CN108613423A - 一种高温太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种高温太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法 Download PDF

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于庆河
杜淼
杨海龄
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Abstract

本发明公开了一种高温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、扩散阻挡层、吸收层和减反射层依次组成，其中金属红外高反射层为金属Ti、Cr、Al或Cu中的一种；扩散阻挡层为Cr2O3；吸收层为金属和陶瓷的复合材料，其中第一吸收层中金属的体积分数大于第二吸收层中金属的体积分数；减反射层为Cr2O3。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。本发明的薄膜结构简单，金属粒子高温稳定性佳，吸收层在高温使用过程中膜层稳定不易紊乱，可广泛应用于太阳能中高温光热利用领域。

Description

一种高温太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温太阳光谱选择性吸收薄膜及其制备方法，属于太阳能热利用材料技术领域。
背景技术
太阳光谱选择性吸收薄膜是太阳能光热利用中的核心技术，尤其在太阳能中高温热利用领域，吸收薄膜的性能决定了集热管的品质。
我国是太阳能热利用大国，但目前为止，选择性吸收薄膜的应用主要集中在低温和中温领域，比如Al-N/Al渐变薄膜和SS-AlN干涉吸收薄膜等，而在高温热利用方面，这些膜系却无法满足使用要求，原因如下：一方面这些薄膜高温稳定性差，长时间高温工作易造成膜层结构紊乱，导致薄膜性能急剧下降；另一方面薄膜高温发射率过高，造成大的热能损耗，影响了集热管的性能。因此，如何选择耐高温材料、设计合理的薄膜结构和开发新型的制备工艺，成为太阳能热利用材料领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种高温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、高温稳定性强等特点，尤其适用于太阳能中高温真空集热管。
本发明的另一目的在于提供一种所述高温太阳光谱选择性吸收薄膜的制备方法，该方法易于实现。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温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、扩散阻挡层、吸收层和减反射层依次组成，其中金属红外高反射层为具有低红外发射率的Ti、Cr、Al或Cu中的一种；扩散阻挡层为Cr2O3；吸收层为金属和陶瓷的复合材料，其中第一吸收层中金属的体积分数大于第二吸收层中金属的体积分数；减反射层为Cr2O3。
优选地，所述吸收层中的金属为具有良好高温稳定性的Ti、Cr，陶瓷为金属Ti、Cr的氧化物，所述吸收层是采用直流或中频反应溅射的方法将Ti、Cr作为金属粒子掺杂在其氧化物陶瓷基体中形成的。所述第一吸收层中金属的体积分数为20～90％，所述第二吸收层中金属的体积分数为10～60％。
在本发明的薄膜中，由于第一吸收层中金属的体积分数大于第二吸收层中金属的体积分数，第一吸收层对太阳光谱具有较强的吸收能力，为主要吸收层。第二吸收层折射率大小处于第一吸收层和减反射层之间，与减反射层和第一吸收层共同组成一个折射率逐渐变化的膜系结构，产生的干涉效应进一步增加了薄膜的吸收率。
在本发明的薄膜中，金属红外高反射层的厚度为50-300nm。扩散阻挡层的厚度为20-100nm。第一吸收层的厚度为20-150nm，第二吸收层的厚度为20-150nm。
本发明中的基底材料为表面抛光的不锈钢、Cu、Al中的一种，不锈钢为304或316。
一种所述高温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，反应气体和工作气体均为高纯Ar；
(3)采用中频反应溅射的方法沉积Cr2O3扩散阻挡层；
(4)采用直流反应溅射的方法依次沉积第一吸收层和第二吸收层；
(5)采用中频反应溅射沉积Cr2O3减反射层。
在所述步骤(5)中，为了获取高质量的介质膜，沉积减反射层所采用的靶材为双Cr靶，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯O2。
在该制备方法中，针对不同的膜层材料通过调整溅射功率、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，同时具有高温稳定性，满足太阳能高温利用的要求。该薄膜制备工艺简单，成本低。
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，本发明的薄膜由依次沉积在基底1上的金属红外高反射层2、扩散阻挡层3、第一吸收层4、第二吸收层5、减反射层6组成。
实施例1
本实例提供一种TiOx/CrOy高温太阳光谱选择性吸收涂层，由图1可知，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，依次为金属红外高反射层2、扩散阻挡层3、第一吸收层4、第二吸收层5和减反射层6。具体步骤如下：(1)将表面抛光的不锈钢基片超声波清洗30min，烘干后放入镀膜室，抽真空至2～5×10-3Pa；(2)通入氩气，采用Ti靶在氩气气氛中溅射镀制Ti薄膜作为金属红外高反射层2，厚度为100nm；(3)采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中中频反应溅射，形成Cr2O3构成扩散阻挡层3，该层的厚度为50nm；(4)采用Ti靶和Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，Ti靶和Cr靶溅射功率比值为1∶1，形成TiOx/CrOy构成第一吸收层4，该层的金属粒子体积分数为0.4，厚度为75nm；(5)采用Ti靶和Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，Ti靶和Cr靶溅射功率比值为1∶2，形成TiOx/CrOy构成第二吸收层5，该层的金属粒子体积分数为0.15，厚度为50nm；(6)采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中中频反应溅射，形成Cr2O3构成减反射层6，该层的厚度为70nm。
所制备的薄膜吸收率可达0.96，发射率ε≤0.06(80℃)，ε≤0.10(400℃)。
实施例2
本实例提供一种TiOx/CrOy高温太阳光谱选择性吸收涂层，自基底从下而上分为4层，依次为金属红外高反射层2、扩散阻挡层3、第一吸收层4、第二吸收层5和减反射层6。具体步骤如下：(1)将表面抛光的不锈钢基片超声波清洗30min，烘干后放入镀膜室，抽真空至2～5×10-3Pa；(2)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；(3)采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中中频反应溅射，形成Cr2O3构成扩散阻挡层3，该层的厚度为50nm；(4)采用Ti靶和Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，Ti靶和Cr靶溅射功率比值为1∶1，形成TiOx/CrOy构成第一吸收层4，该层的金属粒子体积分数为0.5，厚度为55nm；(5)采用Ti靶和Cr靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，Ti靶和Cr靶溅射功率比值为1∶1，形成TiOx/CrOy构成第二吸收层5，该层的金属粒子体积分数为0.2，厚度为40nm；(6)采用Cr靶在氩气和氧气的混合气体中中频反应溅射，形成Cr2O3构成减反射层6，该层的厚度为75nm。
所制备的薄膜吸收率可达0.95，发射率ε≤0.06(80℃)，ε≤0.09(400℃)。

