專利名稱：太陽選擇性吸收涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種以磁控濺射鍍膜制備的、防擴散、結構穩定的太陽選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽能光熱轉換利用領域。
背景技術：
目前在國內太陽能光熱利用行業中，以全玻璃真空太陽集熱管為光熱轉換器件的集熱系統應用最為廣泛，而真空集熱管吸熱體(內管)上附著的選擇性吸收涂層用于吸收入射的太陽輻射能并將其轉化成熱能。國內太陽能企業生產真空集熱管的選擇性吸收涂層主要是利用磁控濺射技術所制備的ALN-AL和SS-ALN/Cu涂層，隨著技術的進步和生產手段不斷完善，SS-ALN/Cu涂層制作的真空集熱管所占市場份額越來越大，SS-ALN/Cu涂層為三種靶材(鋁靶、不銹鋼靶、銅 靶)制作，其膜系結構主要為三層紅外高反射層、吸收層、減反射層，其中吸收層為兩個金屬體積比不同的亞層組成(如圖I所示)。基材玻璃管；紅外高反射層TP2銅靶制備的銅金屬膜；吸收層2 :高金屬體積比復合膜(HMVF);吸收層I :低金屬體積比復合膜(LMVF);減反射層氮化鋁(ALN)介質膜。當上述各膜層組合在一起的時候，就構成了太陽選擇性吸收涂層。陽光透過減反射層被吸收層吸收同轉換成熱能，而光波在各層間傳播的過程中，由于各次層光學參數的差異使得光波在層間發生多次反射及相互干涉現象，這樣就進一步增大了膜層對光輻射的吸收，而紅外高反射層能有效阻止工作介質對外輻射熱損。在溫度300°C以上的環境中，SS-ALN/Cu選擇性吸收涂層中的高金屬體積比吸收層中的金屬粒子將會向底金屬層(紅外高反射層)中遷移擴散，從而導致高金屬體積比吸收層(HMVF)金屬粒子濃度變小，同時由于金屬粒子的擴散使底金屬層的成分發生變化純度下降，結果是涂層的吸收率下降、發射率上升。為此我們作了如下實驗用分光光度計和發射率檢測儀對剛鍍制的涂層進行檢測，吸收率(α )為O. 92，發射率(eh) O. 05，然后在10_3Pa真空狀態下對該涂層進行400°C并恒溫I小時的烘烤，再對涂層進行檢測，涂層吸收率O. 88，發射率O. 07，同時底金屬層(紅外高反射層)的顏色也由烘烤前的紫紅色變成了金黃色。實驗結果表明，SS-ALN/Cu涂層在300°C以上的環境中運用時，膜系結構將會遭到破壞，性能發生衰減。

發明內容
本發明針對上述SS-ALN/Cu涂層存在的缺陷，制備了一種太陽吸收率高、發射率低，同時膜系結構穩定，熱穩定性優異的太陽選擇性吸收涂層及其制備方法。本發明采用的技術方案為
一種太陽選擇性吸收涂層，包括基材，基材上逐層鍍制紅外高反射層、第一防擴散層、第一吸收層、第二吸收層以及減反射層；其中第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。
第一吸收層與第二吸收層之間還設置第二防擴散層。紅外高反射層為銅底金屬層，第一防擴散層為氮化鋁介質膜層，第一吸收層為充填因子fi=0. 3^0. 45所得到SS-AlN復合膜；第二吸收層為充填因子f2=0. 15^0. 3所得到的SS-AlN復合膜。紅外高反射層厚度為10(T200nm，第一防擴散層厚度為5 15nm，高金屬體積比吸收層厚度為3(T90nm，低金屬體積比吸收層厚度為2(T60nm，第二防擴散層厚度為3飛nm，減反射層厚度為3(T80nm。紅外高反射層厚度為200nm，第一防擴散層厚度為8nm，高金屬體積比吸收層厚度為50nm,低金屬體積比吸收層厚度為40nm,第二防擴散層厚度為5nm,減反射層厚度為73nm。一種太陽選擇性吸收涂層的制備方法
步驟1，紅外高反射層制備在鍍膜機真空室真空度達到工作真空度時，充入純惰性氣體氬氣，啟動銅靶，在基材上鍍制銅底金屬層；
步驟2，第一防擴散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶，在紅外高反射層上鍍制純氮化鋁介質膜；
步驟3，第一吸收層(HMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣(N2),啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第一防擴散層上鍍制SS-AlN復合膜，充填因子^=0. 3^0. 45 ；
