CN107560200A - 一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材表面从内到外依次设置的红外高反射层、第一吸收层、第二吸收层和减反射层，第一吸收层和第二吸收层均包含吸收组分和低熔点稳定组分，第一吸收层中的吸收组分的质量百分比为10％‑100％，第二吸收层中的吸收组分的质量百分比小于等于第一吸收层中的吸收组分的质量百分比。相对于现有技术，本发明通过在第一和第二吸收层中引入低熔点稳定的组分，可以提高薄膜沉积的相对衬底温度，增强薄膜的致密性，降低氧气进入薄膜的几率，提高薄膜的抗氧化能力，其本身在中高温大气条件下不发生氧化、分解和晶型转变，极大的提高薄膜在中高温大气条件下的稳定性。

Description

一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层。
背景技术
太阳能中高温集热器广泛用于槽式太阳能热发电、太阳能蒸汽锅炉、太阳能干燥、太阳能空调，其金属内管(吸收管)表面镀有选择性吸收涂层，达到高吸收，低发射的目的。
现有中高温集热管一般选用金属陶瓷结构作为涂层的吸收层，主要采用W、Mo等做金属组分，采用Al2O3做陶瓷成分；W、Mo、Al2O3等材料熔点极高，即使在较高的衬底温度下制备出来的膜层致密性仍较差，从而形成很多氧气进入的通道，造成膜层中的W、Mo元素在大气条件下被氧化。此外，现有技术中，Al2O3采用射频溅射方法制备，该方法存在如下缺点：沉积速率慢、增加设备成本、存在泄漏的隐患等。
由桑顿图(J.A.Thornton；The microstructure of sputter-depositedcoatings[J].Journal of Vacuum Science&Technology A 1986,4(6),3059-3065)可知，薄膜的致密性和薄膜沉积的相对衬底温度(相对衬底温度＝衬底温度/薄膜物质的熔点)有关，相对衬底温度越高，薄膜的致密性相对越高。所以提高沉积时的衬底温度是十分必要的，但衬底温度不可能无限提高，衬底温度越高，设备的制造成本越高。
有鉴于此，本发明旨在提供一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其通过引入低熔点稳定的组分，可以提高薄膜沉积的相对衬底温度，增强薄膜的致密性，降低氧气进入薄膜的几率，提高薄膜的抗氧化能力，其本身在中高温大气条件下不发生氧化、分解和晶型转变，极大的提高了薄膜在中高温大气条件下的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其通过引入低熔点稳定的组分，可以提高薄膜沉积的相对衬底温度，增强薄膜的致密性，降低氧气进入薄膜的几率，提高薄膜的抗氧化能力，其本身在中高温大气条件下不发生氧化、分解和晶型转变，极大的提高了薄膜在中高温大气条件下的稳定性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材表面从内到外依次设置的红外高反射层、第一吸收层、第二吸收层和减反射层，所述第一吸收层和所述第二吸收层均包含吸收组分和熔点为750℃～1800℃的低熔点稳定组分，所述第一吸收层中的所述吸收组分的质量百分比为10％-100％，所述第二吸收层中的所述吸收组分的质量百分比小于或等于所述第一吸收层中的所述吸收组分的质量百分比。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述低熔点稳定组分为氧化锡、氧化锡锑和氧化铌中的至少一种。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述低熔点稳定组分在100℃-300℃的中高温大气条件下使用不发生氧化、分解、晶型转变。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述吸收组分为金属(如银)、合金(如钛铝)、金属氮化物(如氮化铬)、金属碳化物(如碳化钨)、金属硅化物(如铌硅)、金属硼化物(硼化锆)和金属氧化物(氧化钨)、、氮氧化物(氮氧化钛)的至少一种。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述第一吸收层和所述第二吸收层通过中频磁控溅射、直流磁控溅射、中频直流复合磁控溅射或反应溅射制备得到。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述红外高反射层的厚度为50～200nm，所述第一吸收层的厚度为50～110nm，所述第二吸收层的厚度为30～90nm，所述减反射层的厚度为50nm～120nm。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述红外高反射层由铜、铝、铬、铌、钨、钼金属、镍铜合金中的一种组成。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，所述减反射层由钛的氧化物(氧化钛)、锆的氧化物(氧化锆)、铬的氧化物(氧化铬)、铌的氧化物(氧化铌)、铝的氮化物(氮化铝)、硅的氮化物(氮化硅)、硅的氧化物(氧化硅)、氧化硅铝中的至少一种组成。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，中频磁控溅射、直流磁控溅射、中频直流复合磁控溅射的工作条件为：基材温度为300℃-500℃，工作电压为100V-120V，气体中的氧含量为15％-100％，沉积速率为15nm/min-30nm/min，沉积时间为30min-90min，真空室内的真空度为10-3-10-4Pa，气体流量为20Sccm-150Sccm，整个沉积过程中气压控制在0.2Pa-1.5Pa，外加电磁线圈电流0-6A。
