CN209144240U - 一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层，特别是涉及一种辐射率低，太阳光谱吸收率α与红外辐射率ε(T)之比高的，基于金属及金属氮化物吸收的太阳光谱选择性吸收涂层。一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层依次包括：基底层、红外反射层、吸收层、过渡层和减反层，吸收层包括第一吸收亚层和第二吸收亚层。本实用新型的一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层至少具有下列特点：保证了涂层具有低红外辐射率，提高了涂层整体的吸收率，涂层选材在太阳光谱能量范围内均有吸收作用，有效降低了太阳光在吸收层表面的反射；有效降低了光线在涂层内部界面处的反射；有效提高了涂层整体的制备效率，提高了生产产能。

Description

一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层

技术领域

本实用新型涉及一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层，特别是涉及一种辐射率低，太阳光谱吸收率α与红外辐射率ε(T)之比高的，基于金属及金属氮化物吸收的太阳光谱选择性吸收涂层。

背景技术

太阳光谱选择性吸收涂层是太阳能光热转换集热器的的核心材料。它在太阳光辐射范围内(0.3μm-2.5μm)具有高的吸收性能，吸收太阳光将其转换为热能，同时，在红外热辐射波段(主要在2μm-50μm)具有低的辐射性能，从而达到高效抑制辐射散热的效果。衡量太阳光谱选择性吸收涂层性能的重要指标主要有：太阳光谱吸收率α、红外辐射率ε(T)，以及吸收率与辐射率的比值α/ε。

目前太阳能集热器采用的光谱选择性涂层膜系结构均包含三大功能层：红外反射层、太阳光谱吸收层、表面减反射层。其中，红外反射层的作用为保证涂层具有低辐射特性，太阳光吸收层的作用为吸收太阳光并将其转化成热，表面减反层的作用主要为降低太阳光在涂层表面的反射，增加了太阳光谱吸收率。

目前市场上出现的选择性吸收涂层中吸收层材料主要有NiCrNxOy、TiNxOy、Cr₂O₃-Cr、AlN-Al(NiOx、TiN)、Al(Mo、W、Ni、Co)-Al₂O₃、Al₂O₃-Mo-Al₂O₃等，常见的吸收层结构主要以梯度渐变吸收型与干涉吸收型最为常见。例如，中国专利公开号CN101240944A、CN201196495Y中，通过精确调控氮氧元素比例，获得梯度渐变吸收型的TiNxOy选择性吸收涂层，吸收率可达96％，辐射率4％，α/ε(80℃)为24，其主要工作温度区间为200℃以下。梯度渐变型吸收膜系需要精确控制复合吸收层中每个吸收亚层中各种元素的含量成渐变趋势，提高了制备工艺的复杂性及设备控制精度要求。中国专利CN103547871A中提到一种Al₂O₃-Mo-Al₂O₃金属氧化物与薄金属组成的干涉吸收型涂层，若吸收层为单层吸收的干涉膜系时吸收率大于80％，辐射率小于20％；若吸收层为双层吸收的干涉膜系时吸收率大于90％，辐射率小于10％。干涉吸收型涂层，单层吸收结构简单，但性能较低，为了获得较高的使用性能则需要双层或多层吸收，但提高了涂层结构与制备工艺的复杂程度。本实用新型提出了一种适合中低温使用的太阳光谱选择性吸收涂层，该吸收涂层的吸收层结构简单，由金属及金属氮化物组成，同时在吸收层与减反层之间引入非完全氧化物过渡层，降低了层间界面处的反射，同时由于过渡层材料沉积速率大于减反层材料，从而提高了涂层的制备效率。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种具有“红外反射层-双吸收层-过渡层-减反层”膜系结构的太阳光谱选择性吸收涂层。其特点在于1.膜系具有优异的光谱选择性。吸收波段-反射波段的过渡区带宽窄，膜系吸收率>94％，辐射率<4％，适用于中低温太阳能热水器用光热转换集热器；2.吸收层由金属吸收亚层与金属氮化物吸收亚层双层组成，结构简单，工艺复杂度低；3.在吸收层与减反层间引入高沉积速率的过渡层，降低了涂层内部层间界面处光线反射的同时提高了涂层的制备效率；4.涂层整体结构简单，制备工艺复杂度低、镀膜设备所需条件要求低，适用于大规模低成本生产。

为了实现上述实用新型目的，本项目采用以下技术方案：

依据本实用新型提出的一种太阳光谱选择性吸收涂层，依次包括：基底层、红外反射层、吸收层、过渡层和减反层，所述的吸收层包括第一吸收亚层和第二吸收亚层。

为了实现上述实用新型目的，本项目还采用以下的技术方案：

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述第一吸收亚层为金属吸收亚层，厚度为20nm-40nm；

