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一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层由基底层Cu镜面反射膜、中间层AlNxOy干涉吸收膜和表面层AlNxOyCz减反膜三层结构组成，具有可见一近红处光谱高吸收率、红外光谱极低发射率和真空烘烤热稳定性，适用于中温(100－300℃)工作温度真空使用环境的全玻璃真空管和热管式真空管等应用领域，使该类太阳能真空集热管具有更低热损，更高热效率的优异特性，该涂层的制备采用三靶直流磁控溅射，镀膜反应气体由氮、氧、甲烷、乙炔等调控，溅射工况稳定，重复性好，适于全玻璃真空管和热管式真空管等生产性制备。

Description

一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能的利用领域，具体地讲是一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
真空和选择性吸收涂层是提高太阳能集热器部件热效率的二条重要技术途径。利用真空技术，太阳能集热器由闷晒式、平板型等非真空形式发展至全玻璃真空管和热管式真空管等真空形式，并且在真空形式下的全玻璃真空管和热管真空管等太阳能集热器其应用范围由低温范围(≤100℃)应用向中高温范围(100-300℃)应用和高温范围(≥300℃)应用发展。这些全玻璃真空管和热管式真空管内的选择性吸收涂层也要相应适应低温、中温和高温的应用要求。太阳能选择性吸收涂层是在太阳光谱可见-近红外波段具有高吸收率，在红外波段具有低发射率的一种特殊功能薄膜，对于真空环境使用的选择性吸收涂层，既要在低温、中温和高温的使用温度条件下保持热性能，同时，也要具有真空管排气工艺时的高温烘烤热稳定性。
对于在真空环境低温范围使用的太阳能选择性吸收涂层目前已研究和广泛应用了AlN/Al渐变膜，这种膜系和工艺方法的优点是，Al单靶直流磁控溅射镀膜工作，设备操作简单，膜层吸收率较高，对在低温范围使用全玻璃真空管的比较适用，但对于中温及高温使用由于其红外发射率随温度上升明显升高，造成集热器热损增大，热效率明显下降。
为了提高高温使用范围选择性吸收涂层的热稳定性，降低红外发射率，已研究和发展了高温稳定金属双靶共溅射淀积技术，这种涂层具有W+ALN/W、SS+ALN/SS膜层结构、并在吸收层采用了干涉膜，使在高温范围内热性能稳定，吸收/发射比较小。但是，这种涂层和工艺方法的关键是必须采用高温稳定金属如W、Mo、SS，而且必须采用双电极靶共溅射，造成沉积速率低，生产周期长、工艺复杂、靶材稀贵、成本高。对于太阳能热利用的中温应用广泛范围，特别是热管式真空管的应用领域，需要一种吸收率很高，发射率很低，而且热稳定性很好的选择性吸收涂层及制备技术。
发明内容
本发明的目在于提供一种太阳能选择性吸收涂层，其具有可见一近红外光谱高吸收率、红外光谱极低发射率和真空烘烤热稳定性，适用于中温(100-300℃)工作温度。
本发明的目的还在于提供一种太阳能选择性吸收涂层的制备方法，溅射工况稳定，重复性好，适于全玻璃真空管和热管式真空管等生产性制备。
为此本发明提供一种适用于真空环境使用中温工作温度范围的选择性吸收涂层。该涂层在吸热体的表面形成三层薄膜结构。每层薄膜组成如下：
1、第一层是基底层，由以高速磁控溅射沉积形成的Cu薄膜组成，该Cu薄膜具有镜面反射，在红外波段发射率极低。
2、第二层是吸收层，由以ALNxOy为金属掺杂复合介质的干涉膜组成，其膜层相结构为氮化铝、氧化铝和掺杂金属原子铝。该干涉膜具有吸收率极高、红外发射率极低，高温性能稳定之特点。
