CN109594050A - 一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法，该吸收涂层包括基体，所述的基体的表面依次设有第一红外反射层、第二吸收层、第三光学介层、第四吸收层、第五减反层，第一红外反射层直接位于基体的表面；所述的第五减反层共设有两个减反层，将两个减反层中的一层兼作调色层，两个减反层中，第一层为TiO2层，第二层为Al2O3层，两层中任何一层可用于调色。第一红外反射层为Cu层；第二吸收层为Ti层；第三光学介层为Al2O3层；第四吸收层为Ti层，厚度为20‑50nm。本发明可有效提高吸收效率,具有很好的耐高温性能；制备方法采用的中频磁控溅射法，可以大大降低制备成本。

Description

一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能吸收涂层及其制备方法，具体是一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
国家知识产权局于2015年2月18日公开了公开号为CN204165260U的专利文献，太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述涂层由基体表面从内到外依次设置的粘结层(1)、红外反射层(2)、扩散阻挡层(3)、高金属陶瓷吸收层(4)、低金属陶瓷吸收层(5)和减反层(6)组成；所述粘结层(1)位于基体与红外反射层(2)之间，所述粘结层由不锈钢SS、Mo或Si3N4组成，粘结层的厚度为10~30nm；所述红外反射层(2)位于粘结层(1)与扩散阻挡层(3)之间，由具有高红外反射的金属材料制成，红外反射层的厚度为80~300nm；所述具有高红外反射的金属材料包括但不限于Cu、Ag或Al；所述扩散阻挡层(3)位于红外反射层(2)与高金属吸收层(4)之间，扩散阻挡层的材料为Si3N4，扩散阻挡层的厚度为10~30nm；所述高金属陶瓷吸收层(4)位于扩散阻挡层(3)与低金属陶瓷吸收层(5)之间，高金属陶瓷吸收层中金属体积分数为40％~60％，高金属陶瓷吸收层厚度为30~150nm；所述低金属陶瓷吸收层(5)位于高金属陶瓷吸收层(4)与减反层(6)之间，低金属陶瓷吸收层中金属体积分数为20％~40％，低金属陶瓷吸收层厚度为30~150nm；所述金属包括但不限于SS、Mo、NiCr；~所述减反层(6)位于低金属陶瓷吸收层(5)的外层，减反层由Si3N4或SiO2，或者两者混合组成，减反层的厚度为50太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述涂层由基体表面从内到外依次设置的粘结层(1)、红外反射层(2)、扩散阻挡层(3)、高金属陶瓷吸收层(4)、低金属陶瓷吸收层(5)和减反层(6)组成；所述粘结层(1)位于基体与红外反射层(2)之间，所述粘结层由不锈钢SS、Mo或Si3N4组成，粘结层的厚度为10~30nm；所述红外反射层(2)位于粘结层(1)与扩散阻挡层(3)之间，由具有高红外反射的金属材料制成，红外反射层的厚度为80~300nm；所述具有高红外反射的金属材料包括但不限于Cu、Ag或Al；所述扩散阻挡层(3)位于红外反射层(2)与高金属吸收层(4)之间，扩散阻挡层的材料为Si3N4，扩散阻挡层的厚度为10~30nm；所述高金属陶瓷吸收层(4)位于扩散阻挡层(3)与低金属陶瓷吸收层(5)之间，高金属陶瓷吸收层中金属体积分数为40％~60％，高金属陶瓷吸收层厚度为30~150nm；所述低金属陶瓷吸收层(5)位于高金属陶瓷吸收层(4)与减反层(6)之间，低金属陶瓷吸收层中金属体积分数为20％~40％，低金属陶瓷吸收层厚度为30~150nm；所述金属包括但不限于SS、Mo、NiCr；所述减反层(6)位于低金属陶瓷吸收层(5)的外层，减反层由Si3N4或SiO2，或者两者混合组成，减反层的厚度为50~100nm。
太阳能选择性吸收涂层是太阳能集热器光热、光电转换的核部位，在太阳能波长为300-2500nm之间内，选择性吸收涂层具有较高的吸收率，在大于2500nm的波长，选择性吸收涂层具有较高的辐射率，所以，太阳能选择性吸收涂层在较大程度上能实现高吸收低辐射高效地将太阳能转化为热能或者电能。基于工作温度的前提，可将太阳能吸收涂层应用于不同的实际领域：低温涂层（0oC-100oC）主要应用于太阳能热水器实现光热转化；中温涂层（100oC-400oC）主要应用于工业产热以及大规模太阳能热水器等等；高温涂层（大于400oC）主要应用于太阳能热发电实现光电转换。因此，可根据选择性吸收涂层的抗高温稳定性来区分应用领域。
