CN106884145A - 一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳光谱选择性吸收涂层,吸热体基材为抛光的不锈钢片；第一层是红外反射层；第二层是吸收层；第三层是减反射层。该涂层的制备步骤如下：一：制备第一层红外反射层；二：第二层的第一亚层类金属层的制备和第二层的第二亚层类介质层的制备；三：制备第三层SiO2减反射层，至此本涂层制备完成。本发明所提供的选择性吸收涂层具有可见‑近红外波段高吸收率，红外波段低发射率的特点，具有良好的高温热稳定性和冷热循环稳定性。该涂层的制备工艺简单，操作方便，易于控制，显著降低生产成本。适用于高温太阳能集热管。

Description

一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域：
本发明提供一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，它具体涉及一种高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备技术，属于太阳能光热转换技术领域。
背景技术：
太阳光谱选择性吸收涂层具有在太阳光谱(0.3-2.5μm)高吸收，在中远红外波段(＞2.5μm)低发射的选择吸收特性，是将太阳光能量转换为热能的功能薄膜。
随着需求和技术的不断发展，太阳能热利用逐渐从低温应用(≤100℃)的太阳能热水器等，向中高温应用(350℃-600℃)的太阳能热发电方向发展。目前使用的中高温太阳光谱选择性吸收涂层，其吸收层是一种难熔金属粒子团簇弥散于陶瓷介质层构成的金属陶瓷层，如Mo-SiO2,W-Al2O3。
但是金属粒子团簇在高温下容易发生氧化、扩散等，从而造成涂层的光学性能下降，甚至失效。基于过渡金属的氮化物、氮氧化物具有极好的高温热稳定性和耐氧化性，为了提高选择性吸收涂层的高温热稳定性，我们采用过渡金属的氮化物和氮氧化物构成的吸收层替代金属陶瓷吸收层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，适用于高温(400℃-600℃)太阳能光热转换系统，该涂层的吸收率高，发射率低，热稳定性好，制备工艺简单，操作方便，生产周期短。
为达到上述目的，本发明的一种太阳光谱选择性吸收涂层，特别适用于高温太阳能光热转换系统，该涂层在吸热体基材表面由底部到顶部形成三层膜结构，每层膜的成分组成及厚度如下：
吸热体基材为抛光的不锈钢片(SS)；
第一层是红外反射层，由50-250nm厚的金属钼(Mo)膜构成，红外反射层对红外波段光谱具有高反射特征，发射率低；
第二层是吸收层，分别为高折射率的第一亚层类金属层和低折射率的第二亚层类介质层，第一亚层类金属层的成分是Zrx1Siy1Nz1(锆(Zr)、硅(Si)、氮(N)，x1、y1、z1分别表示Zr、Si、N元素的原子百分比)，厚度为34-57nm，其中各元素的原子百分比为：x1＝22.24％-29.43％，y1＝40.05％-44.29％，z1＝30.51％-33.46％，x1+y1+z1＝1；第二亚层类介质层的成分是Zrx2Siy2Oz2Nw(氧(O)，x2、y2、z2、w分别表示Zr、Si、O、N元素的原子百分比)，厚度为44-82nm，其中各元素的原子百分比为：x2＝5.77％-16.07％，y2＝13.16％-33.93％，z2＝27.99％-34.73％，w＝22.01％-51.64％，x2+y2+z2+w＝1；
第三层是减反射层，由厚度为61-159nm的SiO2膜构成，采用Si靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，采用射频反应溅射制备。
本发明一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层，采用Mo靶，以氩气作为溅射气体，采用直流溅射制备，控制溅射时间在吸热体基材上沉积50-250nm的金属Mo红外反射层；
步骤二：第二层的第一亚层类金属层的制备，采用Si靶贴Zr片，以氩气为溅射气体，氮气为反应气体，采用直流反应溅射制备，调节氮气流量和控制溅射时间来控制该层的成分和厚度；第二层的第二亚层类介质层的制备，采用Si靶贴Zr片，以氩气为溅射气体，氮气和氧气为反应气体，采用直流反应溅射制备，调节氮气、氧气流量和控制溅射时间来控制该层的成分和厚度；
