CN109338295A - 一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二硼化铪‑二氧化铪基高温太阳能吸收涂层及其制备方法。所述的太阳能吸收涂层沉积在基底上，在基底上由底层到顶层形成三层膜结构，依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，红外反射层为金属钨W或金属钼Mo，吸收层由二硼化铪和二氧化铪的复合陶瓷薄膜组成，减反射层由氧化铝组成。在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率≥0.91，发射率≤0.12。该涂层具有良好的热稳定性，可长期在500oC的真空环境下使用。本发明的涂层具有优异的光学性能和良好的热稳定性能，制备工艺简单，在太阳能中高温应用领域具有重要的应用前景。

Description

一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能热发电和功能薄膜技术领域，具体涉及一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。一般来说，太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式（盘式）、菲涅尔式四种系统。槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。太阳能吸收涂层是槽式太阳能热发电技术的关键材料。其要求在太阳光谱可见光到近红外范围(0.3-2.5 μm)内具有高的吸收，同时在红外波段(2.5-50 μm)具有较低的发射率，在高温工况下(大于500 oC)具有良好的热稳定性能。
中国专利CN201310306881.5公布了一种吸收层由含硼化合物构成的太阳能中高温选择性吸收涂层及其制备方法。该涂层在基材表面由底部到顶部依次包括红外高反射层、第一吸收层、第二吸收层和减反射层，所述第一吸收层、第二吸收层由使用物理汽相沉积制备的含硼化合物渐变组分构成，所述含硼化合物为金属硼化物、金属氮硼化物、金属氧硼化物或金属氮氧硼化物。
中国专利CN201610824620.6公布了一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层及制备方法。该太阳能吸收涂层在基板上设有红外反射层，在红外反射层上顺序设有光谱主吸收层、光谱辅吸收层和减反射层，其特征在于所述的吸收层以具有本征光谱选择吸收特性和极为优异高温稳定性的难熔金属硼化物（如TaB2、HfB2和ZrB2等）膜为光谱能量吸收主体、通过难熔金属硼化物与Al2O3或SiO2陶瓷介质双向陶瓷协同增效，提高涂层热稳定性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能选择性吸收涂层，本发明使用了二硼化铪-二氧化铪复合陶瓷作为吸收层，这种高温太阳能选择性吸收涂层膜系结构和制备工艺简单。
本发明的另一目的提供上述二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层的制备方法。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：
一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：该高温太阳能吸收涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述红外反射层为金属钨W或金属钼Mo, 所述吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，所述复合陶瓷中二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2均为非晶态，所述二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷吸收层是由直流磁控溅射二硼化铪HfB2所得，氧化铪HfO2由二硼化铪HfB2部分氧化得到，所述减反射层为氧化铝Al2O3。
所述红外反射层是金属钨W薄膜或金属钼Mo薄膜，薄膜厚度为200-550纳米。
所述吸收层厚度为30-70纳米。
所述减反射层厚度为40-80纳米，且减反射层氧化铝Al2O3为非晶态。
所述基底为不锈钢或镍基合金，且基底表面的粗糙度为2-6纳米。
上述二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以99.9%的金属钨或金属钼作为靶材，将真空室预抽本底真空至1.5×10-6-6.5×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整金属钨或金属钼靶材的溅射功率密度为1-4.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-60 sccm，开始在吸热体的基底不锈钢或镍基合金上沉积金属钨薄膜或金属钼薄膜，金属钨薄膜或金属钼薄膜的厚度为200-550 nm；
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化铪作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，其中二硼化铪靶材的溅射功率密度为2-6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-60 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化铪制备吸收层，吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，其厚度为30-70 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为4-6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-60 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为40~80 nm。溅射过程中，基底温度为100-250 oC。
其中红外反射层、吸收层和减反射层的制备过程中，基底不锈钢或镍基合金的温度为100-250 oC。
本发明的太阳能选择性吸收涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.90，发射率≤0.12；在高真空度下，经500oC长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化。
本发明的太阳能选择性吸收涂层，以非晶态的二硼化铪和氧化铪的复合陶瓷作为吸收层，HfO2的存在一定程度上提高了HfB2的光谱选择性，有效提高了涂层的高温稳定性及光学性能（吸收率和发射率），极大的丰富了二硼化铪陶瓷在太阳能产业中的应用。本发明所涉及的涂层结构简单，没有掺杂，操作方便，在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
附图说明
图1 为本发明二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能选择性吸收涂层的结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以表面粗糙度为2纳米的不锈钢为基底，99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空至1.5×10-6Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整钨或钼靶材的溅射功率密度为1 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底不锈钢或镍基合金上沉积钨薄膜，钨薄膜的厚度为200 nm；溅射过程中，不锈钢基底温度为100 oC。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化铪作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，调整二硼化铪靶材的溅射功率密度为2 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化铪制备吸收层，吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，其厚度为30 nm；溅射过程中，不锈钢基底温度为100 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为4 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为40 nm。溅射过程中，不锈钢基底温度为100 oC。
上述方法制备的二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，该高温太阳能吸收涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，基底为不锈钢，且基底表面的粗糙度为2纳米。所述的红外反射层为金属钨W薄膜, 金属钨W薄膜的厚度为200 nm，所述的吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷的吸收层是由直流磁控溅射二硼化铪和部分氧化所得，且二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2均为非晶态，其厚度为30 nm，所述的减反射层为氧化铝Al2O3，减反射层厚度为40纳米，且减反射层氧化铝Al2O3为非晶态。
该太阳能吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.12；在高真空度下，经500℃ 长时间保温后，其吸收率为0.90，法向发射率为0.10。
实施例2
一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以表面粗糙度为6纳米的镍基合金为基底，99.9%的金属钼作为靶材，将真空室预抽本底真空至6.5×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整金属钼靶材的溅射功率密度为4.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为60 sccm，开始在吸热体基底镍基合金上沉积钼薄膜，其厚度为550 nm；溅射过程中，镍基合金基底温度为250 oC。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化铪作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，调整二硼化铪靶材的溅射功率密度为6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为60sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化铪，其厚度为70 nm；溅射过程中，镍基合金基底温度为250 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为60 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为80 nm。溅射过程中，镍基合金基底温度为250 oC。
上述方法制备的二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，该高温太阳能吸收涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，基底为镍基合金，且基底表面的粗糙度为6纳米。所述的红外反射层为金属钼Mo薄膜, 金属钼Mo薄膜的厚度为550 nm，所述的吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷的吸收层是由直流磁控溅射二硼化铪和部分氧化所得，且二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2均为非晶态，其厚度为70 nm，所述的减反射层为氧化铝Al2O3，减反射层厚度为80纳米，且减反射层氧化铝Al2O3为非晶态。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.92，发射率为0.10；在高真空度下，经500℃ 长时间保温后，其吸收率为0.91，法向发射率为0.10。
实施例3
一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以表面粗糙度为3.5纳米的不锈钢为基底，99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空至3.0×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整钨靶材的溅射功率密度为3.2 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，开始在吸热体基底不锈钢上沉积钨薄膜，其厚度290 nm；溅射过程中，不锈钢基底温度为200 oC。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化铪作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，调整二硼化铪靶材的溅射功率密度为3.3 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化铪，其厚度为48 nm；溅射过程中，不锈钢基底温度为200 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为5.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为60 nm。溅射过程中，不锈钢基底温度为200 oC。
上述方法制备的二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，该高温太阳能吸收涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，基底为不锈钢，且基底表面的粗糙度为3.5纳米。所述的红外反射层为金属钨W薄膜, 金属钨W薄膜的厚度为290 nm，所述的吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷的吸收层是由直流磁控溅射二硼化铪和部分氧化所得，且二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2均为非晶态，其厚度为48 nm，所述的减反射层为氧化铝Al2O3，减反射层厚度为60纳米，且减反射层氧化铝Al2O3为非晶态。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.94，发射率为0.09；在高真空度下，经500℃ 长时间保温后，其吸收率为0.94，法向发射率为0.09。