3、第三层是表面层，由以ALNxOyCz为混合相复合介质的减反膜组成，其膜层相结构为氮化铝、氧化铝和非晶态碳。该表面层的ALNxOyCz减反膜，沉积阶段主要反应气体为氮，增加微量反应气体氧和含碳化学物CH4或C2H2。由于采用反应气体N2、O2或CH4、C2H2，该膜具有增透、耐磨、抗氧化、热稳定性好等优点。
该涂层沉积的吸热体基材可以为全玻璃真空管内层玻璃的外表面，也可以为热管式真空管金属吸热体的金属抛光基材，如Cu、AL等。
为制备该太阳能选择性吸收涂层，本发明提供了一种具有以下特点的制备方法：
1、沉积基底层Cu红外反射膜阶段，采用氩气极低压强、高功率密度的高速磁控溅射。
2、沉积吸收层干涉膜阶段，反应气体主要为氮，加微量氧，提高了热稳定性，干涉膜采用ALN加AL渗杂，一般由双层不同配比的金属掺杂复合介质组成。
3、沉积表面层减反膜阶段，反应气体主要为氮，加微量氧和含碳化合物，提高溅射速率，提高减反膜的热稳定性。
为适应本发明的制备方法，一般采用三靶或多靶装置，其中一靶为Cu，另两靶或多靶为AL，该涂层三层结构的每一层均采用同一靶材直流磁控溅射，仅仅通过调节载气气体压强、反应气体成分配比和靶功率来控制成膜工况，使之易于制备和控制。
该涂层由基底层Cu镜面反射膜、中间层AlNxOy干涉吸收膜和表面层AlNxOyCz减反膜三层结构组成，具有可见一近红外光谱高吸收率、红外光谱极低发射率和真空烘烤热稳定性，适用于中温(100-300℃)工作温度真空使用环境的全玻璃真空管和热管式真空管等应用领域，使该类太阳能真空集热管具有更低热损，更高热效率的优异特性，该涂层的制备采用三靶直流磁控溅射，镀膜反应气体由氮、氧、甲烷、乙炔等调控，溅射工况稳定，重复性好，适于全玻璃真空管和热管式真空管等生产性制备。
附图说明
图1为全玻璃真空管的剖面示意图；
图2为热管式真空管的剖面示意图；
图3为吸热体表面涂层的局部放大图；
图4为溅射镀膜装置腔体结构的剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示，全玻璃真空管包括玻璃外管10，和玻璃内管11，玻璃内管1 1的外表面沉积太阳能选择性吸收涂层12，内管11和外管10之间13为真空空间。
如图2所示，热管式真空管包括玻璃外管14和端封金属盖15，管中间为热管16，金属吸热板17与热管16压接或焊接，金属吸热板17表面沉积太阳能选择性吸收涂层18，管内19为真空空间。
图3所示为太阳能选择性吸收涂层12，其为3层结构，基底层20为高速溅射Cu镜面反射层，通过载体氩气极低压强高速直流磁控溅射工艺来沉积，其厚度范围一般在200-300nm。
吸收层21为ALNxOy干涉膜，它被沉积在反射层20上，吸收层21由掺杂金属铝和氮化铝(ALN)及微量氧化铝(AL2O3)介质组成，该吸收层又分两个次层，每一次层的掺杂金属配比和厚度不同，吸收层21的厚度范围为80-120nm。沉积阶段反应气体主要为氮，增加微量反应气体氧。该干涉膜具有吸收率极高、红外发射率极低，高温性能稳定之特点。
表面层AlNxOyCz减反膜22被沉积在吸收层21上，减反膜的作用是加强对太阳能的吸收，由氮化铝和氧化铝及非晶态碳混合相复合介质组成，该层所沉积的厚度一般在60-100nm之间。所述表面层的ALNxOyCz减反膜22，沉积阶段主要反应气体为氮，增加微量反应气体氧和含碳化学物CH4或C2H2。由于采用反应气体N2、O2或CH4、C2H2，该膜具有增透、耐磨、抗氧化、热稳定性好等优点。
如图3所示的全部涂层12在如图4所示的溅射镀膜室里沉积。
如镀膜装置示意图图4所示，溅射镀膜室23为一个圆筒形室，其里面安置有多个可公自转的托架24，托架24可绕溅射镀膜室23的中心轴以每分种3-8转的速度转动，托架24托载一个全玻璃真空管内管11，这样就可在内管11上沉积选择性吸收涂层12。三个圆柱靶电极25、26、27围绕溅射镀膜室23的中心轴等分放置，其中靶电极2 5采用铜Cu靶材，圆柱靶26、27采用铝AL或铝合金靶材。靶电极25、26、27由一水冷却挡板28隔开，以防止引起电极之间的污染。
