專利名稱：一種太陽能選擇性吸收膜系及其制備方法
技術領域：
本發明涉及薄膜技術和太陽能技術等新能源開發技術領域，設計了一種新型的太陽能選擇性吸收膜系，利用磁控濺射技術在經MEMS工藝方法處理后基體上進行了制備，特指一種太陽能選擇性吸收膜系及其制備方法。
背景技術：
太陽能熱水器是通過光一熱轉化原理，將太陽能轉化為高品位的熱能以滿足絕大多數消耗熱能場合對能源需求的裝置；太陽能熱水器大大減少了人類對傳統能源的使用， 為能源的可持續發展作出積極貢獻，目前平板型太陽能熱水器由于與建筑結合一體化、外表美觀、熱效率高等一系列優勢成為太陽能熱水器發展的潮流和趨勢；平板太陽能熱水器開發技術中采用了太陽光譜選擇性吸收薄膜，大幅地提高了熱水器的光熱轉換效率，當前國內外關于各種太陽能選擇性吸收薄膜的研究方興未艾，如何高效地利用太陽能既是當前和長遠社會發展所需解決的問題，也是廣大科技工作者深感興趣的重大研究課題。太陽輻射能量主要集中在波長為(0. 3 2. I ) 漏的可見光譜范圍內，利用選擇性吸收薄膜的目的是對可見光區有較高的吸收率，對紅外光區有較低的發射率；國內外研究者都在致力于尋找吸收性更好的材料、膜系結構及高效無污染的制備工藝；研究發現某些金屬、金屬氧化物、金屬硫化物和半導體等發色體粒子中電子躍遷能級與可見光譜區的光子能量較為匹配，是制備太陽能選擇性薄膜的主要材質； 通過本發明前期研究表明通過添加電介質制成的抗反射薄膜可有效地提高薄膜吸收率；本發明設計了一種新型的太陽能選擇性吸收膜系結構，如圖I所示，該新型太陽能選擇性吸收膜系具有“制備效率高、成本低和制作簡單”等優點。

發明內容
本發明的目的是提供一種太陽能選擇性吸收膜系及其制備方法，以提高太陽能熱水器的光一熱轉換效率，它具有“制備效率高、成本低和制作簡單”等優點。一種太陽能選擇性吸收膜系，以鋁板作為膜系的基體，其特征在于所述吸收膜系從頂層至底層依次為作為減反射層的雙層AlN膜，第一層膜厚3(T40nm，第二層膜厚4(T50nm ;作為吸收層的單層Si膜，膜厚7(Tl00nm ;作為紅外反射層的單層鋁膜，膜厚 5(T60nm ;和基體鋁板，所述基體鋁板上均勻布有圓形凹坑，所述圓形凹坑的直徑小于紅外光波長。所述的一種太陽能選擇性吸收膜系，其特征在于所述圓形凹坑的直徑為2. 0 _ , 所述每cm2的基體鋁板上均勻布有IO5個圓形凹坑。本發明采用雙層AlN作為減反射層，采用單層Si作為膜系的吸收層，采用鋁板作為膜系的基體，其中基體采用MEMS工藝方法處理成具有微坑結構的形狀，如圖2所示；為了使膜與基體結合良好和提高紅外反射，首先在基體上鍍一層鋁膜，該膜系從頂層至底層依次為雙層AlN膜減反射層、單層Si吸收層、單層鋁膜紅外反射層。
本發明解決其關鍵問題所采用的技術方案是采用刻蝕方法對基體進行微坑結構制備和利用磁控濺射技術生長減反射層、吸收層、紅外反射層，其中通過控制濺射參數嚴格控制各膜層的厚度以及各膜層之間的界面特性。據此，其核心加工工藝如下
1、在潔凈Al基體上制備微坑結構；
2、單層鋁膜紅外反射層制備，在具有微坑結構的基體上制備單層Al膜；
3、單層Si吸收層制備；
4、雙層AlNI吳減反射層制備。上述制備方案中，步驟I中所用基體為Al板，采用光刻蝕法在基體表面刻蝕微坑結構，以增強光吸收性能；同時微坑結構的尺寸小于紅外光波長，以實現對可見光及近紅外光的吸收和對紅外光的反射作用。上述制備方案中，步驟2中利用磁控濺射技術制備鋁膜時，所用靶材為Al靶，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在200°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Al膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為200°C ;所用保護氣體為Ar氣，流量為 80 sccm;濺射直至獲得所需厚度的Al膜。 上述制備方案中，步驟3中利用磁控濺射技術制備Si膜時，所用靶材為硅靶，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為250°C ;所用保護氣體為Ar氣，流量為 80 sccm;濺射直至獲得所需厚度的Si膜。上述制備方案中，步驟4中利用磁控濺射技術制備雙層AlN膜減反射層時，所用靶材為Al靶；第一層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在200°C條件下預熱處理60 min，以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為200°C ;所用反應氣體為高純N2氣，流量為40 sccm;所用保護氣體為Ar氣，流量為40 sccm ;濺射直至獲得所需厚度的AlN膜；第二層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至1.6X10_4 Pa，腔室在 250°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為250°C ;所用反應氣體為高純N2氣，流量為60 sccm ;所用保護氣體為Ar氣，流量為 20 sccm ;濺射直至獲得所需厚度的AlN膜。本發明的有益效果設計了一種新型的太陽能選擇性吸收膜系結構，該新型太陽能選擇性吸收膜系具有“制備工藝簡單，吸收率/發射率高”的優點；基體表面所形成的微坑結構可實現對太陽光的多次反射以增加光吸收；雙層AlN膜可有力地減少膜表面對太陽光可見光的反射。