步骤三：制备第三层SiO2减反射层，采用Si靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，采用射频反应溅射制备，控制溅射时间来控制该层的厚度；至此，本涂层制备完成。
其中，在步骤一中所述的“吸热体基材”，是指抛光的不锈钢片；
其中，在步骤一中所述的“采用直流溅射制备，控制溅射时间在吸热体基材上沉积50-250nm的金属Mo红外反射层”，其具体作法如下：在直流靶位上放Mo靶，通氩气作为溅射气体，控制溅射时间使Mo层的厚度范围是50-250nm；
其中，在步骤二中所述的“采用直流反应溅射制备，调节氮气流量和控制溅射时间来控制该层的成分和厚度”，是指在直流靶位上放Si靶贴Zr片，通氩气作为溅射气体，通氮气作为反应气体，通过调节氮气流量来控制第一亚层的成分，通过控制溅射时间来控制第一亚层的厚度；
其中，在步骤二中所述的“采用直流反应溅射制备，调节氮气、氧气流量和控制溅射时间来控制该层的成分和厚度”，其具体作法如下：是指在直流靶位上放Si靶贴Zr片，通氩气作为溅射气体，通氮气和氧气作为反应气体，通过调节氮气和氧气流量来控制第二亚层的成分，通过控制溅射时间来控制第二亚层的厚度；
其中，在步骤三中所述的“制备第三层SiO2减反射层，采用Si靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，采用射频反应溅射制备，控制溅射时间来控制该层的厚度。”，其具体作法如下：在射频靶位上放Si靶，通氩气为溅射气体，通氧气为反应气体，反应溅射制备SiO2减反射层，通过控制溅射时间来控制该层的厚度；
通过以上步骤，在不锈钢基底上制备了Mo/ZrSiN/ZrSiON/SiO2太阳光谱选择性吸收涂层。
本发明一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，其优点是：
本发明所提供的选择性吸收涂层由Mo红外反射层，ZrSiN类金属层和ZrSiON类介质层组成的双干涉吸收层和SiO2减反射层组成，具有可见-近红外波段高吸收率，红外波段低发射率的特点，并且由于采用高熔点的金属Mo，过渡金属Zr的氮氧化物和SiO2材料，具有良好的高温热稳定性。另外本吸收涂层具有冷热循环稳定性。该涂层的制备工艺简单，操作方便，易于控制，显著降低生产成本。适用于高温太阳能集热管。
附图说明
图1本发明一种太阳光谱选择性吸收涂层的剖面示意图。
图2本发明一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法流程图。
具体实施方式
以下以SS/Mo/ZrSiN/ZrSiON/SiO2的制备为例说明，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。
见图1所示，本发明一种太阳光谱选择性吸收涂层，它采用磁控溅射技术制备，吸热体基材表面由底部到顶部成三层膜结构，其各层成分组成和厚度如下：基材为抛光后的不锈钢基底，第一层为180nm的Mo层红外反射层。第二层为吸收层，包括类金属层和类介质层两个亚层(第一亚层和第二亚层)，类金属层为ZrSiN,其厚度为57nm，Zr、Si、N的原子百分比分别为29.43％、40.05％、30.51％，类介质层为ZrSiON，厚度为64nm，Zr、Si、N、O的原子百分比分别为11.93％、27.56％、34.73％、25.78％。第三层为SiO2减反射层，厚度为110nm。
本发明一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，结合图2所示选择性吸收涂层剖面制备方法流程图，该涂层的制备工艺流程如下：(1)将30mm×30mm×1.5mm大小的不锈钢片分别在乙醇和去离子水中超声清洗，(2)溅射前将真空室预抽至本底真空1.6×10-3Pa，调节靶基距为40mm，(3)直流放Mo靶，通入50sccm的氩气，调节溅射气压为0.5Pa，靶功率密度为5.73W/cm2，预溅20min后，沉积1min1s的金属Mo层，厚度为180nm；(4)直流放Si靶贴Zr片，调节氩气、氮气流量分别是50sccm、2sccm，气压为0.5Pa，靶功率密度为3.56W/cm2，溅射1min制备类金属层ZrSiN，厚度为57nm，之后调节氩气、氮气、氧气流量分别是50sccm、6sccm、1sccm，气压为0.5Pa，靶功率密度为4.03W/cm2，溅射35s制备类介质层ZrSiON，厚度为64nm，(6)射频放Si靶，调节氩气、氧气流量分别是50sccm、8sccm，气压为0.5Pa，靶功率密度为3.54W/cm2，溅射9min制备减反层SiO2，厚度为110nm，至此，本涂层制备完成。