Claims (7)

1.一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：该高温太阳能吸收涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述红外反射层为金属钨W或金属钼Mo, 所述吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，所述复合陶瓷中二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2均为非晶态，所述二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷吸收层是由直流磁控溅射二硼化铪HfB2所得，氧化铪HfO2由二硼化铪HfB2部分氧化得到，所述减反射层为氧化铝Al2O3。
2.根据权利要求1所述的一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述红外反射层是金属钨W薄膜或金属钼Mo薄膜，薄膜厚度为200-550纳米。
3.根据权利要求1或2所述的一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述吸收层厚度为30-70纳米。
4.根据权利要求3所述的一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述减反射层厚度为40-80纳米，且减反射层氧化铝Al2O3为非晶态。
5.根据权利要求1或4所述的一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述基底为不锈钢或镍基合金，且基底表面的粗糙度为2-6纳米。
6.上述任一权利要求所述的一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以99.9%的金属钨或金属钼作为靶材，将真空室预抽本底真空至1.5×10-6-6.5×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整金属钨或金属钼靶材的溅射功率密度为1-4.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-60 sccm，开始在吸热体的基底不锈钢或镍基合金上沉积金属钨薄膜或金属钼薄膜，金属钨薄膜或金属钼薄膜的厚度为200-550 nm；
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化铪作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，其中二硼化铪靶材的溅射功率密度为2-6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-60 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化铪制备吸收层，吸收层为二硼化铪HfB2和二氧化铪HfO2的复合陶瓷，其厚度为30-70 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为4-6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-60 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为40~80 nm。
7.根据权利要求6所述的一种二硼化铪-二氧化铪基高温太阳能吸收涂层及其制备方法，其特征在于：红外反射层、吸收层和减反射层的制备过程中，基底不锈钢或镍基合金的温度为100-250 oC。
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