圖I是本發明的太陽能選擇性吸收膜系結構示意圖2是本發明的基體表面微凹陷結構分布示意圖。
具體實施例方式I.太陽能選擇性吸收膜系結構設計
在Al基體上設計各膜層以實現對太陽可見光及近紅外的吸收和低發射，見圖I ;為使透射光在基體表面產生多次反射和增加光吸收，在基體表面制造了微坑結構，且其微坑結CN 102582150 A
書
構直徑小于紅外線波長可實現對紅外光的反射。2.太陽能選擇性吸收膜的制備
2.I基體的清洗
用磷酸清洗Al板基材，Al板尺寸為IOcmX 2cm ；
酒精超聲波清洗15分鐘；
用去離子水沖洗基材表面；
用高純氮氣吹干。上述制備方案中，步驟2中利用磁控濺射技術制備鋁膜時，所用靶材為Al靶(直徑為100 mm，厚度為5 mm)，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在200°C條件下預熱處理60 min，以減小腔室中氧原子對Al膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為200°C;所用保護氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;所用濺射時間為5 min，所得Al膜厚度為60nm。上述制備方案中，步驟3中利用磁控濺射技術制備Si膜時，所用靶材為硅靶(直徑為100 mm，厚度為5 mm)，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min，以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為250°C;所用保護氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;所用濺射時間為300 min，所得Si膜厚度為lOOnm。上述制備方案中，步驟4中利用磁控濺射技術制備雙層AlN膜減反射層時，所用靶材為Al靶(直徑為100 mm，厚度為5 mm)。第一層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至
I.6X 10_4 Pa，腔室在200°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為200°C ;所用反應氣體為高純N2氣，流量為40 sccm ;所用保護氣體為Ar氣，流量為40 sccm;所用濺射時間為300 min，所得AlN膜厚度為40nm。第二層 AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為250°C ;所用反應氣體為高純 N2氣，流量為60 sccm ;所用保護氣體為Ar氣，流量為20 sccm ;所用濺射時間為300 min, 所得AlN膜厚度為50nm。2. 2制備設備及材料
設備光刻蝕機、超聲波清洗設備、濺射臺；材料光刻膠、氬氣(純度99. 999%)、氮氣 (純度99. 999%)、鋁靶(純度99. 99%)、硅靶(純度99. 999%)、酒精、棉絮等。2. 3基體表面處理
將清洗完成后的Al基體，放入光刻蝕機中，采用預先設計出的掩膜圖案，在基體表面刻蝕出微坑結構，刻蝕時間為5 min;刻蝕過程中采用氮氣做保護氣體，流量為20 sccm，微坑直徑2. 0 _ ,密度IO5個/cm2，即Al板上的圓形凹坑的個數為2X IO6個，以增強光吸收性能；同時實現對可見光及近紅外光的吸收和對紅外光的反射作用。2. 3各層膜的生長
利用磁控派射技術制備招膜時，所用祀材為Al IE, Al祀直徑為100 mm,厚度為5 mm, 濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在200°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Al膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為200°C ;所用保護氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;所用濺射時間為5 min，所得Al膜厚度為60nm。利用磁控派射技術制備Si膜時,所用祀材為娃祀,娃祀直徑為100 mm,厚度為5 mm，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min,以減小
5腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為250°C ;所用保護氣體為Ar氣， 流量為80 sccm ;所用濺射時間為300 min，所得Si膜厚度為lOOnm。利用磁控濺射技術制備雙層AlN膜減反射層時，所用靶材為Al靶，Al靶直徑為 100 mm，厚度為5 mm ;第一層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在200°C 條件下預熱處理60 min，以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為 200°C;所用反應氣體為高純隊氣，流量為40 sccm;所用保護氣體為Ar氣，流量為40 sccm； 所用濺射時間為300 min，所得AlN膜厚度為40nm;第二層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6X 10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為250°C;所用反應氣體為高純N2氣，流量為60 sccm ;所用保護氣體為Ar氣，流量為20 sccm ;所用濺射時間為300 min，所得AlN膜厚度為50nm。2. 4封裝及其他后續工藝處理。實施效果本發明的太陽能選擇性吸收膜系對波長為30(T2100 nm范圍內光波的平均吸收率可達96. 5%以上，其吸收發射比為8 13。
權利要求
1.一種太陽能選擇性吸收膜系，以鋁板作為膜系的基體，其特征在于所述吸收膜系從頂層至底層依次為作為減反射層的雙層AlN膜，第一層膜厚3(T40nm，第二層膜厚4(T50nm ;作為吸收層的單層Si膜，膜厚7(Tl00nm ;作為紅外反射層的單層鋁膜，膜厚 5(T60nm ;和基體鋁板；所述基體鋁板上均勻布有圓形凹坑，所述圓形凹坑的直徑小于紅外光波長。
2.如權利要求I所述的一種太陽能選擇性吸收膜系，其特征在于所述圓形凹坑的直徑為2. O ,所述每cm2的基體鋁板上均勻布有IO5個圓形凹坑。
3.如權利要求I所述的一種太陽能選擇性吸收膜系的制備方法，包括在潔凈Al基體上制備微坑結構的步驟；在具有微坑結構的基體上制備單層Al膜的步驟；單層Si吸收層制備的步驟；雙層AlN膜減反射層制備的步驟，其特征在于所述的在具有微坑結構的基體上制備單層Al膜的步驟為利用磁控濺射技術制備鋁膜時，所用靶材為Al靶，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6Χ 10_4 Pa，腔室在200°C條件下預熱處理60 min,以減小腔室中氧原子對 Al膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為200°C;所用保護氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;濺射直至獲得所需厚度的Al膜；所述單層Si吸收層制備的步驟為利用磁控濺射技術制備 Si膜時，所用靶材為硅靶，濺射生長前腔室壓強預抽至I. 6 X 10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min，以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應中所用腔室溫度為250°C;所用保護氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;濺射直至獲得所需厚度的Si膜；雙層AlN膜減反射層制備的步驟為利用磁控濺射技術制備雙層AlN膜減反射層時，所用靶材為Al靶；第一層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至1.6\10_4 &，腔室在2001條件下預熱處理60 min, 以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為200°C ;所用反應氣體為高純N2氣，流量為40 sccm ;所用保護氣體為Ar氣，流量為40 sccm ;濺射直至獲得所需厚度的AlN膜；第二層AlN膜濺射生長前腔室壓強預抽至1.6X10_4 Pa，腔室在250°C條件下預熱處理60 min，以減小腔室中氧原子對Si膜的氧化作用；反應時所用腔室溫度為250°C; 所用反應氣體為高純N2氣，流量為60 sccm ;所用保護氣體為Ar氣，流量為20 sccm ;濺射直至獲得所需厚度的AlN膜。
全文摘要
本發明涉及薄膜技術和太陽能技術等新能源開發技術領域，特指一種太陽能選擇性吸收膜系及其制備方法。本發明采用雙層AlN作為減反射層，采用單層Si作為膜系的吸收層，采用鋁板作為膜系的基體，其中基體采用MEMS工藝方法處理成具有微坑結構的形狀；為了使膜與基體結合良好和提高紅外反射，首先在基體上鍍一層鋁膜，該膜系從頂層至底層依次為雙層AlN膜減反射層、單層Si吸收層、單層鋁膜紅外反射層。本發明具有“制備工藝簡單，吸收率/發射率高”的優點；基體表面所形成的微坑結構可實現對太陽光的多次反射以增加光吸收；雙層AlN膜可有力地減少膜表面對太陽光可見光的反射。
文檔編號C23C14/06GK102582150SQ201210047108
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者丁建寧, 凌智勇, 張福慶, 楊娟, 程廣貴, 范真, 郭立強 申請人:江蘇大學