CN85100142B

CN85100142B - 溅射太阳能选择性吸收涂层及制造方法

Info

Publication number: CN85100142B
Application number: CN85100142A
Authority: CN
Inventors: 殷志强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1987-07-22
Also published as: CN85100142A

Abstract

溅射太阳能选择性吸收涂层，应用于太阳能集热器。采用单个圆柱（或平板）铝阴极，于氩气中溅射铝膜为底层，先后于氩－氮（或氩－一氧化碳）混合气体与纯氮（纯一氧化碳）中反应溅射成份渐变的铝－氮（或铝－碳－氧）复合吸收材料。涂层的太阳吸收率α≈０．９３，发射率ε≈０．０６（１００℃）。本发明使溅射系统结构简化，溅射效率提高。新涂层放气量少，制造中真空烘烤温度可降至４００～４５０℃；缩短了生产周期，降低能耗，可允许用软化点低的玻璃。

Description

溅射太阳能选择性吸收涂层

本发明涉及到一种太阳能选择性吸收涂层，它用于太阳能集热器。

太阳能选择性吸收涂层是由外层与内层构成的。在太阳能光谱范围，外层具有强烈的吸收作用，但在红外范围几乎是透明的。为了减少辐射热损，内层在红外应是高反射，即低发射率的材料。如果吸热元件表面是红外高反射的，那么外层吸收材料可以直接沉积到这个表面上。

美国专利No4，339，484给出一个典型的选择性吸收涂层，它包含金属-碳化物吸收层和红外高反射的铜底层。

虽然太阳能选择性吸收涂层也应用于平板集热器，但其典型的应用是在真空管集热器。真空管集热器包括玻璃或金属的内管和玻璃外管，内管的一端可以是封闭的，或是内管两端都不封闭，内、外管之间抽成真空。太阳能选择性涂层是被沉积在内管的外表面。太阳辐射通过外玻璃管被内管上的涂层所吸收，加热内管中的传热流体。由于真空使传导与对流热损降低很多，而内管上的选择性吸收涂层使辐射热损降得很低因此真空管集热器具有较高的集热效率。

当前，采用电镀、蒸发与溅射等技术沉积太阳能选择性吸收涂层。而溅射技术具有易在大面积上沉积较均匀的薄膜等优点。美国专利No4，339，484中给出了使用两个阴极来满足构成太阳能选择性吸收涂层中的高反射底层与高吸收外层两种物理性质截然不同的膜系。该文所述的涂层具有较好的选择性，其太阳吸收率α≈0.82，发射率ε≈0.03（室温）。然而这种涂层与所用的溅射系统存在以下不足之处：

1.涂层放气量大，主要释放出H₂与CO，来源于反应气体C₂H₂与真空系统中残余的氧与水气。在制造过程中，集热管及所含的涂层需要真空烘烤480-500℃。

2.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。两个阴极之间有一个很大的屏板，以免相互交叉污染，但使溅射系统结构复杂，还有屏板拦截了相当部分的溅射流，使沉积利用率大为降低。此外，在同样的溅射腔体内，两个阴极占有较大的空间，不然可以在更多的内管上沉积选择性吸收涂层。

3.太阳吸收率较低（α≈0.82）。

作为溅射系统可以包含一个，两个或更多的阴极。如美国专利No4，428，812就是在一个阴极的溅射系统内，发明了脉冲输入反应气体而获得高沉积率的钛、锆与铪等Ⅳ₆族金属-氮化物薄膜的方法，但该专利没有涉及制备膜系及其应用的目的。

本发明的目的是针对专利No.4，339，484所述涂层与所用溅射系统存在之不足，设计了用单个阴极代替双阴极的溅射技术来制备太阳能选择性吸收涂层，简化溅射系统。大量的探索实验表明，相当多数的单个金属或合金阴极，如钛等Ⅳ₆族金属或不锈钢制成的涂层，存在着太阳吸收率低或红外发射率高等缺陷，而铝或纯度高于95%的铝合金，既可以在氩气中沉积低发射率底层，又能在氩与氮（或氩与一氧化碳）中反应溅射沉积高吸收率外层，成本也低得多。故用铝来制备高质量的太阳能选择性吸收涂层。