Claims (9)

1.一种高温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、扩散阻挡层、吸收层和减反射层依次组成，其中金属红外高反射层为金属Ti、Cr、Al或Cu中的一种；扩散阻挡层为Cr2O3；吸收层为金属和陶瓷的复合材料，其中第一吸收层中金属的体积分数大于第二吸收层中金属的体积分数；减反射层为Cr2O3。
2.根据权利要求1所述的高温太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，所述吸收层中的金属为Ti、Cr，陶瓷为金属Ti、Cr的氧化物。
3.根据权利要求1或2所述的高温太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，所述第一吸收层中金属的体积分数为20～90％，所述第二吸收层中金属的体积分数为10～60％。
4.根据权利要求1或2所述的高温太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，所述金属红外高反射层的厚度为50-300nm。
5.根据权利要求1或2所述的高温太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，所述扩散阻挡层的厚度为20-100nm。
6.根据权利要求1或2所述的高温太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，所述第一吸收层的厚度为20-150nm，第二吸收层的厚度为20-150nm。
7.根据权利要求1或2所述的高温太阳光谱选择性吸收薄膜，其特征在于，所述基底材料为表面抛光的不锈钢、Cu、Al中的一种。
8.一种权利要求1-7中任一项所述的高温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，反应气体和工作气体均为高纯Ar；
(3)采用中频反应溅射的方法沉积Cr2O3扩散阻挡层；
(4)采用直流反应溅射的方法依次沉积第一吸收层和第二吸收层；
(5)采用中频反应溅射沉积Cr2O3减反射层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，沉积减反射层所采用的靶材为双Cr靶，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯O2。
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