作为本发明在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层的一种改进，反应溅射的工作条件为：工作压强0.2Pa-0.5Pa，反应气体氮气，氮气量20Sccm-200Sccm，功率为100W～250W，温度为500℃～600℃；时间为20min～60min。
相对于现有技术，本发明中的第一吸收层和第二吸收层均包含吸收组分和熔点为750℃～1800℃的低熔点稳定组分，通过在第一吸收层和第二吸收层中引入了低熔点稳定的组分，可以提高薄膜沉积的相对衬底温度，增强薄膜的致密性，降低氧气进入薄膜的几率，提高薄膜的抗氧化能力，其本身在中高温大气条件下不发生氧化、分解和晶型转变，极大的提高薄膜在中高温大气条件下的稳定性；红外高反射层、双层吸收层、减反射层的结构可以获得较高的吸收率和较低的发射率。该涂层吸收率高、发射率低，抗氧化性强，可以长时间在非真空中高温使用。制备过程中，采用直流或中频溅射代替射频溅射极易实现大规模的工业生产，具有节能、成膜速度快、设备简单、沉积速率高、制备成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但是，本发明的具体实施方式并不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为铜，红外高反射层2的制备工艺为直流磁控溅射铜靶。
第一吸收层3和第二吸收层4的材料均为银-氧化锡，其中，第一吸收层3中，银的质量百分比为40％，第二吸收层4中，银的质量百分比为10％。第一吸收层3和第二吸收层4均采用银靶和氧化锡靶中频直流复合磁控溅射法制备，其工作条件为：基材温度为400℃，工作电压为110V，气体中的氧含量为18％，沉积速率为20nm/min，沉积时间为60min，真空室内的真空度为10-4Pa，气体流量为100Sccm，整个沉积过程中气压控制在1.0Pa，外加电磁线圈电流3A。
减反射层5的材料为氧化钛，采用钛靶在氧气条件下直流或中频反应溅射制备。
制备的膜层厚度为：红外高反射层铜的厚度为50nm，第一吸收层的银-氧化锡的厚度为50nm，第二吸收层的银-氧化锡(二)的厚度为30nm，减反射层的氧化钛的厚度为50nm。
本实施例的选择性吸收涂层的吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例2
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为铝，采用直流或中频溅射铝靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4的材料均为钛铝-氧化锡，其中，第一吸收层3中，钛铝的质量百分比为50％，第二吸收层4中，钛铝的质量百分比为20％，第一吸收层3和第二吸收层4均采用钛铝合金靶和氧化锡靶直流磁控溅射制备。其工作条件为：基材温度为350℃，工作电压为115V，气体中的氧含量为16％，沉积速率为25nm/min，沉积时间为450min，真空室内的真空度为10-3Pa，气体流量为120Sccm，整个沉积过程中气压控制在1.1Pa，外加电磁线圈电流2A。
减反射层5为氧化锆，采用锆靶在氧气条件下中频反应溅射制备。
本实施例的膜层厚度为：红外高反射层2的铝的厚度为200nm，第一吸收层4的钛铝-氧化锡的厚度为110nm，第二吸收层5的钛铝-氧化锡的厚度为90nm，减反射层的氧化锆的厚度为50nm。
该选择性吸收涂层的吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例3
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为铬，采用中频溅射铬靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4的材料为氮化铬-氧化锡，其中，第一吸收层3的氮化铬的质量百分比为60％，第二吸收层4的氮化铬的质量百分比为30％，第一吸收层3和第二吸收层4均采用铬靶和氧化锡靶在氮气条件下直流反应溅射制备，工作条件为：工作压强0.3Pa，反应气体氮气，氮气量150Sccm，功率为150W，温度为550℃；时间为30min。
减反射层5为氧化铬，采用铬靶在氧气条件下直流或中频反应溅射制备。
本实施例中各膜层的厚度为：红外高反射层2的铬的厚度为100nm，第一吸收层3的氮化铬-氧化锡的厚度为90nm，第二吸收层4的氮化铬-氧化锡的厚度为70nm，减反射层5的氧化铬的厚度为60nm。
