CN1508007A - 太阳能选择性吸收膜构造及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能选择性吸收膜构造具有位于一反射金属层上的单一陶瓷金属合金(cermet)薄膜。该薄膜具有一介于150－400nm的厚度，其中该薄膜通过热氧化而形成具有由其曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率的部份。
Description
技术领域
本发明是关于一种太阳能选择性吸收膜构造，尤其有关一种太阳能选择性吸收膜构造包含一单一陶瓷金属合金(cermet)薄膜，其中该薄膜通过热氧化而形成具有由其曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率(金属体积百分率渐增)的部份。
背景技术
陶瓷金属合金可借助调变陶瓷中不同的金属体积分率而拥有许多有趣的光学性质，目前已广泛的应用于太阳能选择性吸收膜。镀覆渐变式陶瓷金属合金于高反射基板上，可使试片的反射光谱于太阳光波长范围内有多个破坏性干涉，获得非常高的太阳光吸收率0.95及低放射率0.05。澳洲雪梨大学Zhang等研究人员于美国专利5523132发表了新式太阳能选择性吸收膜结构，此结构包含玻璃基板/高反射金属层/高金属体积分率陶瓷金属薄膜/低金属体积分率陶瓷金属合金薄膜/陶瓷抗反射层，目前已利用批次式镀膜机台大量生产而达到商业化。但制备大面积吸热板时，批次式镀膜机台并不适用。对镀覆大面积的卷筒对卷筒(roll to roll)连续式镀膜制程而言，不论是渐变式陶瓷金属合金结构或是Zhang等人发表的新式结构均会使制程趋于复杂，尤其镀覆多层膜时需要多个真空腔体更是大幅提升了制备成本。渐变式陶瓷金属合金结构或是Zhang等人发表的新式结构均需要于表层镀覆一层约70nm的陶瓷抗氧化层，然而溅镀陶瓷薄膜所需的功率远远高于溅镀金属所需的功率，使得制备吸收膜时需要较长的溅镀时间或是较大耗电功率。
因此，单层膜的选择性吸收膜将会是具有低成本与适合卷筒对卷筒(roll to roll)连续式镀膜制程大量生产的解决方案。
发明内容
本发明提出一种太阳能选择性吸收膜构造，包含：位于一反射金属层上的单一陶瓷金属合金(cermet)薄膜，该薄膜具有一介于150-400nm的厚度，其中该薄膜具有由其曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率。
较佳的，该氧原子百分率渐渐降低的部份具有由80％氧原子百分率降低至35％的梯度。
较佳的，该氧原子百分率渐渐降低的部份是通过热氧化而形成。
较佳的，该单一陶瓷金属合金的金属部份是选自Al，Cu，W，不锈钢，Cr，Ni，Mo，Ti，Co及Au所组成的族群；及陶瓷部份是选自AlN，SiO2，Al2O3，CuO，WO3，CrO，镍氧化物，TiO2及钛氮化物所组成的族群。更佳的，该单一陶瓷金属合金为Al-AlN，且Al的原子百分率为35-45％及N的原子百分率为3-20％，及氧的原子百分率为60-35％。
较佳的，该单一陶瓷金属合金薄膜对太阳能具有0.8-0.98的吸收率为及0.01-0.2的放射率。
本发明揭示一种新的单层太阳能选择性吸收膜构造的制备方法，包含下列步骤：镀覆单层陶瓷金属合金薄膜于反射性基板上，该薄膜具有一介于150-400nm的厚度；再将基板连同所镀覆的薄膜于一含氧气气氛下做加热处理以加速薄膜表面氧化，使薄膜表面金属部份氧化形成陶瓷结构，于是获得一具有由曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率的单层太阳能选择性吸收膜构造，该构造对太阳能具有0.8-0.98的吸收率为及0.01-0.2的放射率。
较佳的，该含氧气气氛为空气。
较佳的，该热处理是于300-800℃进行10秒-10分钟的时间。
