CN1300370C

CN1300370C - 太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法

Info

Publication number: CN1300370C
Application number: CNB2004100208025A
Authority: CN
Inventors: 朱德永
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: CN1594647A

Abstract

一种太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，将基体放置在真空溅射室内，以金属或硅为靶材，使吸收层溅射靶溅射出金属或硅，在真空溅射室内通入氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气、乙炔中任意一种或任意二种或任意三种作为反应气体，使金属或硅及其与反应气体生成的反应物的混合物沉积在基体表面形成吸收层；以氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气中任意一种或任意二种或任意三种作为反应气体，在真空溅射室内通入硅烷，反应气体与硅烷的流量比为2∶1～8∶1，以铝或硅或活泼过渡元素金属为靶材，在减反射层溅射靶表面周围形成辉光放电区，在吸收层上沉积减反射层。优点是吸收比高、发射比低、沉积速率快，生产效率高。

Description

太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法

技术领域

本发明涉及到一种可吸收太阳光、应用在太阳能热利用领域的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法。

背景技术

太阳光谱选择性吸收涂层应用于太阳能集热器集热表面，主要由红外高反射层、吸收层和减反射层构成，其中减反射层的作用是降低物体表面对入射光的反射，增加物体表面对光的吸收，增加吸收效率；红外高反射层减少集热器内部向外辐射，降低热损失；吸收层用于吸收太阳光，给集热器提供热源。在太阳能的光热转换中，选择性吸收涂层的吸收层中的介质的折射率要尽可能低，减反射层的折射率也要尽可能低，这样才能获得光热转换效率较高的太阳能选择性吸收涂层，但同时也要注重介质的沉积速率不能过低，以免影响生产效率。

美国专利No4,339,484中公开了一种太阳能选择性吸收涂层，它是通过两个阴极靶沉积红外高反射底层与吸收层。其存在以下不足之处：1、制备涂层要用两个柱状阴极或两个平板阴极(铜与不锈钢阴极)，两个阴极间有一个很大的屏蔽板，以免两个阴极相互交叉污染，因而溅射系统结构复杂。2、屏蔽板拦截了一半的溅射流，使沉积利用率大为降低。3、在同样的溅射室内，两个阴极占有较大的空间，降低了生产效率。4、由于没有减反射层，太阳吸收比低，热效率低。

中国专利CN85100142公开了一种溅射太阳能选择性吸收涂层及制造方法，它给出了使用单个铝靶阴极来沉积太阳能选择性吸收涂层中高反射底层与高吸收外层，所述的太阳能选择性吸收涂层具有较好的选择吸收特性，然而该涂层性能与沉积方法存在以下不足之处：1、该涂层由于使用铝作为吸收涂层中的导电粒子，容易氧化和发生扩散，使其不适用于平板太阳能集热器和中高温太阳能真空集热管。2、在该涂层的制备过程中，由于加了减反射层，才使得其吸收效率达到0.93，而在涂层的制备过程中，采用磁控反应溅射或射频反应及中频反应溅射方法，利用金属或非金属靶材，由于靶中毒，造成减反射层的沉积速率非常低，使生产效率大大降低。

由于减反射层的生产效率低，目前在市场上的绝大多数太阳能集热器都不采用设有减反射层的太阳光选择性吸收涂层，即使增加了减反射层，减反射层的厚度小于30nm，并无明显的减反射效果，其吸收率一般在0.86-0.90之间。

发明内容

本发明是要提供一种吸收比高、发射比低、沉积速率快，生产效率高，应用在太阳能热水集热器上可达到温升快、热效率高的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法。

本发明是这样实现的：将基体放置在真空溅射室内，以金属Pt、Au、Cu、Ni、Al、Fe、Co、Mo、Ta、Nb、Cr、W、Ru、Cs、Ti或硅为靶材，使吸收层溅射靶溅射出金属或硅，在真空溅射室内通入反应溅射沉积吸收层的反应气体，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体为氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气、乙炔中任意一种或任意二种或任意三种，使金属或硅及其与反应气体生成的反应物的混合物沉积在基体表面，形成吸收层，所述的吸收层厚度为100-150nm；以氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气中任意一种或任意二种或任意三种作为沉积减反射层的反应气体，在真空溅射室内同时通入硅烷，所述的沉积减反射层的反应气体与硅烷的流量比为2∶1～8∶1，以铝或硅或活泼过渡金属为靶材，在减反射层溅射靶表面周围形成辉光放电区，在吸收层上沉积减反射层，所述的减反射层厚度为40nm-100nm。