本案例实施制备的太阳光谱选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层的太阳光谱吸收率为0.95，发射率(25℃)为0.07，进行真空长时间退火处理，在5×10-2Pa真空度下，经500℃真空退火800h，涂层的吸收率为0.95，发射率(25℃)为0.07。

Claims (8)

1.一种太阳光谱选择性吸收涂层，特别适用于高温太阳能光热转换系统，其特征在于：该涂层在吸热体基材表面由底部到顶部形成三层膜结构，每层膜的成分组成及厚度如下：
吸热体基材为抛光的不锈钢片即SS；
第一层是红外反射层，由金属钼即Mo膜构成，红外反射层对红外波段光谱具有高反射特征，发射率低；
第二层是吸收层，分别为高折射率的第一亚层类金属层和低折射率的第二亚层类介质层，第一亚层类金属层的成分是Zrx1Siy1Nz1；第二亚层类介质层的成分是Zrx2Siy2Oz2Nw；
第三层是减反射层，采用Si靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，采用射频反应溅射制备。
2.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该第一层即红外反射层金属钼的厚度为50-250nm。
3.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该第二层吸收层的第一亚层类金属层Zrx1Siy1Nz1，其厚度为34-57nm。
4.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该第二层吸收层的第一亚层类金属层Zrx1Siy1Nz1，其中各元素的原子百分比为：x1＝22.24％-29.43％，y1＝40.05％-44.29％，z1＝30.51％-33.46％，x1+y1+z1＝1。
5.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该第二层吸收层的第二亚层类介质层Zrx2Siy2Oz2Nw，其厚度为44-82nm。
6.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该第二层吸收层的第二亚层类介质层Zrx2Siy2Oz2Nw，其中各元素的原子百分比为：x2＝5.77％-16.07％，y2＝13.16％-33.93％，z2＝27.99％-34.73％，w＝22.01％-51.64％,x2+y2+z2+w＝1。
7.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该第三层减反射层，是由厚度为61-159nm的SiO2膜构成。
8.根据权利要求1所述的一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：其制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层，采用Mo靶，以氩气作为溅射气体，采用直流溅射制备，控制溅射时间在吸热体基材上沉积50-250nm的金属Mo红外反射层；
步骤二：第二层的第一亚层类金属层的制备，采用Si靶贴Zr片，以氩气为溅射气体，氮气为反应气体，采用直流反应溅射制备，调节氮气流量和控制溅射时间来控制该层的成分和厚度；第二层的第二亚层类介质层的制备，采用Si靶贴Zr片，以氩气为溅射气体，氮气和氧气为反应气体，采用直流反应溅射制备，调节氮气、氧气流量和控制溅射时间来控制该层的成分和厚度；
步骤三：制备第三层SiO2减反射层，采用Si靶，以氩气为溅射气体，氧气为反应气体，采用射频反应溅射制备，控制溅射时间来控制该层的厚度；至此，本涂层制备完成。
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