较佳的，该镀覆是溅镀。
附图说明
图1.为本发明的太阳能选择性吸收膜构造于热氧化处理前的示意剖面图。
图2.为本发明的太阳能选择性吸收膜构造于热氧化处理后的示意剖面图。
图3.显示于本发明的第一实施例中，热氧化处理前的Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的原子百分率与深度的关系，其中标示为01的曲线代表氧的原子百分率；标示为A11的曲线代表铝的原子百分率；及标示为N1的曲线代表氮的原子百分率。
图4.显示于本发明的第一实施例中，热氧化处理后的Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的原子百分率与深度的关系，其中标示为01的曲线代表氧的原子百分率；标示为Al1的曲线代表铝的原子百分率；及标示为N1的曲线代表氮的原子百分率。
附图标记
10.反射金属层
20.热氧化处理前的单一均质(homogenous)陶瓷金属合金薄膜
20a.热氧化处理后的单一非均质(inhomogenous)陶瓷金属合金薄膜
具体实施方式
太阳能选择性吸收膜就是对太阳的辐射能具有良好的吸收性，而同时只有少量的热红外线幅射能离开此太阳能选择性吸收膜。此太阳能选择性吸收膜所吸收的能量大小及可达的最高温度，由太阳能选择性吸收膜对太阳光的吸收率(α)及其热红外线放射率(ε)的比例而决定。当(α/ε)＝10时，T＝612K＝340℃。当(α/ε)＝1时，T＝343K＝70℃。当(α/ε)＝20时，T＝728K＝456℃。T为膜的表面温度。
本发明揭示一种新的单层太阳能选择性吸收膜构造，及一种新的单层太阳能选择性吸收膜构造的制备方法。首先镀覆单层陶瓷金属合金薄膜于反射性基板上，再将基板于大气下做加热处理以加速薄膜表面氧化。表面形成的陶瓷层可同时视为良好的抗反射层和抗氧化层，由于氧气渐变式的侵入该单层陶瓷金属合金薄膜，于是可得到具有高效能表现的金属体积分率渐变式选择性吸收膜构造。
本发明的一较佳具体实施方式参考图1及图2说明如下：
1.于反射金属层10上镀覆均质单层陶瓷金属合金薄膜20，如图1所示；
2.将薄膜置于大气环境下作热处理，使薄膜表面金属部份氧化以形成陶瓷结构，于是获得一具有由曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率的单一陶瓷金属合金薄膜结构20a，如图2所示。
本发明的单层陶瓷金属合金薄膜于加热后更趋于热稳定状态，具有良好的热稳定性；薄膜表面金属部份渐变式的氧化形成陶瓷结构，形成具有高效能的金属体积分率渐变式选择性吸收膜结构；及薄膜表面金属部份氧化形成的陶瓷结构，可视为良好的抗反射层与抗氧化层。高热与氧气侵入为选择性吸收膜衰坏的一大主因，本发明提出的选择性吸收膜因已先行于高热环境下作热处理，使其整体结构与光学性质更趋于热稳定状态，拥有相当好的热稳定性。
实施例1
以丙酮(十分钟超音波震荡)/纯水(十分钟超音波震荡)/异丙醇(十分钟超音波震荡)/纯水(十分钟超音波震荡)/氮气吹干玻璃基板的程序清洗一玻璃基板。将玻璃基板置于真空腔体内，采用铝靶及以DC溅镀方式将铝金属溅镀于该玻璃基板上，腔体内抽至10-5Torr真空，铝溅镀功率130W，时间30分钟，溅镀时通入20SCCM氩气做为工作气体，工作压力为3mTorr。所获得的铝反射金属层具有约300nm的厚度。采用铝靶及氮化铝靶以RF方式将Al-AlN共溅镀于该铝反射金属层上，腔体内抽至1×10-4Torr真空，其中残留氧气做为溅镀反应气体。铝靶溅镀功率为100W及氮化铝靶溅镀功率为250W，共溅镀时间15分钟，溅镀时通入40SCCM氩气做为工作气体，工作压力为10mTorr。所获得的Al-AlN陶瓷金属合金薄膜具有约250nm的厚度。
