CN109724274B

CN109724274B - 一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN109724274B
Application number: CN201910097288.1A
Authority: CN
Inventors: 杨豆; 杨兵; 刘琰; 吴忠烨
Original assignee: SUZHOU Institute OF WUHAN UNIVERSITY
Current assignee: SUZHOU Institute OF WUHAN UNIVERSITY
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: CN109724274A

Abstract

本发明提供一种新型纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，涂层由红外高反射层、主吸收层、次吸收层、减反射层组成，所述红外高反射层为TiN层，厚度为600～740纳米；主吸收层为低氧含量的AlCrSi‑O层，其氧含量为15～25％，厚度为45～55纳米；次吸收层为中氧含量的AlCrSi‑O层，其氧含量为30～40％，厚度为60～70纳米；减反射层为高氧含量的AlCrSi‑O层，其氧含量为50～65％，厚度为90～100纳米。利用本发明方法制备的新型涂层具有较高的热稳定性能，在600℃的空气中可以保持200h，在650℃空气中可以保持10h，该涂层在高温太阳能领域具有很大的应用前景。

Description

一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料领域，具体涉及一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳能是最丰富的可再生能源。利用太阳能的直接方法是利用太阳能吸收器进行太阳光热转换。在太阳能光热转换过程中，最关键的部件是光热转换器上的太阳能光谱选择性吸收涂层，该涂层具有对太阳辐射高效吸收的特点，同时自身热发射率低可抑制辐射损失，其性能的优劣决定整个系统效率的高低。

自然界中，没有完美的固有材料可以直接用于太阳能吸收涂层，人们一直在寻找具有高效光吸收性能的涂层。近年来，一些具有高性能和良好热稳定性的太阳能吸收涂层相继被发现，例如，基于过渡金属的金属陶瓷太阳能吸收涂层因其出色的耐高温、抗氧化以及高吸收率和低发射而被使用。基于过渡金属氮化物、氧化物和氮氧化物的太阳能吸收涂层由于具有优异的光学性能在中高温太阳能领域的应用中也发挥着重要作用。

申请号为CN201310189629的中国专利文献公开了一种纳米复合Cr-Al-O太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层是采用阴极电弧离子镀依次在不锈钢基体上沉积红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，涂层的吸收比为0.92-0.94，发射比为0.15-0.22，在500℃的空气中保持100h，在700℃的空气中保持2h。

因为Si元素具有较好的耐高温性能，本涂层通过在Cr、Al、O的基础上添加Si元素，采用阴极电弧离子镀的方法制备出AlCrSi-O涂层，在不降低涂层选择性吸收性能的基础之上，提高涂层的热稳定性能。该涂层不仅具有较高的吸收性能，较低的发射率，同时热稳定性能也很优异，有望应用于中高温太阳能领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种纳米复合太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：由红外高反射层、主吸收层、次吸收层、减反射层组成，所述红外高反射层为TiN层，厚度为600～740纳米；主吸收层为低氧含量的AlCrSi-O层，其氧含量为15～25％，厚度为45～55纳米；次吸收层为中氧含量的AlCrSi-O层，其氧含量为30～40％，厚度为60～70纳米；减反射层为高氧含量的AlCrSi-O层，其氧含量为50～65％，厚度为90～100纳米。

所述一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，具体步骤如下：

步骤1、将不锈钢基体分别在丙酮和酒精中依次进行超声清洗并用吹风机吹干；

步骤2、将清洗后的基体置于阴极电弧离子镀的腔室中，通过抽真空设备获得真空环境，使基体旋转；

步骤3、采用Ti靶对基体进行离子轰击；

步骤4、采用Ti靶沉积红外高反射层；

步骤5、采用AlCrSi靶分别沉积主吸收层、次吸收层和减反射层，如此，获得AlCrSi-O纳米复合太阳光谱选择性吸收涂层。

所述步骤2中的抽真空设备包括机械泵和分子泵，真空环境为7×10^-3Pa以下，基体转速为3～5rpm。

所述步骤3中的离子轰击条件参数为：氩气环境，压强5×10-2Pa以下，偏压-700～900V，占空比70％～80％，温度150～300℃，轰击时间1～5min。

所述步骤4中沉积红外高反射层的条件参数为：氮气流量为270～350sccm，氩气流量为30～50sccm，偏压-100～200V，占空比70％～80％，工作电流80～90A，沉积时间10～20min。