本实施例的选择性吸收涂层的吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例4
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为铌，采用直流或中频溅射铬靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4为碳化钨-氧化锡锑，其中，第一吸收层3中碳化钨的质量百分比为100％，第二吸收层4中碳化钨的质量百分比为90％，即第一吸收层3为纯碳化钨，采用碳化钨靶中频溅射制备，工作条件为：基材温度为450℃，工作电压为115V，气体中的氧含量为19％，沉积速率为22nm/min，沉积时间为65min，真空室内的真空度为10-4Pa，气体流量为80Sccm，整个沉积过程中气压控制在0.3Pa，外加电磁线圈电流4A。第二吸收层4为采用碳化钨靶和氧化锡锑靶中频直流复合磁控溅射制备，工作条件为：基材温度为320℃，工作电压为105V，气体中的氧含量为17％，沉积速率为28nm/min，沉积时间为35min，真空室内的真空度为10-4Pa，气体流量为50Sccm，整个沉积过程中气压控制在1.1Pa，外加电磁线圈电流4A。
减反射层5为氧化铌，采用铌靶在氧气条件下直流或中频反应溅射制备。
本实施例的膜层厚度为：红外高反射层2铌的厚度为80nm，第一吸收层3的碳化钨-氧化锡锑的厚度为70nm，第二吸收层4的碳化钨-氧化锡锑的厚度为60nm，减反射层5的氧化铌厚度为70nm。
本实施例的选择性吸收涂层吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例5
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为钨，直流或中频溅射钨靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4为铌硅-氧化锡锑，其中，第一吸收层3中的铌硅的质量百分比为80％，第二吸收层4中的铌硅的质量百分比为40％，第一吸收层3和第二吸收层4均采用铌硅靶和氧化锡锑靶中频直流复合磁控溅射制备，工作条件为：基材温度为420℃，工作电压为105V，气体中的氧含量为16％，沉积速率为20nm/min，沉积时间为40min，真空室内的真空度为10-4Pa，气体流量为100Sccm，整个沉积过程中气压控制在0.8Pa，外加电磁线圈电流2A。
减反射层5为氮化硅，采用硅靶在氮气条件下直流或中频反应溅射制备。
本实施例中各膜层的厚度为：红外高反射层2钨的厚度为150nm，第一吸收层3的铌硅-氧化锡锑的厚度为80nm，第二吸收层4的铌硅-氧化锡锑的厚度为50nm，减反射层5的氮化硅的厚度为80nm。
本实施例制备的选择性吸收涂层吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例6
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为钼，采用直流或中频溅射钼靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4的材料均为硼化锆-氧化铌，其中，第一吸收层3中硼化锆的质量百分比为100％，第二吸收层4中硼化锆的质量百分比为0％，即第一吸收层3为纯硼化锆，采用硼化锆靶材直流磁控溅射制备，第二吸收层4为纯氧化铌，采用氧化铌靶直流磁控溅射制备；直流磁控溅射的工作条件为：基材温度为420℃，工作电压为115V，气体中的氧含量为15％，沉积速率为25nm/min，沉积时间为70min，真空室内的真空度为0.5×10- 3Pa，气体流量为60Sccm，整个沉积过程中气压控制在0.9Pa，外加电磁线圈电流1.5A。
减反射层5为氧化硅，采用硅靶在氧气条件下直流反应溅射制备。
本实施例中各膜层的厚度为：红外高反射层钼2的厚度为100nm，第一吸收层3的厚度为60nm，第二吸收层4的厚度为30nm，减反射层5的厚度为120nm。
本实施例的选择性吸收涂层吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例7
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为镍铜，采用直流或中频溅射镍铜靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4的材料均为氧化钨-氧化铌，其中，第一吸收层3中氧化钨的质量百分比为80％，第二吸收层4中氧化钨的质量百分比为40％，第一吸收层3和第二吸收层4均采用钨和铌靶在氧气条件下中频直流复合磁控溅射制备，工作条件为：基材温度为460℃，工作电压为116V，沉积速率为27nm/min，沉积时间为35min，真空室内的真空度为0.7×10-3Pa，气体流量为105Sccm，整个沉积过程中气压控制在0.9Pa，外加电磁线圈电流2.5A。