所述第二吸收亚层为氮化物吸收亚层，厚度为20nm-40nm。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述的金属吸收亚层材料为Cr，且300-2500nm范围内折射率处于0.9-4.6之间，消光系数处于2.5-4.6之间。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述的氮化物吸收亚层材料为CrNx，其中0.9<x<1.3，300nm-2500nm波长范围内折射率处于2.0-4.6之间，消光系数处于0.7-1.8之间。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述的红外反射层至少为Al、Cu、Au、Ag、Ni、Cr中的一种金属，厚度为50-200nm。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述的过渡层为非完全氧化的氧化锌锡，在300nm-2500nm波长范围内，折射率处于2.3-1.8之间，消光系数小于0.2，厚度为40-60nm。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述减反层为应至少为SiO₂、Al₂O₃、ThO₂、Dy₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、MgO或Sm2O3中的一种，厚度为50-150nm。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中过渡层与减反层的总厚度≥90nm。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层，其中所述的基底层为玻璃或者铝、铜、不锈钢，厚度为0.2-10mm。

借由上述技术方案，本实用新型的一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层至少具有下列特点：

1)本实用新型优选金属Al作为红外金属反射层，整个光波波段(太阳光波段和热辐射红外波段)范围内与红外辐射性能相近的的金、银、铜等高电导率金属，具有较高折射率和消光系数，由此，在保证选择性吸收涂层在具有低红外辐射率的同时，Al层的引入起到了对太阳光吸收进一步吸收的作用，从而提高了涂层整体的吸收率。

2)本实用新型所公开的太阳光谱选择性吸收涂层选取在太阳光谱能量范围(波长300nm-2500nm)内均有吸收作用，并且在可见光与近红外波段减反层、过渡层、CrNx吸收层、Cr吸收层折射率逐层升高，有效降低了太阳光在折射率较高的吸收层表面的反射，最终达到吸收率94％以上。

3)本实用新型所公开的太阳光谱选择性吸收涂层，在吸收层与减反层之间引入了非完全氧化的ZnSnOx过渡层，该过渡层材料折射率大于减反层材料折射率，小于吸收层材料折射率，有效降低了光线在涂层内部界面处的反射；同时该过渡层沉积速率大于常见的完全氧化物介质层沉积速率，能够有效提高涂层整体的制备效率，提高生产产能。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚阐明本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下列出本实用新型的一个较佳实施例红外反射层Al-吸收亚层Cr-吸收亚层CrNx-过渡层ZnSnOx-减反层SiO₂并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型的实施例提出的太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图。

图2是本实用新型的实施例和传统选择性吸收涂层的反射光谱图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及效果,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的太阳光谱选择性吸收涂层给出具体实施方式与测试结果，详细说明如下。

图1所示为本实用新型提出的太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图。该太阳光谱选择性吸收涂层依次包括基底1、红外反射层2、吸收层3、过渡层4和减反层5。

所述的基底1可采用厚度范围为0.5-10mm的玻璃板；也可采用厚度范围为0.2-2mm的金属材料，例如铜、铝或者不锈钢。为增加基底1的表面活性，需要经机械清洗后进行射频离子清洗，从而去除基底层表面的污染层和氧化层。

所述的红外反射层2设置于基底之上，该红外反射层2的作用在于对入射的整个波段的光谱进行反射，特别是对红外光谱，尤其是波长2.5微米以上的红外光进行反射，同时降低涂层整体的热辐射效应。该红外反射层的材质为铝，厚度优选80nm-120nm。

所述的吸收层3设置于红外反射层之上，结构为内层金属Cr吸收亚层与外层氮化物CrNx吸收亚层组成的双吸收层，厚度优选为60nm-90nm。该层主要光学特征为在太阳光全波段内均存在吸收作用，能够对入射的太阳光有效吸收，提高涂层整体吸收率。

所述的过渡层4设置于吸收层之上，材料选用非完全氧化的氮氧化物或氧化物，优选ZnSnO_x，厚度优选40-60nm。该层的主要作用是降低吸收层与减反层间的折射率变化梯度从而降低光线在涂层内部界面的反射，降低减反层厚度，提升涂层整体制备效率。

所述的减反层5设置于过渡层之上，材料选择理想化学配比的介质材料，优选SiO₂，厚度优选60-100nm。该层的主要作用是降低涂层表面与空气的折射率梯度，从而降低光线进入涂层的反射作用，提升涂层整体吸收率。

制备方法

本实用新型还提出一种制备上述太阳光谱选择性吸收涂层的方法，该方法包括以下步骤：

基底的制备，选择抛光的金属板或者玻璃板，经过机械清洗后进行射频氩离子清洗去除表面污染层和氧化层，增进基底表面活性。

红外反射层的制备，通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的基底层表面制备一层金属红外反射层，所选用的靶材可为金属铝(纯度99.7％以上)。

吸收层的制备，通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的红外反射层上制备吸收层，所选用的靶材为金属Cr(纯度99.7％以上)。

