CN108611610A - 一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法。该薄膜由沉积在基底上的金属红外高反射层、吸收层和双介质减反射层依次组成，其中金属红外高反射层为纯金属Al、Cu或Cr中的一种；吸收层为金属和陶瓷复合材料构成的多亚层结构；双介质减反射层包括第一介质减反射层和第二介质减反射层，第一介质减反射层为CrAlO或Cr2O3，第二介质减反射层沉积在第一介质减反射层之上，为SiAlO、SiAlN、SiO2、Si3N4中的一种。其制备方法为：采用直流或中频反应溅射制备薄膜，针对不同的膜层材料通过控制气体流量和溅射功率控制其成分和含量。本发明的薄膜具有结构简单、光学性能优良、耐候性强等特点，尤其适用于平板型太阳能集热器。

Description

一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法，特别涉及到使用磁控反应溅射的方法制备适用于平板型集热器高性能太阳光谱选择性吸收薄膜，属于太阳能热利用材料技术领域。
背景技术
在太阳能光热中低温利用领域，平板型太阳能集热器结构简单、运行可靠、成本低廉，与真空管集热器相比它还具有承压能力强、吸热面积大、安全性好等特点，是太阳能与建筑结合最佳集热器类型之一。近年来，随着城市高层住宅的兴起和太阳能建筑一体化建设的推进，平板型集热器的优势更加凸显，相关产业也得到了提速发展。
作为平板型集热器的核心技术，太阳光谱选择性吸收薄膜也完成了一系列革新，经历了从非选择性的普通黑漆到选择性的硫化铅、金属氧化物涂料，从黑镍、黑铬到铝阳极化薄膜等一代接一代的更新换代过程，目前正在逐渐摆脱湿法化学镀膜，开始向物理溅射镀膜方式的转变。采用物理法制备太阳光谱选择性吸收薄膜一方面避免了对环境造成的污染，另一方面可以获取性能更佳的选择性吸收薄膜。
专利文献CN8510042涉及一种Al-N/Al选择性吸收薄膜，该薄膜可采用单个技术Al靶反应溅射制备，工艺简单、成本低，薄膜的吸收率可达0.93，发射率0.06(100℃)。在中低温太阳能真空集热管上得到了广泛应用。但该薄膜在大气环境下工作极易被蒸气破坏，而且热稳定性较差，不适用平板型集热器。
专利文献CN102615879A涉及一种NiCr系选择性吸收薄膜，采用直流磁控溅射生产成本低，工艺简单，薄膜有较好耐候性能，但是光学性能不太理想。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，其目的在于提出一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜，该薄膜具有结构简单、光学性能优良、耐候性强等特点，尤其适用于平板型太阳能集热器。
本发明的另一目的在于提供一种所述双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜的制备方法，该方法易于实现且调控简单。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜，该薄膜由沉积在基底上的金属红外高反射层、吸收层和双介质减反射层依次组成，其中金属红外高反射层为纯金属Al、Cu或Cr中的一种；吸收层为金属陶瓷复合材料构成的多亚层结构；双介质减反射层包括第一介质减反射层和第二介质减反射层，第一介质减反射层为CrAlO或Cr2O3，第二介质减反射层沉积在第一介质减反射层之上，为SiAlO、SiAlN、SiO2、Si3N4中的一种。
优选地，所述吸收层具有金属的体积分数由高到低逐层渐变的多亚层结构，金属的体积分数为0.1-0.8。
优选地，所述吸收层是采用直流磁控溅射的方法将金属粒子掺杂在陶瓷基体中形成的，金属为纯铬，陶瓷材料为CrAlO、SiAlO、SiAlN、Cr2O3、SiO2、和Si3N4中的一种或多种。
在本发明的薄膜中，具有多亚层震荡吸收结构的吸收层对太阳光谱具有较强的吸收能力，与减反射层共同组成一个折射率逐渐变化的膜系结构，产生的干涉吸收进一步增加了薄膜的吸收率。而减反射层中的第一介质减反射层和第二介质减反射层光学常数匹配合适，降低了可见光和近红外的反射损失，同时，双介质层对薄膜有更好的保护作用，提高了薄膜的耐候性能。
在本发明的薄膜中，金属红外高反射层的厚度为40-300nm。吸收层的厚度为20-150nm，单层厚度为5-50nm。第一介质减反射层的厚度为20-200nm，第二介质减反射层的厚度为20-200nm。
本发明中的基底材料为表面抛光的Cu、Al或玻璃。
一种所述双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)基底材料超声清洗烘干后置入真空室后，对其表面进行氩离子轰击20～30min；
(2)采用直流磁控溅射的方法沉积金属红外高反射层，该层所采用的靶材为Al、Cu或Cr纯金属靶，工作气体为高纯Ar；
(3)采用直流磁控溅射的方法沉积吸收层，通过控制膜层中铬的含量，获得金属体积分数不同的多亚层结构；
(4)采用直流磁控溅射的方法沉积第一介质层减反射层所采用的靶材为纯Cr、Al靶，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯O2，采用直流或中频反应溅射的方法沉积第二介质减反射层，所采用的靶材为Si、Al靶，反应气体和工作气体为高纯Ar、O2或N2。
在该制备方法中，针对不同的膜层材料通过调整溅射功率、氮气、氧气、氩气的流量以及沉积时间来控制各膜层的厚度和成分。
本发明的优点在于：
本发明的薄膜在太阳光谱范围(0.3～2.5微米)具有较高的吸收率α，在红外区域(2.5～50微米)有很低的发射率ε，同时具有优良的耐候性能，适用于大气环境。该薄膜制备工艺简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明的薄膜的结构模型。
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。以下实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明。
如图1所示，本发明的太阳光谱选择性吸收薄膜自基底从下而上分为5层，依次为基底1、金属红外高反射层2、吸收层3、第一介质减反射层4和第二介质减反射层5。
实施例1
以Al-Cr/Cr2O3-Cr2O3-SiAlN膜系为例，靶材采用纯Al靶、纯Cr靶和Si靶。首先抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，在镀膜机中通入氩气，采用Al靶在氩气气氛中溅射镀制Al薄膜，作为金属红外高反射层2，厚度为100nm；采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，形成Cr-Cr2O3构成第一吸收亚层，该层中金属的体积分数为0.6，厚度为20nm；改变氧气分压，继续溅射形成Cr-Cr2O3构成第二吸收亚层，该层中金属的体积分数为0.4，厚度为35nm；改变氧气分压，继续溅射形成Cr-Cr2O3构成第三吸收亚层，该层中金属的体积分数为0.2，厚度为40nm；采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，形成Cr2O3介质层构成第一减反射层4，该层的厚度为50nm；采用Si靶和Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，形成SiAlN介质层构成第二减反射层5，该层的厚度为60nm。
所制备的薄膜吸收率可达0.96，发射率ε≤0.05(80℃)。
实施例2
以Cr-Cr/CrAlO-Cr2O3-SiO2膜系为例，靶材采用纯Cr靶、Al靶和Si靶。首先抽真空至2×10-3～5×10-3pa，在镀膜机中通入氩气，采用Cr靶在氩气气氛中溅射镀制Cr薄膜，作为金属红外高反射层2，厚度为100nm；采用Cr靶和Al靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，形成Cr-CrAlO构成第一吸收亚层，该层中金属的体积分数为0.7，厚度为15nm；改变氧气分压，继续溅射形成Cr-CrAlO构成第二吸收亚层，该层中金属的体积分数为0.4，厚度为30nm；改变氧气分压，继续溅射形成Cr-CrAlO构成第三吸收亚层，该层中金属的体积分数为0.15，厚度为40nm；采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，形成Cr2O3介质层构成第一减反射层4，该层的厚度为40nm；采用Si靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，形成SiO2介质层构成第二减反射层5，该层的厚度为60nm。
所制备的薄膜吸收率可达0.95，发射率ε≤0.04(80℃)。