步驟4，第二防擴散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，在第一吸收層上鍍制純氮化鋁介質膜；
步驟5，第二吸收層(LMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第二防擴散層上鍍制SS-AlN復合膜，充填因子f2=0. 15 O. 3 ；
步驟6，減反射層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，在第二吸收層上鍍制純氮化鋁介質膜。本發明的有益效果為
使用本發明其優點在于因為氮化鋁(AlN)的熔點為2200°C，具有優異的高溫熱穩定性，用氮化鋁(AlN)用作防擴散層，完全可以起到阻止金屬粒子擴散的作用，吸收率高、發射率低，同時膜系結構穩定，反應條件要求不高，節約了生產成本。


圖I為本發明太陽選擇性吸收涂層結構示意 圖2為本發明太陽選擇性吸收涂層反射率曲線圖。圖中1，基底；2，紅外高反射層；3，第一防擴散層；4，第一吸收層；5，第二防擴散層；6，弟_■吸收層；7，減反射層。
具體實施例方式現結合附圖，對本發明的技術方案進一步描述。如圖I所示，本發明選擇性吸收涂層在玻璃基底I上逐層鍍制紅外高反射層2(底金屬層)、第一防擴散層3、第一吸收層4、第二防擴散層5、第二吸收層6、減反射層7,第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。涂層的制備方法如下
紅外高反射層在鍍膜機真空室真空度達到工作真空度時，在真空室中充入純惰性氣體氬氣，啟動銅靶，在基材上鍍制銅底金屬層，厚度為10(T200nm ；
第一防擴散層在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶，在紅外高反射層上鍍制純氮化鋁(AlN)介質膜，厚度為5 15nm ；
第一吸收層(HMVF):在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第一防擴散層上鍍制SS-AlN復合膜，充填因子4=0. 3^0. 45膜層厚度為30 90nm ；
第二防擴散層在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，在第一吸收 層上鍍制純氮化鋁(AlN)介質膜氮化鋁(A1N)，厚度3飛nm ；
第二吸收層(LMVF):在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第二防擴散層上鍍制SS-AlN復合膜，充填因子f2=0. 15^0. 3膜層厚度為20 60nm ；
減反射層在真空室中充入工作氣體氬氣(Ar)的同時充入反應氣體氮氣(N2),在第二吸收層上鍍制純氮化鋁(AlN)介質膜，厚度為3(T80nm。當厚度參數為紅外高反射層厚度為200nm，第一防擴散層厚度為8nm，高金屬體積比吸收層厚度為50nm,低金屬體積吸收層厚度為40nm,第二防擴散層厚度為5nm,減反射層厚度為73nm。此時效果最佳，為優選參數。分別在紅外高反射層與高金屬體積比吸收層之間增加了防擴散層1，在高金屬體積比吸收層與低金屬體積比吸收層之間增加了防擴散層2，防擴散層1、2與減反射層一樣均為純氮化鋁(AlN)介質膜。需要指出的是，對于防擴散層2在實際涂層制備過程中也可以根據需要不做。使用本發明的太陽能集熱材料的選擇性吸收涂層及其制備方法，其優點在于因為氮化鋁(AlN)的熔點為2200°C，具有優異的高溫熱穩定性，用氮化鋁(AlN)用作防擴散層，完全可以起到阻止金屬粒子擴散的作用，同時反映條件要求不高，節約了生產成本。對于剛沉積的涂層進行檢測，其吸收率(α )為O. 93，半球向發射率(ε h)為O. 06，從圖2所示反射率曲線中可以看到，膜層的吸收限波長在1300nm以上，有較寬的光譜吸收范圍，曲線有兩個干涉低點，說明涂層具有明顯的干涉效應，曲線尾部上升段非常陡峭，說明整個涂層具有良好的太陽選擇性吸收性能。該涂層在經過400°C恒溫40分鐘的真空烘烤以后，其吸收率進一步上升到O. 95以上，而發射率卻下降到O. 05以下。這是因為在高溫烘烤下，紅外高反射層(底金屬層)收縮，晶體點陣排列更加致密，紅外反射性能提高，使膜系的發射率下降；由于防擴散層的存在不會發生前面所述的各層相互滲透的情況，但是高、低吸收層中的金屬離子在本層中會發生擴散，這樣正好彌補了膜層在制備過程中，濺射不均勻性造成的金屬粒子分布的不均勻性，使高低吸收層中的金屬粒子分布更加均勻，整個涂層對光的干涉作用進一步增強，從而提高了膜層的吸收率。