所述步骤5中沉积主吸收层的条件参数为：氩气流量为70～100sccm，氧气流量为15～25sccm，偏压-140～160V，占空比70％～80％，工作电流60～70A，沉积时间1～3min。

所述步骤5中沉积次吸收层的条件参数为：氩气流量为70～100sccm，氧气流量为30～40sccm，偏压-140～160V，占空比70％～80％，工作电流60～70A，沉积时间1～3min。

所述步骤5中沉积减反射层的条件参数为：氩气流量为70～100sccm，氧气流量为145～155sccm，偏压-140～160V，占空比70％～80％，工作电流60～70A，沉积时间1～3min。

本发明采用阴极电弧离子镀来制备AlCrSi-O纳米复合太阳光谱选择性吸收涂层，阴极电弧离子镀具有离化率高，设备简单的特点，在沉积涂层之前先对涂层进行离子轰击，可以去除基体表面氧化皮，以清洗基体，同时也增加涂层与基体的结合力；本发明通过调控主吸收层、次吸收层和减反射层的厚度配比来提高涂层的光吸收性能；Si元素具有较高的耐高温性能，使得涂层具有更高的热稳定性。

本发明具有如下优点：

第一，采用阴极电弧离子镀的方法制备涂层，相对于磁控溅射，涂层与基体的结合力较高，同时，涂层与涂层之间也具有较高的结合力；

第二，本发明制备的涂层的化学成分为Al、Cr、Si、O，成本较低，同时，涂层的制备过程简单，易于控制；

第三，涂层具有较高的选择性吸收性能，吸收比高于0.92，发射比低于0.2；

第四，涂层具有较高的热稳定性能，在600℃的空气中可以保持200h，在650℃空气中可以保持10h，因此，该涂层在高温太阳能领域具有很大的应用前景。

附图说明

图1为本发明中涂层制备装置示意图；

图2为本发明实施例1中制备的AlCrSi-O纳米复合涂层的反射曲线；

图3为本发明实施例1中制备的AlCrSi-O纳米复合涂层在空气中600℃保温200h的反射曲线；

图4为本发明实施例1中制备的AlCrSi-O纳米复合涂层的截面扫描电镜(SEM)图；

图1中：1、真空抽气口，2、Ti靶，3、加热管，4、炉门，5、工件架，6、AlCrSi靶。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，为本发明中涂层制备装置图，真空室体积为50×50×50cm，真空室设有炉门4，以方便靶材和样品的装卸。真空室设有抽真空口1，抽真空机组通过抽真空口对真空室进行抽真空，极限真空可以达到8×10^-4Pa。真空室内装有两个对称分布的加热器3，可以对真空室进行加热。在真空室的左右两边分别装有AlCrSi靶6和Ti靶2，靶电流在20～170A范围可调。工件架5可以旋转，转速在3～5rpm范围可调。

实施例1

将清洗后的不锈钢基体悬挂在工件架5上，关紧炉门4后打开抽真空设备，控制转速为3rpm。在10^-3的真空度下开始进行离子轰击，利用Ti靶对基体进行轰击清洗，工件偏压为-800V，占空比为70％，轰击时间1min；轰击结束后，沉积TiN层，降低偏压至-150V，通入流量为300sccm的氮气，流量为30sccm的氩气，打开Ti靶，电流为90A，沉积时间10min，随后关闭弧源；关闭氮气，打开氧气，流量为20sccm，提高氩气流量至80sccm，打开AlCrSi靶，电流为65A，沉积低氧吸收层，时间1min，关闭弧源；提高氧气流量至35sccm，打开AlCrSi靶，电流为65A，沉积低氧吸收层，时间1min，关闭弧源；继续提高氧气流量至150sccm，电流为65A，沉积高氧减反射层，时间2min，关闭弧源。沉积结束后自然冷却，得到四层结构的太阳能光谱选择性吸收涂层，总厚度为950纳米，涂层的吸收比为0.927，发射比为0.160。其中，低氧吸收层的氧含量为22％，中氧吸收层的氧含量为36％，高氧吸收层的氧含量为58％。将涂层在空气中于600℃下保温200h后，涂层的吸收比为0.931，发射比为0.151，650℃环境下保温10h后，涂层的吸收比为0.923，发射比为0.170。

图2为实施例1中的制备的AlCrSi-O纳米复合涂层的反射曲线：从图中可以看出，涂层在可见光波段的反射率较低，具有较高的吸收性能，在红外波段的反射率较高，发射率较低，经计算，涂层的吸收率为0.927，发射率为0.160.

