一種太陽能選擇吸收復合涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種太陽能選擇吸收復合涂層，依次包括底層金屬片、熱擴散阻擋層、吸收層和減反射層，其中熱擴散阻擋層為Ta納米層，吸收層為AlN-Ag納米層，減反射層為AlN納米層。本發明還公開了這種涂層的制備方法，包括底層金屬片預處理、沉積吸收復合涂層和退火處理工序，其中沉積吸收復合涂層工序為采用三靶室溫直流磁控濺射法，以金屬Al、Ag和Ta為濺射靶材沉積吸收涂層采用電場進行退火處理。本發明將高熔點金屬Ta引入吸收涂層作為擴散阻擋層，顯著提高了涂層的熱穩性以及界面結合力。采用電場退火對涂層進行處理，提高了涂層的吸收率。本發明操作簡單方便，可控性好，清潔無污染，適合大規模產業化。
【專利說明】一種太陽能選擇吸收復合涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太陽光譜選擇吸收涂層，本發明還涉及這種太陽光譜選擇吸收涂層的制備方法，屬于真空鍍膜【技術領域】。
【背景技術】
[0002]太陽能利用是當前能源材料利用領域的前言課題。太陽能具有可再生能源，清潔無污染、安全且取之不盡的優點，把低品位的太陽能轉換成高品位的熱能，是太陽能熱利用中的關鍵技術。太陽能集熱器是一種可將太陽能轉化為熱能的設備，其最核心部分是表面選擇性吸收涂層，這種涂層吸收太陽能紫外到近紅外范圍內的大部分光波，而在紅外波段則是強反射，自身紅外輻射率很低，是太陽能集熱裝置的核心材料。欲得到高效的吸收涂層需解決兩個主要矛盾問題:一是太陽光譜內有盡可能高的吸收率α ;二是輻射波長范圍內有盡可能低的輻射損失，即低發射率ε。
[0003]依據選擇性吸收涂層的作用機理，大體可以分為以下三種類型:(1)材料本征吸收涂層，包括半導體和過渡金屬材料，如Ti和Zr等過渡金屬本身具有光譜選擇性吸收特性，利用該材料制備的涂層具有一定的太陽能選擇吸收性；半導體材料具有適當的能隙(0.62-1.24ev)，如Si和Ge等是比較理想的候選材料，將半導體涂層與對紅外和遠紅外反射率很高的金屬襯底結合可以獲得較好的光譜選擇性。(2)光干涉吸收涂層，利用可見-近紅外光譜的干涉與吸收效應的共同作用，將涂層設計成多層結構，與襯底的高紅外反射特性匹配制成干涉濾波型涂層，如A1203/Mo/A1203干涉型選擇性吸收涂層等。(3)漸變金屬-介質復合涂層，是目前最常用的選擇吸收涂層，漸變金屬-介質復合材料吸收層由多層金屬-介質復合材料亞層組成，每個亞層由納米尺寸的金屬粒子彌散分散在介質基體內，如多層漸變不銹鋼-碳/銅等。
[0004]太陽能選擇性吸收涂層的制備方法有電鍍(如黑鎳、黑鉻和黑鈷涂層等)、陽極氧化法、化學氣相沉積法和磁控濺射沉積等。其中電鍍涂層和化學氣相沉積涂層等普遍存在著吸收率比較高的同時發射率也比較高，以及膜系耐候性較差和污染環境等劣勢而逐漸被淘汰，如黑鉻和黑鎳鍍膜等。而磁控濺射技術具有操作工藝簡單、膜層沉積速率高、重復性好、可沉積多層膜，而且容易實現在大面積上沉積均勻的薄膜，具有成本低、便于大規模產業化生產等特點。
[0005]目前，在我國廣泛應用的選擇性涂層中，當溫度較高時，發射率隨溫度急劇升高，而且膜層中金屬成分容易在高溫中擴散，造成膜層的老化和脫落，導致了涂層吸收效率的損耗和使用壽命的縮短。如何提高吸收涂層的吸收率，降低發射率，提高其熱穩定性成為亟需解決的重要問題。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種太陽能選擇吸收復合涂層。
[0007]本發明的另一個目的是提供這種太陽能選擇吸收復合涂層的制備方法，可以廣泛用于改善各種選擇性復合涂層的光譜吸收與熱穩定性能，克服了傳統選擇吸收涂層耐熱性差的缺點。
[0008]本發明采用的技術方案為:一種太陽能選擇吸收復合涂層，依次包括底層金屬片、熱擴散阻擋層、吸收層和減反射層，其特征在于:所述熱擴散阻擋層為Ta納米層，吸收層為AlN-Ag納米層，減反射層為AlN納米層。
[0009]進一步的，所述熱擴散阻擋層Ta納米層的厚度為8?10nm，吸收層AlN-Ag納米層的總厚度為105nm，減反射層AlN納米層的厚度為60nm。