过渡层的制备，通过(脉冲)直流反应磁控溅射法在上述的吸收层上制备过渡层，所选用的靶材为ZnSn靶(Zn含量50％wt，Sn含量50wt％，纯度99.7％以上)。

减反层的制备，通过(脉冲)直流反应磁控溅射法在上述的过渡层上制备减反层，所选用的靶材为硅铝靶(铝含量30％wt，纯度99.7％以上)。

实施例

表1为磁控溅射法制备一种双吸收层-过渡层光谱选择性吸收涂层的实施例中各单层膜的工艺控制厚度。

表1

按照上述制备方法进行实施例的制备，具体操作步骤如下：

1)玻璃基片的清洗：首先采用中性洗涤液对玻璃基片进行初步清洗；然后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击玻璃基片表面进行二次清洗，其工艺参数设置如下：射频电源溅射功率为200w，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为45sccm，工作气压为9×10^-2mTorr，溅射时间为300s。

2)将玻璃基片经由镀膜设备进片室传送进入溅射室，其中溅射室的本底真空优于4×10^-6Torr。

3)在玻璃基片上制备红外反射层Al:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击金属铝靶(纯度99.7％)在玻璃基片上沉积金属Al膜。其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1200w，工作气压为5mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为50sccm，基片传输速率为0.4m/min，玻璃基片在金属铝靶的下方往返运动3次，基片温度为室温。

4)在(Al/玻璃)上制备吸收亚层Cr:采用脉冲直流电源磁控溅射Cr靶(纯度99.7％)方法在(Al/玻璃)上沉积Cr膜。其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为50sccm，基片传输速率为2m/min，基底玻璃在Cr靶下方往返运动3次，基片温度为室温。

5)在(Cr/Al/玻璃)上制备吸收层CrN_x:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶(纯度99.7％)在(Cr/Al/玻璃)上沉积CrN_x膜。其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为40sccm，N₂(纯度99.99％)流量为50sccm，以0.8m/min传输速度在金属Cr靶下运动3次，基片温度为室温。

6)在(CrN_x/Cr/Al/玻璃)上制备过渡层ZnSnO_x:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击ZnSn靶(纯度99.7％)在(CrN_x/Cr/Al/玻璃)上沉积ZnSnO_x膜。其工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500w，工作气压为3mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为50sccm，O₂(纯度99.99％)流量为50sccm，以1m/min传输速度在金属ZnSn靶下运动4次，基片温度为室温。

7)在(ZnSnO_x/CrN_x/Cr/Al/玻璃)上制备减反层SiO₂:采用脉冲直流电源氧化反应磁控溅射硅铝靶(铝含量30％wt，纯度99.7％)方法在(ZnSnO_x/CrN_x/Cr/Al/玻璃)上沉积SiO₂膜。其镀膜工艺参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为2000w，工作气压为5mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为30sccm，O₂(纯度99.99％)流量为14sccm，基片传输速率为1m/min，基底玻璃在硅铝靶下方往返运动8次，基片温度为室温。

8)待完成以上制备步骤后，使样品冷却20min，出片，停机。

图2示出了本实用新型实施例和传统TiN_xO_y选择性吸收涂层材料在太阳光辐射范围内的反射光谱图，由此计算涂层的太阳光吸收率。

表2给出了本实用新型实施例和传统TiN_xO_y选择性吸收涂层材料的吸收率α、在不同温度下的辐射率ε(T)，和α/ε(T)。

表2.

对比图2、表2中本实用新型实施例和传统TiN_xO_y梯度渐变涂层性能可知：本实用新型实施例与传统选择性吸收涂层均具有较高的太阳光吸收率与红外辐射率，但本实用新型实施例膜系结构较传统TiN_xO_y梯度渐变涂层更简单，涂层的制备工艺与对设备要求更低，更适合于大规模工业生产。

同时本实用新型在吸收层与减反层之间引入非完全氧化过渡层，在一定程度上降低了减反层的厚度，且该过渡层沉积速率大于理想化学配比的介质层，提高了吸收涂层的生产效率。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，依次包括：基底层、红外反射层、吸收层、过渡层和减反层，所述的吸收层包括第一吸收亚层和第二吸收亚层。

2.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，

所述第一吸收亚层为金属吸收亚层，厚度为20nm-40nm；

所述第二吸收亚层为氮化物吸收亚层，厚度为20nm-40nm。

3.根据权利要求2所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述的金属吸收亚层材料为Cr，且300nm-2500nm波长范围内折射率处于0.9-4.6之间，消光系数处于2.5-4.6之间。

4.根据权利要求2所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述的氮化物吸收亚层材料为CrN_x，其中0.9<x<1.3，300nm-2500nm波长范围内折射率处于2.0-4.6之间，消光系数处于0.7-1.8之间。

5.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述的红外反射层至少为Al、Cu、Au、Ag、Ni、Cr中的一种金属，厚度为50-200nm。

6.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述的过渡层为非完全氧化的氧化锌锡，在300nm-2500nm波长范围内，折射率处于2.3-1.8之间，消光系数小于0.2，厚度为40-60nm。

7.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述减反层为应至少为SiO₂、Al₂O₃、ThO₂、Dy₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、MgO或Sm₂O₃中的一种，厚度为50-150nm。

8.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，过渡层与减反层的总厚度≥90nm。

9.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述的基底层为玻璃或者铝、铜、不锈钢，厚度为0.2-10mm。