專利名稱：一種太陽能中高溫選擇性吸收涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用磁控濺射沉積技術(shù)制備的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層。
背景技術(shù)：
太陽能選擇性吸熱涂層在太陽光譜范圍(0. 3^2. 5微米)具有較高的吸收率，在紅外趨于(2 50微米)具有低的發(fā)射率。它能把低能量密度的太陽能轉(zhuǎn)換成高能量密度的熱能，把太陽能收集起來，提高太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率。太陽能吸熱涂層被應(yīng)用到太陽能集熱設(shè)備上，分為低溫，中溫和高溫利用涂層。工作溫度越高，其熱轉(zhuǎn)化效率也就越高，太陽能熱利用朝中高溫方向發(fā)展是必然的趨勢。當(dāng)今我國在中低溫太陽能吸熱涂層的制備方面已經(jīng)具備成熟的技術(shù)。A1/A1N漸變涂層和 SS-AlN干涉吸收涂層已經(jīng)在真空管太陽能熱水器領(lǐng)域大面積推廣使用。但是在中高溫?zé)崂妙I(lǐng)域，我國在涂層制備方面技術(shù)仍不成熟，研制具有高溫穩(wěn)定性能的太陽能吸熱涂層是太陽能熱利用領(lǐng)域工作者努力的方向。根據(jù)吸收太陽光的原理和膜層結(jié)構(gòu)的不同，選擇性吸收膜層的基本類型有半導(dǎo)體膜層；干涉膜層；多層漸變膜層；金屬-介質(zhì)母體膜層；多孔膜層。金屬-介質(zhì)母體膜層結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，其中Mo-Al2O3, W-Al2O3等體系的吸收涂層已經(jīng)在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域得到應(yīng)用。但由于Mo和W在高溫下極易與氧發(fā)生反應(yīng)，因此對應(yīng)用過程中的真空環(huán)境提出了很高的要求。所以尋找比W和Mo更為抗氧化的替代物便成為新一代吸熱涂層的重要方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在大氣環(huán)境中具有高穩(wěn)定性的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層。本發(fā)明高穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸熱涂層，涂布在太陽能集熱元件上，涂層自基底向上依次由紅外反射層、吸收層、介質(zhì)減反層組成，其特征在于所述的紅外反射層為鋁的三元合金層，吸收層為鋁的三元合金納米粒子和介質(zhì)母體組成的合金金屬介質(zhì)母體復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述紅外反射層為鋁的三元合金層，由合金靶通過磁控濺射制備，所述鋁的三元合金選自招欽絡(luò)、招鎮(zhèn)絡(luò)、招娃絡(luò)中的一種。所述吸收層由兩層具有不同摻雜濃度的鋁的三元合金納米粒子合金介質(zhì)母體復(fù)合薄膜構(gòu)成。每一層均選自鋁鈦鉻、鋁鎳鉻、鋁硅鉻中的一種摻雜的合金介質(zhì)母體結(jié)構(gòu)，通過介質(zhì)母體靶與合金靶共濺射制備。從紅外反射層向上依次是高吸收層和低吸收層，根據(jù)鋁的三元合金納米粒子摻雜濃度不同的高、低摻雜層分別對應(yīng)高、低吸收層，高摻雜層的合金填充因子在0. 22-0. 58之間，低摻雜層的合金填充因子在0. 05-0. 22之間。所述介質(zhì)母體靶是鋁、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。所述介質(zhì)母體是鋁、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。所述介質(zhì)減反層是鋁、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。通過鋁、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物的介質(zhì)母體靶直接濺射制備。本發(fā)明中所述的鋁鈦鉻、鋁鎳鉻、鋁硅鉻合金具有非常高的熔點以及好的耐氧化性能，是W、Mo等的理想替代物，制備金屬合金-介質(zhì)母體結(jié)構(gòu)的中高溫太陽能選擇性吸收涂層。本發(fā)明涂層具有較高的熱穩(wěn)定性，非常適合用太陽能中高溫利用。


圖I為本發(fā)明的太陽能選擇性吸熱涂層結(jié)構(gòu)示意圖附圖標(biāo)記說明1、基底；2、紅外反射層，3、高吸收層，4、低吸收層，5、介質(zhì)減反層具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步說明。本發(fā)明中，以高吸收率和低發(fā)射率為目標(biāo)進行優(yōu)化，高吸收層和低吸收層的厚度均在35-80nm之間，而介質(zhì)減反層的厚度在70-90nm之間。紅外反射層要求不透光，因此厚度在90_120nm之間。以下實施例僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。實施例I膜層的制備采用磁控濺射的方式。濺射室安裝有兩個陰極靶，分別是鋁鈦鉻合金靶，氧化鋁靶。在制備涂層的過程中，保持氧化鋁靶功率不變，通過改變合金靶的功率來調(diào)整吸收層的填充因子。首先在經(jīng)過清洗的玻璃基片上制備IOOnm的鋁鈦鉻合金層。然后同時開啟鋁鈦鉻合金靶和氧化鋁介質(zhì)母體靶，先制備40nm厚度的高吸收層，填充因子為