權利要求
1.一種太陽選擇性吸收涂層，其特征在于包括基材，基材上逐層鍍制紅外高反射層、第一防擴散層、第一吸收層、第二吸收層以及減反射層；其中第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。
2.如權利要求I所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于第一吸收層與第二吸收層之間還設置第二防擴散層。
3.如權利要求2所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于紅外高反射層為銅底金屬層，第一防擴散層為氮化鋁介質膜層，第一吸收層為充填因子f\=0. 3^0. 45所得到SS-AlN復合膜；第二吸收層為充填因子f2=0. 15^0. 3所得到的SS-AlN復合膜。
4.如權利要求3所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于紅外高反射層厚度為10(T200nm，第一防擴散層厚度為5 15nm，高金屬體積比吸收層厚度為3(T90nm，低金屬體積比吸收層厚度為2(T60nm，第二防擴散層厚度為3飛nm，減反射層厚度為3(T80nm。
5.如權利要求4所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于紅外高反射層厚度為200nm，第一防擴散層厚度為8nm，高金屬體積比吸收層厚度為50nm，低金屬體積比吸收層厚度為40nm,第二防擴散層厚度為5nm,減反射層厚度為73nm。
6.一種如權利要求3或4所述太陽選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于 步驟1，紅外高反射層制備在鍍膜機真空室真空度達到工作真空度時，充入純惰性氣體氬氣，啟動銅靶，在基材上鍍制銅底金屬層； 步驟2，第一防擴散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶，在紅外高反射層上鍍制純氮化鋁介質膜； 步驟3，第一吸收層(HMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣(N2),啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第一防擴散層上鍍制SS-AlN復合膜，充填因子f\=0. 3^0. 45 ； 步驟4，第二防擴散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，在第一吸收層上鍍制純氮化鋁介質膜； 步驟5，第二吸收層(LMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第二防擴散層上鍍制SS-AlN復合膜，充填因子f2=0. 15 0. 3 ； 步驟6，減反射層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時充入反應氣體氮氣，在第二吸收層上鍍制純氮化鋁介質膜。
全文摘要
本發明公開了一種太陽選擇性吸收涂層及其制備方法，該涂層包括基材，基材上逐層鍍制紅外高反射層、第一防擴散層、第一吸收層、第二吸收層以及減反射層；其中第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。本發明涂層太陽吸收率高、發射率低，同時膜系結構穩定，熱穩定性優異。
文檔編號C23C14/34GK102816992SQ20121028495
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月10日 優先權日2012年8月10日
發明者邵志雄, 趙峰, 閆文忠 申請人:湖北桑夏太陽能產業有限公司