的是提供上述高温太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，该制备方法工艺简单，适合大规模生产。
本发明的高温太阳能光谱选择性吸收涂层，所述高温太阳能光谱选择性吸收涂层制备在吸热基底表面上，所述高温太阳能光谱选择性吸收涂层由三层膜结构组成，所述三层膜结构由底部到顶部依次为红外反射层、复合吸收层和减反射层；
所述红外反射层由金属薄膜组成，所述红外反射层的膜层厚度为100～250nm；
所述复合吸收层由NiSi合金靶在氩气环境中、在氮气气氛及氮气和氧气混合气氛中溅射而成，所述复合吸收层由高吸收亚层和低吸收亚层组成，所述高吸收亚层的吸收特效高于所述低吸收亚层，所述高吸收亚层为NiSiN膜层，NiSiN膜层厚度为30～150nm，所述低吸收亚层为NiSiON膜层，NiSiON膜层厚度为40～150nm；
所述减反射层为NiSiO膜层，所述NiSiO膜层厚度为30～150nm。
进一步的，所述吸热基底为不锈钢材料。
进一步的，所述红外反射层由Mo、Ta、Al或W金属膜中的一种构成。
进一步的，所述NiSi合金靶的Ni质量含量为70％-90％，Si质量含量为10％-30％。
本发明还提供了一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，包括以下步骤：
S1：将不锈钢基底在丙酮和乙醇中分别超声清洗30min，随后再将清洗后的不锈钢基底放入去离子水中超声清洗40min，对不锈钢基底进行烘干，将不锈钢基底放入磁控溅射腔体中处理；
S2：在不锈钢基底上制备红外反射层，采用Mo、Ta、Al或W为金属靶材，通过中频或直流反应磁控溅射的方法，以氩气为溅射气体制备红外反射层；
S3：在红外反射层上制备复合吸收层，采用NiSi合金靶，氩气为溅射气体，使用氮气作为反应气体，将直流电源电压调整到150-180V，利用中频或直流反应磁控溅射方式制备高吸收亚层NiSiN膜层；使用NiSi合金靶，氩气为溅射气体，使用氮气和氧气的混合气体作为反应气体，将直流电源的溅射电压调整到180-200V，使用直流反应磁控溅射方式制备低吸收NiSiON膜层；
S4：在复合吸收层上制备减反射层，采用NiSi合金靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，使用中频、直流或射频反应溅射方式制备NiSi氧气减反射层，溅射功率为150W。
进一步的，所述S2中所述红外反射层的厚度为100～250nm。
进一步的，所述S3中高吸收亚层NiSiN膜层厚度为30～150nm，低吸收亚层的膜层厚度为40～150nm。
进一步的，所述S4中减反射层的膜层厚度为30～150nm。
进一步的，所述NiSi合金靶材Ni质量含量为70％-90％，Si质量含量10％-30％。
进一步的，所述S3中氮气和氧气混合气体中，氮气和氧气的体积比为4:1。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：1、该发明的高温太阳能光谱选择性吸收涂层包括红外反射层、复合吸收层和减反射层三层膜结构，复合吸收层包括高吸收亚层NiSiN膜层和低吸收亚层NiSiON膜层双层结构，可以保证涂层在400-600℃高温环境下稳定工作，热稳定性好；2、NiSi合金靶为靶材，且Ni质量含量为70％-90％，Si质量含量10％-30％，复合吸收层包括高吸收亚层NiSiN膜层和低吸收亚层NiSiON膜层，可保证涂层在400～600℃高温工作下的同时具有高的吸收率和低的发射率；3、该发明的高温太阳能光谱选择性吸收涂层制备工艺简单，适合大规模生产。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的高温太阳能光谱选择性吸收涂层剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
参见图1，本发明一较佳实施例所述的一种高温太阳能光谱选择性吸收涂层制备在不锈钢吸热基底表面上，具有三层膜结构，从底面到顶面依次为红外反射层1、复合吸收层2和减反射层3，第一层红外反射层由Mo金属膜构成，膜层厚度为180nm；第二层复合吸收层包括两个亚层结构，高吸收亚层21由NiSiN膜构成，膜层厚度为80nm，低吸收亚层22由NiSiON膜构成，厚度为40nm；第三层为减反射层3，减反射层3为NiSiO膜，厚度为85nm。
该种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其具体步骤如下：
S1：将不锈钢基底在丙酮和乙醇中分别超声清洗30min，随后再将其放入去离子水中超声清洗40min，之后对不锈钢基底进行烘干，最后将不锈钢基底放入磁控溅射腔体中。