减反射层5为氮化铝，采用铝靶在氮气条件下直流或中频反应溅射制备。
本实施例的各膜层厚度为：红外高反射层2的厚度为70nm，第一吸收层3的厚度为80nm，第二吸收层4的厚度为50nm，减反射层5厚度为65nm。
本实施例的选择性吸收涂层吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
实施例8
如图1所示，本实施例提供的一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，包括在基材1表面从内到外依次设置的红外高反射层2、第一吸收层3、第二吸收层4和减反射层5。
其中，红外高反射层2的材料为钼，采用直流或中频溅射钼靶制备。
第一吸收层3和第二吸收层4的材料均为氮氧化钛-氧化铌，其中，第一吸收层3中氮氧化钛的质量百分比为50％，第二吸收层4中氮氧化钛的质量百分比为50％，即第一吸收层3和第二吸收层4为一层，简称为吸收层，采用钛和氧化铌靶在氮气、氧气条件下中频直流复合磁控溅射制备，工作条件为：基材温度为480℃，工作电压为118V，气体中的氧含量为25％，沉积速率为18nm/min，沉积时间为80min，真空室内的真空度为0.9×10-3Pa，气体流量为130Sccm，整个沉积过程中气压控制在1.1Pa，外加电磁线圈电流3.5A。
减反射层5为氧化硅铝，采用硅铝靶在氧气条件下直流或中频反应溅射制备。
本实施例的各膜层的厚度为：红外高反射层2的厚度为70nm，吸收层的厚度为140nm，减反射层5的厚度为95nm。
本实施例的选择性吸收涂层吸收率大于或等于94％，500℃发射率小于或等于15％，大气状态下500℃保温100小时，吸收率、发射率几乎不变。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：包括在基材表面从内到外依次设置的红外高反射层、第一吸收层、第二吸收层和减反射层，其特征在于：所述第一吸收层和所述第二吸收层均包含吸收组分和熔点为750℃～1800℃的低熔点稳定组分，所述第一吸收层中的所述吸收组分的质量百分比为10％-100％，所述第二吸收层中的所述吸收组分的质量百分比小于或等于所述第一吸收层中的所述吸收组分的质量百分比。
2.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述低熔点稳定组分为氧化锡、氧化锡锑和氧化铌中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述低熔点稳定组分在100℃-300℃的中高温大气条件下使用不发生氧化、分解、晶型转变。
4.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收组分为金属、合金、金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物、金属硼化物、金属氧化物、氮氧化物的至少一种。
5.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述第一吸收层和所述第二吸收层通过中频磁控溅射、直流磁控溅射、中频直流复合磁控溅射或反应溅射制备得到。
6.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述红外高反射层的厚度为50～200nm，所述第一吸收层的厚度为50～110nm，所述第二吸收层的厚度为30～90nm，所述减反射层的厚度为50nm～120nm。
7.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述红外高反射层由铜、铝、铬、铌、钨、钼金属、镍铜合金中的一种组成。
8.根据权利要求1所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述减反射层由钛的氧化物、锆的氧化物、铬的氧化物、铌的氧化物、铝的氮化物、硅的氮化物、硅的氧化物、氧化硅铝中的至少一种组成。
9.根据权利要求5所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：中频磁控溅射、直流磁控溅射、中频直流复合磁控溅射的工作条件为：基材温度为300℃-500℃，工作电压为100V-120V，气体中的氧含量为15％-100％，沉积速率为15nm/min-30nm/min，沉积时间为30min-90min，真空室内的真空度为10-3-10-4Pa，气体流量为20Sccm-150Sccm，整个沉积过程中气压控制在0.2Pa-1.5Pa，外加电磁线圈电流0-6A。
10.根据权利要求5所述的在中高温大气环境下稳定的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：反应溅射的工作条件为：工作压强0.2Pa-0.5Pa，反应气体氮气，氮气量20Sccm-200Sccm，功率为100W～250W，温度为500℃～600℃；时间为20min～60min。
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