在真空管吸热体基材表面进行沉积太阳能选择性吸收涂层12的制备全过程在一次抽真空的溅射镀膜室23内进行，溅射镀膜室抽真空至10-3-10-4Pa，通入载气氩气至10-1-102Pa，对铝靶通电进行清洗予溅射并断电，然后对铜靶通电予溅射并加大功率密度，使涂层厚度至200-30Onm，形成基底层20，然后铜靶断电，通以氩气和微量氧气，对二个铝靶同时通电，使吸收层第一次层形成氮化铝和金属相铝及氧气铝的掺金属介质层，一段时间后改变氮气流量值，形成吸收层第二次层的不同配比的掺金属介质层，两次层叠加形成吸收层21，厚度为80-120nm，然后转至表面层的溅射沉积，在二个铝靶继续通电情况下，改变氮气流量使靶电压下降至平直段，并充以微量的含碳化物CH4(或C2H2)，形成表面层减反膜22，该层为氮化铝、氧化铝和非晶态碳的混合相介质，该层厚度为60-100nm。最后断开靶电源和各种气源，恢复真空至10-3-10-4Pa完成全部涂层制备过程。
上述实施例为本发明的具体实施方式，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。

Claims (10)

1、一种太阳能选择性吸收涂层，由三层薄膜结构组成，其特征在于，基底层为Cu镜面反射膜，中间层为ALNxOy干涉吸收膜，表面层为ALNxOyCz减反膜。
2、如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的基底层Cu镜面反射膜，采用载气氩气极低压强、高功率密度的高速磁控溅射沉积而成。
3、如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的中间层由ALNxOy金属掺杂复合介质的干涉膜组成，沉积阶段反应气体主要为氮，增加微量反应气体氧。
4、如权利要求3所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的中间层由二个次层叠加形成，每一次层为不同配比金属掺杂的复合介质。
5、如权利要求4所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述中间层吸收膜的复合介质组成为掺杂金属铝原子的氮化铝及微量氧化铝。
6、如权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述表面层的ALNxOyCz减反膜，沉积阶段主要反应气体为氮，增加微量反应气体氧和含碳化学物CH4或C2H2。
7、如权利要求6所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，表面层ALNxOyCz减反膜的结构组成为氮化铝、氧化铝和非晶态碳的混合相介质。
8、一种制备太能选择性涂层的方法，其包括下述三个步骤：
(a)用极低载气压强、高功率密度高速磁控溅射将纯铜金属薄膜沉积在真空集热管的吸热体基材上。
(b)用单金属靶材直流反应溅射在上述铜薄膜上沉积ALNxOy干涉膜吸收层。
(c)用单金属靶材直流反应溅射在上述吸收层上沉积ALNxOyCz减反膜表面层。
9、如权利要求8所述的制备太阳能选择性涂层的方法，其特征在于，上述步骤中，采用三靶或多靶溅射金属膜装置，其中一靶为Cu，另二靶或多靶为AL，每一步骤均采用一种金属靶材，反应溅射仅仅通过调节载气气体压强，反应气体成分配比和靶功率来控制成膜工况。
10、如权利要求8所述的制备太阳能选择性涂层的方法，其特征在于，所述的全部涂层制备过程在一次抽真空的溅射镀膜室内完成。
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