图3显示该Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的AES(Auger spectroscopy)纵深分析，其中横轴为溅镀时间(分钟)及纵轴为原子百分率(atom％)。从图3可以看出氧的原子百分率(标示为01的曲线)除了开始的两分钟内急速下降外，其余均维持在40％上下变动。
前述具有铝反射金属层及Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的玻璃基板于大气下以每分钟13℃的升温速率加热至450℃，于450℃持温10分钟，再以每分钟约25℃的速率降至室温，而完成热氧化处理。
图4显示热氧化处理后该Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的AES纵深分析，从其中可以看出氧的原子百分率(标示为01的曲线)从约58％降至42％(溅镀时间约第16分钟)。由于氧的侵入，造成Al-AlN陶瓷金属合金薄膜中的一部份铝被氧化，于是接近其曝露表面部份金属体积百分率最低随着深度方向渐增加。
采用日立公司型号U-4001的5°角绝对反射模块量测该热氧化处理后Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的反射率，并计算出其对太阳辐射的吸收率(α)为0.88。另以D&S AE meter测得其对太阳辐射的放射率(ε)为0.03，α/ε值为29。
实施例2
使用一清洁过铜基板进行铝反射金属层及Al-AlN陶瓷金属合金薄膜的溅镀，其中溅镀的条件均与实施例1相同，除了Al-AlN共溅镀时间缩短为12分钟。所获得的Al-AlN陶瓷金属合金薄膜亦以相同于实施例1的条件进行热氧化处理。实施例2的热氧化处理后Al-AlN陶瓷金属合金薄膜具有0.93的太阳辐射吸收率(α)，及0.03的太阳辐射放射率(ε)。
Claims (10)
1.一种太阳能选择性吸收膜构造，包含：位于一反射金属层上的单一陶瓷金属合金(cermet)薄膜，该薄膜具有一介于150-400nm的厚度，其中该薄膜具有由其曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率。
2.如权利要求1所述的构造，其中该氧原子百分率渐渐降低的部份具有由80％氧原子百分率降低至35％的梯度。
3.如权利要求1或2所述的构造，其中该氧原子百分率渐渐降低的部份是通过热氧化而形成。
4.如权利要求1所述的构造，其中该单一陶瓷金属合金的金属部份系选自Al，Cu，W，不锈钢，Cr，Ni，Mo，Ti，Co及Au所组成的族群；及陶瓷部份是选自AlN，SiO2，Al2O3，CuO，WO3，CrO，镍氧化物，TiO2及钛氮化物所组成的族群。
5.如权利要求4所述的构造，其中该单一陶瓷金属合金为Al-AlN，且Al的原子百分率为35-45％及N的原子百分率为3-20％，及氧的原子百分率为60-35％。
6.如权利要求1或2所述的构造，其中该单一陶瓷金属合金薄膜对太阳能具有0.8-0.98的吸收率为及0.01-0.2的放射率。
7.一种单层太阳能选择性吸收膜构造的制备方法，包含下列步骤：镀覆单层陶瓷金属合金薄膜于反射性基板上，该薄膜具有一介于150-400nm的厚度；再将基板连同所镀覆的薄膜于一含氧气气氛下做加热处理以加速薄膜表面氧化，使薄膜表面金属部份氧化形成陶瓷结构，于是获得一具有由曝露表面往深度方向渐渐降低的氧原子百分率的单层太阳能选择性吸收膜构造，该构造对太阳能具有0.8-0.98的吸收率为及0.01-0.2的放射率。
8.如权利要求7所述的方法，其中该含氧气气氛为空气。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中该热处理是于300-800℃进行10秒-10分钟的时间。
10.如权利要求7所述的方法，其中该镀覆是溅镀。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060329 |