根据上述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，在沉积吸收层时，通入的反应溅射沉积吸收层的反应气体同时还加入硅烷，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体与硅烷的流量比2∶1～8∶1。

根据上述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的基体为非远红外高反射材料时，在沉积吸收层之前，以远红外高反射金属材料为靶材，通过红外高反射层溅射靶先在基体表面沉积红外高反射金属底层，形成红外高反射层，所述的红外高反射层的厚度为60nm-200nm。

根据上述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的吸收层溅射靶和减反射层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属或硅。

根据上述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的红外高反射溅射靶、吸收层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属。

根据上述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的红外高反射溅射靶、吸收层溅射靶和减反射层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属。

根据上述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的活泼过渡金属为钛或镍或镍钛合金。

本发明的优点是：

1、在沉积减反射层时，以氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气作为沉积减反射层的反应气体，同时通入硅烷，在金属或硅溅射靶周围的辉光放电区电离硅烷和反应气体，在辉光放电区直接沉积反应生成的硅化物，在沉积的减反射层中主要成分是硅化物，沉积的减反射层折射率小、吸收效率高，减反射层沉积速率快，生产效率高，从而可增加减反射层厚度，以提高吸收效果；使用该方法生产的太阳光谱选择性吸收涂层的吸收比可达到0.96以上，而发射比低于0.06；应用在太阳能集热器上具有温升快、热损小以及热效率高的特点。

2、若采用钛靶或镍靶或镍钛合金靶时，采用单个溅射靶就可实现在高、中、低温真空管表面以及平板太阳能集热板表面沉积太阳能选择性吸收涂层。

3、在沉积吸收层时，通入硅烷，可降低吸收层折射率，进一步提高整个吸收涂层的吸收效率。

附图说明

图1是采用本发明(基体采用远红外高反射材料)制得的太阳光谱选择性吸收涂层结构示意图；

图2是采用本发明(基体采用非远红外高反射材料)制得的太阳光谱选择性吸收涂层结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，以远红外高反射(300℃时发射比小于0.1)的金属，如铂、金、铜、镍、铝、钼、钛之一为基体1放置在真空溅射室内，根据靶材设定好溅射电流、氩气流量、真空溅射室内压强等条件，采用真空溅射方法，以金属如Pt、Au、Cu、Ni、Al、Fe、Co、Mo、Ta、Nb、Cr、W、Ru、Cs、Ti或Si为靶材，在吸收层溅射靶溅射出金属或硅，在真空溅射室内通入反应溅射沉积吸收层的反应气体，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体为氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气、乙炔中任意一种或任意二种或任意三种，其间任意配比。使金属或硅及其与反应气体生成的反应物的混合物沉积在基体1表面，形成吸收层2，所述的吸收层2厚度为100-150nm，且吸收层2由若干个吸收子层构成，通过改变反应气体的流量，使各吸收子层内的金属或硅的含量不同，以提高吸收层2的干涉吸收效果。以吸收层2体积为100％计，在吸收层2中金属或硅含量为5～75％，金属或硅与反应气体生成的反应物含量为95～25％；以铝或硅或活泼过渡金属为减反射层溅射靶靶材，所述的活泼过渡金属如Ni、Fe、Co、Mo、Ta、Nb、Cr、W、Ru、Cs，以氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气中任意一种或任意二种或任意三种作为沉积减反射层的反应气体通入真空溅射室内，所述的氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气之间任意配比，同时在真空溅射室内通入硅烷，所述的沉积减反射层的反应气体与硅烷的流量比为2∶1～8∶1，在靶材表面周围形成辉光放电区，在吸收层2上沉积形成减反射层3，所述的减反射层3厚度为40nm-100nm。当靶材为铝或活泼过渡金属或硅时，所述的吸收层溅射靶和减反射层溅射靶可共用一个溅射靶，所述的活泼过渡金属同上所述。该实施例中，所述的反应溅射沉积吸收层及沉积减反射层的反应气体使用氧气，沉积的吸收层2和减反射层3的吸收率最高。

实施例2：

在实施例1中，沉积吸收层时，通入的反应溅射沉积吸收层的反应气体同时，还加入硅烷，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体与硅烷的流量比2∶1～8∶1，以降低吸收层折射率，提高吸收效率。