现有的太阳能选择性吸收涂层的热吸收效率不高，目前对于太阳能选择性吸收涂层的研究较广泛，根据研究的材料不同，可将涂层分为金属，金属氧化物，硫化物碳化物，碳化物以及金属-陶瓷复合材料。在制备多层涂层的过程中，大多研究者都遵循金属-介质为基本构思，进而通过改变涂层结构以提高热吸收效率降低发散率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种耐高温、热吸收效率高的太阳能有色选择性吸收涂层。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
太阳能有色选择性吸收涂层，包括基体，所述的基体的表面依次设有第一红外反射层、第二吸收层、第三光学介层、第四吸收层、第五减反层，第一红外反射层直接位于基体的表面；
所述的第一红外反射层的透射率为0；
所述的第二吸收层在300-2500nm的波长范围内折射率为1.80-4.00，消光系数在300-2500nm的波长范围内为1.0-3.5；
所述的第三光学介层在300-2500nm的波长范围内折射率低于1.2-1.8，消光系数在300-500nm间的波长范围内为0.01-0.001间，在500-2500nm的波长范围内低于0.001；
所述的第四吸收层在300-2500nm的波长范围内折射率低于1.0-1.5，消光系数在300-500nm间的波长范围内为0.01-0.001间，在500-2500nm的波长范围内低于0.001；
所述的第五减反层至少包括一层可用于调色的氧化物材料层。
优选的，所述的基体采用的是石英透明玻璃材料。
优选的，所述的第一红外反射层为Cu层，厚度为100-200nm。
优选的，所述的第二吸收层为Ti层，厚度为15-30nm。
优选的，所述的第三光学介层为Al2O3层，厚度为40-100nm。
优选的，所述的第四吸收层为Ti层，厚度为20-50nm。
优选的，所述的第五减反层共设有两个减反层，将两个减反层中的一层兼作调色层，两个减反层中，第一层为TiO2层，厚度为20-50nm，第二层为Al2O3层，厚度为70-100nm，两层中任何一层可用于调色。
本发明还提供一种上述太阳能有色选择性吸收涂层的制备方法，该方法采用中频磁控溅射法的具体步骤如下：
第一步，在惰性气体中，开启Cu靶材，工作气压为0.3-1.5 Pa，溅射功率为100-500W，在基体表面沉积一层厚度为100-200nm的第一红外反射层；
第二步，在惰性气体中，开启Ti靶材，工作气压为0.2-1.5 Pa，溅射功率为100-600 W，在第一红外反射层沉积一层厚度为15-30 nm的第二吸收层；
第三步，在惰性气氛中，通入O2反应气体，开启Al靶材，溅射功率为100-500 W，在吸收层之上沉积一层厚度为40-100nm的第三光学介层；
第四步，在惰性气体中，开启Ti靶材，工作气压为0.2-1.5 Pa，溅射功率为100-600 W，在第三光学介层沉积一层厚度为20-50nm 的第四吸收层；
第五步，在惰性气体中，通入O2，并且惰性气体与O2的质量比为1:3~3:1，工作气压为0.2-1.0 Pa，开启Ti靶材，溅射功率为100-500W，在第四吸收层之上沉积一层厚度为20-50nm的TiO2减反层，该层为调色层；
第六步，在惰性气体中，通入O2，并且惰性气体与O2的质量比为1:3~3:1，工作气压为0.2-1.2 Pa，开启Al靶材，溅射功率为100-500W，在调色层之上沉积一层厚度为70-100nm的Al2O3减反层。
优选的，所述的惰性气氛为Ar气体。
本发明的有益效果：本发明提供的一种太阳能有色选择性吸收涂层至少具有以下优点：1.本发明提供的一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法，可有效提高吸收效率以及降低发散率。2. 本发明提供的一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法，可有效地提高工作温度，并在高温工作环境下保持良好的光学性能，从而可应用于光电转化等领域。3. 本发明提供的一种太阳能有色选择性吸收涂层及其制备方法，本发明采用的是直流磁控溅射方法制备多层吸收涂层，可大大降低制备成本；4、本发明的应用:当用透明石英玻璃作为基体时，本发明可应用于太阳能热水器材料和节能建筑材料。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图：