[0010]進一步的，所述吸收層為單層吸收層或多層梯度吸收層；所述單層吸收層為AlN-Ag單層納米膜；所述多層梯度吸收層包含有3?6個周期膜層，以AlN-Ag為一個周期膜層，AlN層和Ag層為每一個周期膜層中的兩個亞層。
[0011]進一步的，所述多個梯度周期層的梯度為AlN層厚度由底層向表面方向逐漸增力口，Ag層厚度不變。
[0012]進一步的，所述底層金屬片為Cu片。
[0013]本發明提供這種太陽能選擇吸收復合涂層的制備方法為:包括底層金屬片預處理、沉積吸收復合涂層和退火處理工序，其特征在于:所述沉積吸收復合涂層工序為采用三靶室溫直流磁控濺射法，以純度99.9?99.99wt%的金屬Α1、99.95?99.99wt%的金屬Ag和99.9?99.99wt%的金屬的Ta為濺射靶材沉積吸收涂層；所述的退火處理工序為采用電場對沉積結束的吸收涂層進行退火處理。
[0014]進一步的，所述三靶室溫直流磁控濺射法為在鍍膜之前，先抽本底真空至
5.5' W5Pa,然后通入高純Ar氣，設置流量為20sCCm，通過閘板閥調節真空室真空度為
4.0Pa,開始進行20?30 min的預濺射，預濺射之后，在將真空度調至1.2?1.5Pa工作壓力；
首先開始沉積熱擴散阻擋層金屬非晶Ta膜，設置功率為150W，控制膜厚為8?10nm，其中底層金屬片溫度為室溫；
然后開始沉積吸收層，對于單層吸收層AIN-Ag，通入N2，設置流量為10sccm，N與Al進行反應濺射沉積A1N，沉積功率為200W，同時沉積金屬Ag，沉積功率為15W，控制單層厚度為105nm ;對于多層吸收層，以AlN-Ag為一個沉積周期，設置周期值，按照單層吸收層沉積方法依次沉積AlN層和Ag層，其中周期逐漸增加，AlN層厚度也逐漸增加，Ag層厚度不變，控制多層總厚度為105nm ；
最后沉積一層厚度為60 nm的AlN減反射層，沉積功率為200W。
[0015]進一步的，所述電場退火處理的方法為設置電場的溫度為250 ° C，電場強度為3kV/cm，將樣品放置在電場中保溫I?L 3h。
[0016]有益效果:本發明提供的納米多層梯度太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法中:
(1)利用熱穩定性高、在500°C保溫Ih后依然具有良好的阻擋效果的金屬Ta作為擴散阻擋層，提高了涂層的熱穩性；
(2)將紅外反射Ag作為摻雜金屬，沉積到AlN吸收膜中，采用多層與成分梯度的復合結構設計，同時進行電場退火處理，減小了涂層異質界面的內應力，改善了摻雜金屬Ag在涂層中分布的均勻性，促進了膜層的晶化，提高了涂層的吸收率，降低了發射率，還增加吸收涂層的熱穩性與工作可靠性；(3)本發明方法還具有較好的重復性和可控性，操作簡單方便，可控性好，清潔無污染，適合大規模產業化，通過電場退火處理得到的納米多層梯度吸收涂層具有更高的吸收率和更低的反射率，熱穩定高，綜合性能優，本發明方法制備的吸收涂層的吸收率達到94~95%，發射率降低至5~6%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明。
[0018]圖1為A1N/Ag三層梯度薄膜的XRD圖譜。
[0019]圖2為A1N/Ag三層梯度薄膜的EDX和SEM圖。
[0020]圖3為吸收涂層的吸收光譜圖。[0021]圖4為吸收涂層的反射光譜圖。
【具體實施方式】
[0022]下面的實施列可以使本專業技術人員更全面的理解本發明，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。
[0023]實施例1 儀器準備
一臺型號為JGP500A的磁控濺射儀，該設備安裝三支F75mm永磁磁控靶，最大濺射功率為500W; —臺四工位具有公轉功能的樣品轉盤，可實現三靶共濺射實驗；樣品既可加熱也可水冷，最高溫度可到達800 ° C，加熱速率可調范圍在10 ° C/min — 50 ° C/min，適用于制備多種不同材料薄膜；真空系統中配有一臺2XZ-8 (8L/S)型機械泵和FF-200/1200渦淪分子泵，最高真空度可達到6.0- 10_6 Pa。