图3为实施例1制备的AlCrSi-O纳米复合涂层在空气中600℃保温200h后的反射曲线：从图中可以看出，涂层在空气中600℃保温200h后，可见光波段的反射率下降，经计算，吸收率为0.931，发射率0.151，说明涂层可以在600℃的环境下使用。

图4为实施例1制备的AlCrSi-O纳米复合涂层的截面扫描电镜(SEM)图：从图中可以看出红外反射层(TiN层)、低氧吸收层以及中氧吸收层和高氧减反射层，而中氧吸收层和高氧吸收层颜色较为接近。

实施例2

将清洗后的基体悬挂在工件架上，关紧炉门后打开抽真空设备，控制转速为3rpm。在10^-3的真空度下开始进行离子轰击，利用Ti靶对基体进行轰击清洗，工件偏压为-800V，占空比为80％，轰击时间1min；轰击结束后，沉积TiN层，降低偏压至-150V，占空比为70％，通入流量为300sccm的氮气，流量为30sccm的氩气，打开Ti靶，电流为90A，沉积时间10min，随后关闭弧源；关闭氮气，打开氧气，流量为20sccm，提高氩气流量至80sccm，打开AlCrSi靶，电流为65A，沉积低氧吸收层，时间60s，关闭弧源；提高氧气流量至35sccm，打开AlCrSi靶，电流为65A，沉积低氧吸收层，时间60s，关闭弧源；继续提高氧气流量至150sccm，电流为65A，沉积高氧减反射层，时间120s，关闭弧源。沉积结束后自然冷却，得到四层结构的太阳能光谱选择性吸收涂层，总厚度为807纳米。涂层的吸收比为0.925，发射比为0.182，其中，低氧吸收层的氧含量为22％，中氧吸收层的氧含量为36％，高氧吸收层的氧含量为58％。。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：由红外高反射层、主吸收层、次吸收层、减反射层组成，所述红外高反射层为TiN层，厚度为600～740纳米；主吸收层为低氧含量的AlCrSi-O层，其氧含量为15～25％，厚度为45～55纳米；次吸收层为中氧含量的AlCrSi-O层，其氧含量为30～40％，厚度为60～70纳米；减反射层为高氧含量的AlCrSi-O层，其氧含量为50～65％，厚度为90～100纳米。

2.如权利要求1所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤3、采用Ti靶对基体进行离子轰击；

步骤4、采用Ti靶沉积红外高反射层；

3.如权利要求2所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的抽真空设备包括机械泵和分子泵，真空环境为7×10^-3Pa以下，基体转速为3～5rpm。

4.如权利要求2所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的离子轰击条件参数为：氩气环境，压强5×10-2Pa以下，偏压-700～900V，占空比70％～80％，温度150～300℃，轰击时间1～5min。

5.如权利要求2所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中沉积红外高反射层的条件参数为：氮气流量为270～350sccm，氩气流量为30～50sccm，偏压-100～200V，占空比70％～80％，工作电流80～90A，沉积时间10～20min。

6.如权利要求2所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤5中沉积主吸收层的条件参数为：氩气流量为70～100sccm，氧气流量为15～25sccm，偏压-140～160V，占空比70％～80％，工作电流60～70A，沉积时间1～3min。

7.如权利要求2所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤5中沉积次吸收层的条件参数为：氩气流量为70～100sccm，氧气流量为30～40sccm，偏压-140～160V，占空比70％～80％，工作电流60～70A，沉积时间1～3min。

8.如权利要求2所述的一种纳米复合太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤5中沉积减反射层的条件参数为：氩气流量为70～100sccm，氧气流量为145～155sccm，偏压-140～160V，占空比70％～80％，工作电流60～70A，沉积时间1～3min。