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、基体； 2、第一红外反射层； 3、第二吸收层；4、第三光学介层；5、第四吸收层；6、TiO2层；7、Al2O3层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，太阳能有色选择性吸收涂层，包括基体1，所述的基体1的表面依次设有第一红外反射层2、第二吸收层3、第三光学介层4、第四吸收层5、第五减反层，第一红外反射层2直接位于基体1的表面；所述的第五减反层共设有两个减反层，将两个减反层中的一层兼作调色层，两个减反层中，第一层为TiO2层6，厚度为20-50nm，第二层为Al2O3层7，厚度为70-100nm，两层中任何一层可用于调色。
第一红外反射层2的透射率为0，所述的第一红外反射层为Cu层，厚度为100-200nm；
第二吸收层3在300-2500nm的波长范围内折射率为1.80-4.00，消光系数在300-2500nm的波长范围内为1.0-3.5，所述的第二吸收层为Ti层，厚度为15-30nm；
第三光学介层4在300-2500nm的波长范围内折射率低于1.2-1.8，消光系数在300-500nm间的波长范围内为0.01-0.001间，在500-2500nm的波长范围内低于0.001，所述的第三光学介层为Al2O3层，厚度为40-100nm；
第四吸收层5在300-2500nm的波长范围内折射率低于1.0-1.5，消光系数在300-500nm间的波长范围内为0.01-0.001间，在500-2500nm的波长范围内低于0.001，所述的第四吸收层为Ti层，厚度为20-50nm。
本发明还提供一种上述太阳能有色选择性吸收涂层的制备方法，该方法采用中频磁控溅射法的具体步骤如下：
第一步，将石英透明玻璃的基体使用丙酮和无水乙醇在超声波清洗器各超声15min，再用洁净干燥的压缩空气吹干，将基体固定在转架上，距离靶材位置大概为50mm的位置，并调整转速为5 rpm，将基体温度加热至400oC保持30min，然后降温至200℃。在Ar气体中，开启Cu靶材，工作气压为0.3-1.5 Pa，溅射功率为100-500W，在基体表面沉积一层厚度为100-200nm的第一红外反射层；
第二步，在Ar气体中，开启Ti靶材，工作气压为0.2-1.5 Pa，溅射功率为100-600 W，在第一红外反射层沉积一层厚度为15-30 nm的第二吸收层；
第三步，在Ar气氛中，通入O2反应气体，开启Al靶材，溅射功率为100-500 W，在吸收层之上沉积一层厚度为40-100nm的第三光学介层；
第四步，在Ar气体中，开启Ti靶材，工作气压为0.2-1.5 Pa，溅射功率为100-600 W，在第三光学介层沉积一层厚度为20-50nm 的第四吸收层；
第五步，在Ar气体中，通入O2，并且Ar与O2的质量比为1:3~3:1，工作气压为0.2-1.0Pa，开启Ti靶材，溅射功率为100-500W，在第四吸收层之上沉积一层厚度为20-50nm的TiO2减反层，该层为调色层；
第六步，在Ar气体中，通入O2，并且Ar与O2的质量比为1:3~3:1，工作气压为0.2-1.2Pa，开启Al靶材，溅射功率为100-500W，在调色层之上沉积一层厚度为70-100nm的Al2O3减反层。
本实施所制备的多层太阳能选择性吸收涂层Substrate/Cu/Ti/Al2O3/Ti/TiO2/Al2O3，表面为蓝色涂层，在波长300-2500nm的波长范围内吸收率达到0.952，发射率为0.08。
值得说明的是，上述制备方法中，在工作气压0.2-1.5 Pa的参数范围中，分别取值为0.2 Pa、0.85 Pa、1.5 Pa；溅射功率为100-500W的参数范围中，分别取值为100W、300W、500W；Ar与O2的质量比为1:3~3:1的参数范围中，分别取值为1:3、1:1、3:1。
对本发明的太阳能有色选择性吸收涂层进行高温退火测试，退火前，样品的吸收率为0.952，发射率为0.08。在空气环境下，500oC-650oC进行退火两个小时，具体的氧化过程如下所述：
（1）将蓝色涂层样品放入马弗炉中，在空气环境下，以3oC/min速度升温至500oC，并保持2h，所述的涂层经氧化后，其吸收率为0.951，发射率为0.08。
（2）将蓝色涂层样品放入马弗炉中，在空气环境下，以3oC/min速度升温至550oC，并保持2h，所述的涂层经氧化后，其吸收率为0.943，发射率为0.09。
（3）将蓝色涂层样品放入马弗炉中，在空气环境下，以3oC/min速度升温至600oC，并保持2h，所述的涂层经氧化后，其吸收率为0.938，发射率为0.10。
（4）将蓝色涂层样品放入马弗炉中，在空气环境下，以3oC/min速度升温至650oC，并保持2h，所述的涂层经氧化后，其吸收率为0.930，发射率为0.11。