0.38。接著制備45nm厚度的低吸收層，填充因子為0. 15。最后關(guān)閉鋁鈦鉻合金靶，制備85nm的氧化鋁減反層。將涂層置于400攝氏度大氣環(huán)境中老化70小時后自然冷卻。測試結(jié)果表明吸收率為0. 96，發(fā)射率為0. 05，涂層具有良好的熱穩(wěn)定性。涂層的具體結(jié)構(gòu)如圖I所示。實施例2膜層的制備采用磁控濺射的方式。濺射室安裝有兩個陰極靶，分別是鋁鎳鉻合金靶，氧化鋁靶。在制備涂層的過程中，保持氧化鋁靶功率不變，通過改變合金靶的功率來調(diào)整吸收層的填充因子。首先在經(jīng)過清洗的玻璃基片上制備115nm的鋁鎳鉻合金層。然后同時開啟鋁鎳鉻合金靶和氧化鋁介質(zhì)母體靶，先制備45nm厚度的高吸收層，填充因子為
0.58。接著制備35nm厚度的低吸收層，填充因子為0.22。最后關(guān)閉鋁鎳鉻合金靶，制備90nm的氧化鋁減反層。測試結(jié)果表明吸收率為0. 94，發(fā)射率為0. 06。實施例3膜層的制備采用磁控濺射的方式。濺射室安裝有兩個陰極靶，分別是鋁鈦鉻合金靶，氧化硅靶。在制備涂層的過程中，保持氧化硅靶功率不變，通過改變合金靶的功率來調(diào)整吸收層的填充因子。首先在經(jīng)過清洗的玻璃基片上制備IlOnm的鋁鈦鉻合金層。然后同時開啟鋁鈦鉻合金靶和氧化硅介質(zhì)母體靶，先制備67nm厚度的高吸收層，填充因子為
0.22。接著制備70nm厚度的低吸收層，填充因子為0.05。最后關(guān)閉鋁鈦鉻合金靶，制備82nm的氧化硅減反層。測試結(jié)果表明吸收率為0. 94，發(fā)射率為0. 05。實施例4膜層的制備采用磁控濺射的方式。濺射室安裝有兩個陰極靶，分別是鋁硅鉻合金靶，氧化硅靶。在制備涂層的過程中，保持氧化硅靶功率不變，通過改變合金靶的功率來調(diào)整吸收層的填充因子。首先在經(jīng)過清洗的玻璃基片上制備95nm的鋁硅鉻合金層。然后同時開啟招娃鉻合金祀和氧化娃介質(zhì)母體祀，先制備60nm厚度的高吸收層,填充因子為0. 43。接著制備72nm厚度的低吸收層,填充因子為0. 15。最后關(guān)閉招娃鉻合金祀,制備75nm的氧化硅減反層。測試結(jié)果表明吸收率為0. 96，發(fā)射率為0. 04。實施例5膜層的制備采用磁控濺射的方式。濺射室安裝有兩個陰極靶，分別是鋁鎳鉻合金靶，氮化硅靶。在制備涂層的過程中，保持氮化硅靶功率不變，通過改變合金靶的功率來調(diào)整吸收層的填充因子。首先在經(jīng)過清洗的玻璃基片上制備98nm的鋁鎳鉻合金層。然后同時開啟鋁鎳鉻合金靶和氮化硅介質(zhì)母體靶，先制備72nm厚度的高吸收層，填充因子為0. 58。接著制備78nm厚度的低吸收層，填充因子為0. 05。最后關(guān)閉鋁鎳鉻合金靶，制備74nm的氮 化硅減反層。測試結(jié)果表明吸收率為0. 97，發(fā)射率為0. 05。
權(quán)利要求
1.一種高穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸熱涂層，涂布在太陽能集熱元件上，涂層自基底向上由紅外反射層、吸收層、介質(zhì)減反層組成，其特征在于所述的紅外反射層為鋁的三元合金層，吸收層為鋁的三元合金納米粒子和介質(zhì)母體組成的合金金屬介質(zhì)母體復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的高穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述鋁的三元合金選自鋁鈦鉻、鋁鎳鉻、鋁硅鉻中的一種，通過合金靶磁控濺射制備。
3.如權(quán)利要求I所述的高穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述的介質(zhì)母體是鋁、硅的氧化物或氮化物或氮氧化物。
4.如權(quán)利要求I所述的高穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述的吸收層由兩層具有不同摻雜濃度的鋁的三元合金納米粒子合金介質(zhì)母體復(fù)合薄膜構(gòu)成，所述鋁的三元合金納米粒子選自鋁鈦鉻、鋁鎳鉻、鋁硅鉻中的一種，復(fù)合薄膜通過介質(zhì)母體靶和鋁的三元合金靶共濺射制備。
5.如權(quán)利要求I或4所述的高穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述的吸收層從紅外反射層向上依次是高吸收層和低吸收層，根據(jù)鋁的三元合金納米粒子摻雜濃度不同的高、低摻雜層分別對應(yīng)高、低吸收層，高摻雜層的合金填充因子在0. 22-0. 58之間，低摻雜層的合金填充因子在0. 05-0. 22之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在大氣狀態(tài)下具有高穩(wěn)定性的太陽能中高溫選擇性吸收涂層。涂布在太陽能集熱元件上，涂層自基底向上由紅外反射層、吸收層、介質(zhì)減反層組成，其特征在于所述的紅外反射層為鋁的三元合金層，吸收層為鋁的三元合金納米粒子和介質(zhì)母體組成的合金金屬介質(zhì)母體復(fù)合結(jié)構(gòu)。吸收層從紅外反射層向上依次是高吸收層和低吸收層。該涂層具有較高的熱穩(wěn)定性，非常適合用太陽能中高溫利用。
文檔編號C23C14/14GK102706018SQ20121018513
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者孫耀明, 徐剛, 熊斌, 黃華凜 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所