S2：在不锈钢基底上制备红外反射层，采用纯度为99.99％的Mo金属靶材，当腔体本底气压抽致1×10-4Pa以下时，将氩气通入腔体，调节腔体气压至0.5pa，开启直流电源对Mo靶进行2小时预溅射，此时使用的电压为50V，在预溅射结束后开始在不锈钢基底上沉积Mo层，调整直流电源电源为130V，沉积的膜层厚度为180nm。
S3：在红外反射层上制备复合吸收层，采用NiSi合金靶材，以氩气为溅射气体，使用氮气作为反应气体，利用直流反应磁控溅射方式制备高吸收亚层NiSiN膜层，将直流电源电压调整到165V，所得高吸收亚层NiSiN膜层厚度为80nm；使用NiSi合金靶，使用直流反应磁控溅射方式制备低吸收亚层NiSiON膜层，使用的直流电源的溅射电压为190V，以氩气为溅射气体，以氮气和氧气体积比为4:1的混合气体作为反应气体，制得的低吸收亚层NiSiON膜层厚度为85nm。
S4：在复合吸收层上制备减反射层，采用NiSi合金靶，其中NiSi合金靶材Ni质量含量为80％，Si质量含量20％。溅射气体为氩气，反应气体为氧气，使用射频反应溅射方式制备NiSiO减反射层，溅射功率为150W，厚度为30nm。
本实施案例制备的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94％，400℃下的发射率为13％；在2×10-2Pa真空度下，经600℃真空退火100小时后，涂层吸收率为93％，400℃下的发射率为12％。
实施例2：
实施例2所述的一种高温太阳能光谱选择性吸收涂层制备在不锈钢吸热基底表面上，具有三层膜结构，从底面到顶面依次为红外反射层1、复合吸收层2和减反射层3，第一层红外反射层由Mo金属膜构成，膜层厚度为100nm；第二层复合吸收层包括两个亚层结构，高吸收亚层21由NiSiN膜构成，膜层厚度为30nm，低吸收亚层22由NiSiON膜构成，厚度为40nm；第三层为减反射层3，减反射层3为NiSiO膜，厚度为30nm。
该种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其具体步骤如下：
S1：将不锈钢基底在丙酮和乙醇中分别超声清洗30min，随后再将其放入去离子水中超声清洗40min，之后对不锈钢基底进行烘干，最后将不锈钢基底放入磁控溅射腔体中。
S2：在不锈钢基底上制备红外反射层，采用纯度为99.99％的Mo金属靶材，当腔体本底气压抽致1×10-4Pa以下时，将氩气通入腔体，调节腔体气压至0.5pa，开启直流电源对Mo靶进行2小时预溅射，此时使用的电压为50V，在预溅射结束后开始在不锈钢基底上沉积Mo层，调整直流电源电源为100V，沉积的膜层厚度为100nm。
S3：在红外反射层上制备复合吸收层，采用NiSi合金靶材，以氩气为溅射气体，使用氮气作为反应气体，利用直流反应磁控溅射方式制备高吸收亚层NiSiN膜层，将直流电源电压调整到150V，所得高吸收亚层NiSiN膜层厚度为30nm；使用NiSi合金靶，使用直流反应磁控溅射方式制备低吸收亚层NiSiON膜层，使用的直流电源的溅射电压为180V，以氩气为溅射气体，以氮气和氧气体积比为4:1的混合气体作为反应气体，制得的低吸收亚层NiSiON膜层厚度为40nm。
S4：在复合吸收层上制备减反射层，采用NiSi合金靶，其中NiSi合金靶材Ni质量含量为80％，Si质量含量20％。溅射气体为氩气，反应气体为氧气，使用射频反应溅射方式制备NiSiO减反射层，溅射功率为150W，厚度为30nm。
实施例3：
实施例3所述的一种高温太阳能光谱选择性吸收涂层制备在不锈钢吸热基底表面上，具有三层膜结构，从底面到顶面依次为红外反射层1、复合吸收层2和减反射层3，第一层红外反射层由Mo金属膜构成，膜层厚度为250nm；第二层复合吸收层包括两个亚层结构，高吸收亚层21由NiSiN膜构成，膜层厚度为150nm，低吸收亚层22由NiSiON膜构成，厚度为150nm；第三层为减反射层3，减反射层3为NiSiO膜，厚度为150nm。
该种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其具体步骤如下：
S1：将不锈钢基底在丙酮和乙醇中分别超声清洗30min，随后再将其放入去离子水中超声清洗40min，之后对不锈钢基底进行烘干，最后将不锈钢基底放入磁控溅射腔体中。
S2：在不锈钢基底上制备红外反射层，采用纯度为99.99％的Ta金属靶材，当腔体本底气压抽致1×10-4Pa以下时，将氩气通入腔体，调节腔体气压至0.5pa，开启直流电源对Mo靶进行2小时预溅射，此时使用的电压为50V，在预溅射结束后开始在不锈钢基底上沉积Mo层，调整直流电源电源为150V，沉积的膜层厚度为250nm。
S3：在红外反射层上制备复合吸收层，采用NiSi合金靶材，以氩气为溅射气体，使用氮气作为反应气体，利用直流反应磁控溅射方式制备高吸收亚层NiSiN膜层，将直流电源电压调整到180V，所得高吸收亚层NiSiN膜层厚度为150nm；使用NiSi合金靶，使用直流反应磁控溅射方式制备低吸收亚层NiSiON膜层，使用的直流电源的溅射电压为200V，以氩气为溅射气体，以氮气和氧气体积比为4:1的混合气体作为反应气体，制得的低吸收亚层NiSiON膜层厚度为150nm。