Claims (8)

1.一种双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，该薄膜由沉积在基底上的金属红外高反射层、吸收层和双介质减反射层依次组成，其中金属红外高反射层为纯金属Al、Cu或Cr中的一种；吸收层为金属陶瓷复合材料构成的多亚层结构；双介质减反射层包括第一介质减反射层和第二介质减反射层，第一介质减反射层为CrAlO或Cr2O3，第二介质减反射层沉积在第一介质减反射层之上，为SiAlO、SiAlN、SiO2、Si3N4中的一种。
2.根据权利要求1或2所述的双介质层太阳光谱选择性吸收膜，其特征在于，所述吸收层具有金属的体积分数由高到低逐层渐变的多亚层结构，金属的体积分数为0.1-0.8。
3.根据权利要求1所述的双介质层太阳光谱选择性吸收膜，其特征在于，所述吸收层中的金属为纯铬，陶瓷材料为CrAlO、SiAlO、SiAlN、Cr2O3、SiO2、和Si3N4中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的双介质层太阳光谱选择性吸收膜，其特征在于，所述金属红外高反射层的厚度为40-300nm。
5.根据权利要求1所述的双介质层太阳光谱选择性吸收膜，其特征在于，所述吸收层的厚度为20-150nm，单层厚度为5-50nm。
6.根据权利要求1所述的双介质层太阳光谱选择性吸收膜，其特征在于，所述第一介质减反射层的厚度为20-200nm，所述第二介质减反射层的厚度为20-200nm。
7.根据权利要求1所述的双介质层太阳光谱选择性吸收膜，其特征在于，本发明中的基底材料为表面抛光的Cu、Al或玻璃。
8.一种权利要求1-7中任一项所述的双介质层太阳光谱选择性吸收薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基底材料超声清洗烘干后置入真空室后，对其表面进行氩离子轰击20～30min；
(2)采用直流磁控溅射的方法沉积金属红外高反射层；
(3)采用直流磁控溅射的方法沉积吸收层，通过膜层中铬含量的控制，获得金属体积分数不同的多亚层结构；
(4)采用直流磁控溅射的方法沉积第一介质层减反射层，采用直流或中频反应溅射的方法沉积第二介质减反射层。
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