本发明的技术要点在于用单个铝阴极（圆柱或平面）制备选择性吸收涂层。于纯氩气中溅射铝阴极制备厚度不小于0.1×10^－６m的高反射铝膜为底层，反应溅射铝阴极制备厚度在0.08×10^－６m至0.25×10^－６m的铝-氮（或铝-碳-氧）复合吸收材料。吸收材料的成分随厚度是渐变的。于同一溅射室内，注入氩气与氮气（或氩气与一氧化碳）混合气体，随着注入到溅射室的氮气（或一氧化碳）的流量的增加沉积出的薄膜，从靠近底层到最外表面，氮对铝原子数（或碳、氧对铝原子数）的比值是逐渐增加的。最佳情况是从纯铝渐变到最外表面铝-氮（或铝-碳-氧）化合物的介质。这种选择性吸收涂层的太阳吸收率明显地高于上述No.4，339，484的铜/金属碳化物涂层的光谱性能，并克服了上面提到的涂层及其生产中的问题。

结合附图对实施例进行描述可以更好地理解本发明的内容。

图1为全玻璃真空集热管的正视图;

图2为选择性吸收涂层的剖面图。

图1为真空集热管的正视图，其中的真空集热管包含一个单端封闭的内玻璃管1与外玻璃管2，内、外玻璃管的开口端熔封在一起。内、外管之间3抽成真空。装在支架上的消气剂4，用来吸收集热管工作或存放过程中所放出的微量气体。太阳能选择性吸收涂层5如图1虚线所示，是在内、外玻璃管熔封前就沉积在内管的外表面上。

图2表示放大的用于集热的选择性吸收涂层，涂层有两层组成，底层6为溅射纯铝膜，厚度为0.2×10^－６m，外层7为反应溅射的铝-氮（或铝-碳-氧）复合材料，厚度为0.14×10^－６m。

红外高反射内层6是采用纯氩气中非反应溅射铝阴极制备的，阴极纯度高于95%，纯度高于98%则更好。底层6厚度不小于0.1×10^－６m。外层7是吸收材料。于同一溅射室内，注入氩气与氮气（或氩气与一氧化碳）混合气体。氮气（或一氧化碳）的流量按经验公式从零变到某一最大值，以实现吸收材料中成份的渐变。最后的反应溅射是在纯氮气（或一氧化碳）中进行的，制备铝-氮（或铝-碳-氧）化合物，其厚度不小于0.04×10^－６m。外层7的厚度可以在0.08×10^－６m至0.25×10^－６m之间。

包括底层6与外层7的太阳能选择性吸收涂层，经测定，太阳吸收率α≈0.93，发射率ε≈0.06（100℃）。

上述涂层的表面上还可覆盖一层铝-氧化合物薄膜，厚度不小于0.04×10^－６m，这是于氩-氧或纯氧中反应溅射铝阴极所制备的。

涂层是由很稳定的Al-N（或Al-C-O）以及Al-O（如果需要）复合薄膜组成，其表面挥发与放气少于金属-碳化物吸收材料。因此在制造集热管时，烘烤温度可调节到400-450℃，这将减少生产时间周期与生产能耗，并可允许使用软化点低一点的玻璃。

Claims

1、一种溅射太阳能选择性吸收涂层，其特征是以沉积的铝膜为底层，以沉积的铝-氮（或铝-碳-氧）复合成分为吸收材料层，该吸收材料层的成分是渐变的。

2、按照权利要求1所说的溅射太阳能选择性吸收涂层，其特征是底层铝膜厚度不小于0.1×10^－６m。

3、按照权利要求1或2所说的溅射太阳能选择性吸收涂层，其特征是吸收材料铝-氮（或铝-碳-氧）厚度在0.08×10^－６m至0.25×10^－６m。

4、按照权利要求1所说的溅射太阳能选择性吸收涂层，其特征是在该涂层上再盖一层铝-氧化合物薄膜，其厚度不小于0.04×10^－６m。

5、按照权利要求1所说的溅射太阳能选择性吸收涂层，其特征是使用的铝阴极的纯度不低于95%。

6、一种制造如权利要求1所说的太阳能选择性吸收涂层的方法，其特征是在纯氩气中非反应溅射铝膜以后，于同一溅射室内，注入氩气与氮气（或一氧化碳）混合气体，随着氮气（或一氧化碳）的流量逐渐增加，相应沉积的吸收材料厚度增加，氮（或碳、氧）对铝原子数的比值亦增加，最表面是在纯氮（或纯一氧化碳）溅射沉积铝-氮（或铝-碳-氧）化合物。