S4：在复合吸收层上制备减反射层，采用NiSi合金靶，其中NiSi合金靶材Ni质量含量为90％，Si质量含量10％。溅射气体为氩气，反应气体为氧气，使用射频反应溅射方式制备NiSiO减反射层，溅射功率为150W，厚度为150nm。
实施例4：
可根据实际情况，将红外反射层的金属膜换为Mo、Ta、Al或W金属中的任一种。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温太阳能光谱选择性吸收涂层，包括吸热基底，其特征在于，所述吸热基底表面设有高温太阳能光谱选择性吸收涂层，所述高温太阳能光谱选择性吸收涂层由三层膜结构组成，所述三层膜结构由底部到顶部依次为红外反射层、复合吸收层和减反射层；
所述红外反射层由金属薄膜组成，所述红外反射层的膜层厚度为100～250nm；
所述复合吸收层由NiSi合金靶在氩气环境中、在氮气气氛及氮气和氧气混合气氛中溅射而成，所述复合吸收层由高吸收亚层和低吸收亚层组成，所述高吸收亚层的吸收特效高于所述低吸收亚层，所述高吸收亚层为NiSiN膜层，NiSiN膜层厚度为30～150nm，所述低吸收亚层为NiSiON膜层，NiSiON膜层厚度为40～150nm；
所述减反射层为NiSiO膜层，所述NiSiO膜层厚度为30～150nm。
2.根据权利要求1所述的高温太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸热基底为不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的高温太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述红外反射层由Mo、Ta、Al或W金属膜中的一种构成。
4.根据权利要求1所述的高温太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述NiSi合金靶的Ni质量含量为70％-90％，Si质量含量为10％-30％。
5.一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将不锈钢基底在丙酮和乙醇中分别超声清洗30min，将清洗后的不锈钢基底放入去离子水中超声清洗40min，对清洗后的不锈钢基底进行烘干，将烘干后的不锈钢基底放入磁控溅射腔体中处理；
S2：在不锈钢基底上制备红外反射层，采用Mo、Ta、Al或W为金属靶材，直流电源电压调整到100-150V，通过中频或直流反应磁控溅射的方法，以氩气为溅射气体制备红外反射层；
S3：在红外反射层上制备复合吸收层，采用NiSi合金靶，氩气为溅射气体，使用氮气作为反应气体，将直流电源电压调整到150-180V，利用中频或直流反应磁控溅射方式制备高吸收亚层NiSiN膜层；使用NiSi合金靶，氩气为溅射气体，使用氮气和氧气的混合气体作为反应气体，将直流电源的溅射电压调整到180-200V，使用直流反应磁控溅射方式制备低吸收NiSiON膜层；
S4：在复合吸收层上制备减反射层，采用NiSi合金靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，使用中频、直流或射频反应溅射方式制备NiSi氧气减反射层，溅射功率为150W。
6.根据权利要求5所述的一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，所述S2中所述红外反射层的厚度为100～250nm。
7.根据权利要求5所述的一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，所述S3中高吸收亚层NiSiN膜层厚度为30～150nm，低吸收亚层的膜层厚度为40～150nm。
8.根据权利要求5所述的一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，所述S4中减反射层的膜层厚度为30～150nm。
9.根据权利要求5所述的一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，所述NiSi合金靶材Ni质量含量为70％-90％，Si质量含量为10％-30％。
10.根据权利要求5所述的一种制备高温太阳能光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，所述S3中氮气和氧气混合气体中，氮气和氧气的体积比为4:1。
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