从以上实验数据可知，本发明涉及的太阳能有色选择性吸收涂层在650oC以上高温氧化后，依然保持良好的选择性吸收特性，足以满足在实际应用上的耐高温需要。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种太阳能有色选择性吸收涂层，包括基体，其特征在于：所述的基体的表面依次设有第一红外反射层、第二吸收层、第三光学介层、第四吸收层、第五减反层，第一红外反射层直接位于基体的表面；
所述的第一红外反射层的透射率为0；
所述的第二吸收层在300-2500nm的波长范围内折射率为1.80-4.00，消光系数在300-2500nm的波长范围内为1.0-3.5；
所述的第三光学介层在300-2500nm的波长范围内折射率低于1.2-1.8，消光系数在300-500nm间的波长范围内为0.01-0.001间，在500-2500nm的波长范围内低于0.001；
所述的第四吸收层在300-2500nm的波长范围内折射率低于1.0-1.5，消光系数在300-500nm间的波长范围内为0.01-0.001间，在500-2500nm的波长范围内低于0.001；
所述的第五减反层至少包括一层可用于调色的氧化物材料层。
2.根据权利要求1所述的太阳能有色选择性吸收涂层，其特征在于：所述的基体采用的是石英透明玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的太阳能有色选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第一红外反射层为Cu层，厚度为100-200nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能有色选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第二吸收层为Ti层，厚度为15-30nm。
5.根据权利要求1所述的太阳能有色选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第三光学介层为Al2O3层，厚度为40-100nm。
6.根据权利要求1所述的太阳能有色选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第四吸收层为Ti层，厚度为20-50nm。
7.根据权利要求1所述的太阳能有色选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第五减反层共设有两个减反层，将两个减反层中的一层兼作调色层，两个减反层中，第一层为TiO2层，厚度为20-50nm，第二层为Al2O3层，厚度为70-100nm，两层中任何一层可用于调色。
8.根据权利要求1-7任一项所述的太阳能有色选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：该方法采用中频磁控溅射法的具体步骤如下：
第一步，在惰性气体中，开启Cu靶材，工作气压为0.3-1.5 Pa，溅射功率为100-500W，在基体表面沉积一层厚度为100-200nm的第一红外反射层；
第二步，在惰性气体中，开启Ti靶材，工作气压为0.2-1.5 Pa，溅射功率为100-600 W，在第一红外反射层沉积一层厚度为15-30 nm的第二吸收层；
第三步，在惰性气氛中，通入O2反应气体，开启Al靶材，溅射功率为100-500 W，在吸收层之上沉积一层厚度为40-100nm的第三光学介层；
第四步，在惰性气体中，开启Ti靶材，工作气压为0.2-1.5 Pa，溅射功率为100-600 W，在第三光学介层沉积一层厚度为20-50nm 的第四吸收层；
第五步，在惰性气体中，通入O2，并且惰性气体与O2的质量比为1:3~3:1，工作气压为0.2-1.0 Pa，开启Ti靶材，溅射功率为100-500W，在第四吸收层之上沉积一层厚度为20-50nm的TiO2减反层，该层为调色层；
第六步，在惰性气体中，通入O2，并且惰性气体与O2的质量比为1:3~3:1，工作气压为0.2-1.2 Pa，开启Al靶材，溅射功率为100-500W，在调色层之上沉积一层厚度为70-100nm的Al2O3减反层。
9.根据权利要求8所述的太阳能有色选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述的惰性气氛为Ar气体。
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