实施例3：

如图2所示，将非远红外高反射金属(300℃时发射比大于或等于0.1)或非金属材料，如不锈钢、玻璃为基体1放置在真空溅射室内，根据靶材确定好溅射电流、氩气流量、真空溅射室内压强等工艺条件，采用真空溅射方法，以远红外高反射(300℃时发射比小于0.1)的金属，如铂、金、铜、镍、铝、钼、钛之一为靶材，通过红外高反射层溅射靶先在基体1表面沉积红外高反射金属底层，形成红外高反射层4，红外高反射层4的厚度为60nm-200nm。以金属如Pt、Au、Cu、Ni、Al、Fe、Co、Mo、Ta、Nb、Cr、W、Ru、Cs、Ti或Si为靶材，在吸收层溅射靶溅射出金属或硅，在真空溅射室内通入反应溅射沉积吸收层的反应气体，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体为氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气、乙炔中任意一种或任意二种或任意三种，其间任意配比。使金属或硅及其与反应气体生成的反应物的混合物沉积在基体1表面，形成吸收层2，所述的吸收层2厚度为100-150nm，且吸收层2由若干个吸收子层构成，通过改变反应气体的流量，使各吸收子层内的金属或硅的含量不同，以提高吸收层2的干涉吸收效果。以吸收层2体积为100％计，在吸收层2中金属或硅含量为5～75％，金属或硅与反应气体生成的反应物含量为95～25％。以铝或硅或活泼过渡金属为减反射层溅射靶靶材，所述的活泼过渡金属如Ni、Fe、Co、Mo、Ta、Nb、Cr、W、Ru、Cs，以氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气中任意一种或任意二种或任意三种作为沉积减反射层的反应气体通入真空溅射室内，所述的氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气之间任意配比，同时在真空溅射室内通入硅烷，所述的沉积减反射层的反应气体与硅烷的流量比为2∶1～8∶1，在靶材表面周围形成辉光放电区，在吸收层2上沉积形成减反射层3，所述的减反射层3厚度为40nm-100nm。所述的红外高反射溅射靶、吸收层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属。该实施例中，所述的反应溅射沉积吸收层及沉积减反射层的反应气体使用氧气，沉积的吸收层2和减反射层3的吸收率最高。

实施例4：

在实施例3中，沉积吸收层2时，通入反应溅射沉积吸收层的反应气体同时，还加入硅烷，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体与硅烷的流量比2∶1～8∶1，以降低吸收层折射率，提高吸收效率。

实施例5

如实施例3或实施例4所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的红外高反射溅射靶、吸收层溅射靶和减反射层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属，所述的活泼过渡金属同上所述。

实施例6

如实施例6所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，所述的活泼过渡金属指钛或镍或镍钛合金。

Claims

1、一种太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：将基体放置在真空溅射室内，以金属Pt、Au、Cu、Ni、Al、Fe、Co、Mo、Ta、Nb、Cr、W、Ru、Cs、Ti或硅为靶材，使吸收层溅射靶溅射出金属或硅，在真空溅射室内通入反应溅射沉积吸收层的反应气体，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体为氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气、乙炔中任意一种或任意二种或任意三种，使金属或硅及其与反应气体生成的反应物的混合物沉积在基体表面，形成吸收层，所述的吸收层厚度为100-150nm；以氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、四氟化碳、空气中任意一种或任意二种或任意三种作为沉积减反射层的反应气体，在真空溅射室内同时通入硅烷，所述的沉积减反射层的反应气体与硅烷的流量比为2∶1～8∶1，以铝或硅或活泼过渡金属为靶材，在减反射层溅射靶表面周围形成辉光放电区，在吸收层上沉积减反射层，所述的减反射层厚度为40nm-100nm。

2、根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：在沉积吸收层时，通入反应溅射沉积吸收层的反应气体同时还加入硅烷，所述的反应溅射沉积吸收层的反应气体与硅烷的流量比2∶1～8∶1。

3、根据权利要求1或2所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：所述的基体为非远红外高反射材料时，在沉积吸收层之前，以远红外高反射金属材料为靶材，通过红外高反射层溅射靶先在基体表面沉积红外高反射金属底层，形成红外高反射层，所述的红外高反射层的厚度为60nm-200nm。

4、根据权利要求1或2所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：所述的吸收层溅射靶和减反射层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属或硅。

5、根据权利要求3所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：所述的红外高反射溅射靶、吸收层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属。

6、根据权利要求3所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：所述的红外高反射溅射靶、吸收层溅射靶和减反射层溅射靶共用一个溅射靶，且该溅射靶靶材为铝或活泼过渡金属。

7、根据权利要求6所述的太阳光谱选择性吸收涂层的沉积方法，其特征是：所述的活泼过渡金属为钛或镍或镍钛合金。