[0024]材料準備
濺射靶材分別為純度99.9wt%的Al、99.99wt%的Ag和99.9wt%的Ta，直徑均為75mm ；襯底為拋光后的金屬Cu片。
[0025]制備涂層:采用直流磁控反應濺射法制備兩組相同的納米多層梯度太陽光譜選擇吸收涂層
先用乙醇和丙酮將Cu襯底依次進行30min超聲清洗，以除去其表面灰塵和油潰，表面的污潰除了會影響薄膜與襯底的黏附性之外，還會直接影響到薄膜的結晶性，故襯底材料的清洗工作也是相當關鍵的一步。
[0026]鍍膜前，對Al，Ag和Ta靶進行20 min的預濺射，以除去表面的氧化物等雜質。
[0027]首先沉積一層厚度為8nm的非晶Ta膜作為擴散阻擋層，設置沉積功率為150W ； 接著沉積單層吸收層:通入反應氣體N2氣，設置流量為lOsccm，N與Al進行反應濺射
沉積A1N，沉積功率為200W，同時沉積金屬Ag，沉積功率為15W，控制單層厚度為105nm ； 然后沉積一層厚度為60 nm的純AlN減反射層，沉積功率設置為200W。
最后將一組樣品進行普通熱退火處理。
[0028]將另一組樣品進行電退火處理:設置電場強度為3kV/cm，電場溫度為250°C，將樣品放置電場中保溫lh。
[0029]實施例2 按照實施例1所述的方法進行制備納米多層梯度太陽光譜選擇吸收涂層，其中沉積吸收層時選擇沉積三層梯度吸收層:以AlN-Ag為一個沉積周期，設置周期值為3，選定亞層比例，按照單層吸收層沉積方法依次沉積AlN層和Ag層，沉積出來的三層梯度膜吸收層分別為 AlN20nm-Ag5nm/AlN30nm-Ag5nm/AlN40nm-Ag5nmo
[0030]對于實施例2的吸收涂層進行結構表征與光譜吸收性能測試:
Cl)吸收涂層的微觀結構與成分采用XRD，EDX和SEM進行了表征
如圖1所示:XRD圖譜中出現了 AlN (3) (I)和Ag (2) (4) (5)層的特征峰，，但是峰寬較大，表明沉積態涂層中AlN和Ag的晶粒較小。
[0031]如圖2所示:EDX圖中可以看到Al (2)，Ag (2) (3)和N (I)的峰，其中Al含量較高；SEM圖看出薄膜表面光滑，無顆粒，均勻性較好。
[0032](2)利用紫外-可見光光度計測量和紅外光譜儀測量吸收涂層的光譜吸收與反射性能
如圖3所示，曲線4為鍍膜后AlN-Ag單層薄膜，曲線2為鍍膜后AlN-Ag三層薄膜，曲線3為電場退火后的AlN-Ag單層薄膜，曲線I為電場退火后的AlN-Ag三層薄膜。由此可見，在紫外-可見光(0.3-2.0mm)區間，涂層具有較高的吸收性能，其中電場退火處理的多層梯度膜的吸收率最高；
如圖4所示，是涂層反射光譜圖，曲線e為鍍膜后AlN-Ag單層薄膜，曲線d為鍍膜后AlN-Ag三層薄膜，曲線c為熱退火后的AlN-Ag單層薄膜，曲線b為熱退火后的AlN-Ag三層薄膜，曲線a為電場退火后的AlN-Ag三層薄膜，曲線I為熱退火后的AlN-Ag三層薄膜，曲線2為電場退火后的AlN-Ag三層薄膜。可以看出，在紫外-可見光區間涂層具有較低的反射率,而在紅外光譜區間，反射率急劇升高,并且隨著退火的處理,反射率也增加,其中電場退火處理的多層梯度膜具有最高的反射率，由此表明，電場處理的多層梯度膜具有最高的吸收率與最低的發射率，綜合性能最佳。
【權利要求】
1.一種太陽能選擇吸收復合涂層，依次包括底層金屬片、熱擴散阻擋層、吸收層和減反射層，其特征在于:所述熱擴散阻擋層為Ta納米層，吸收層為AlN-Ag納米層，減反射層為AlN納米層。
2.根據權利要求1所述的太陽能選擇吸收復合涂層，其特征在于:所述熱擴散阻擋層Ta納米層的厚度為8?10nm，吸收層AlN-Ag納米層的總厚度為105nm，減反射層AlN納米層的厚度為60nm。
3.根據權利要求1或2所述的太陽能選擇吸收復合涂層，其特征在于:所述吸收層為單層吸收層或多層梯度吸收層；所述單層吸收層為AlN-Ag單層納米膜；所述多層梯度吸收層包含有3?6個周期膜層，以AlN-Ag為一個周期膜層，AlN層和Ag層為每一個周期膜層中的兩個亞層。
4.根據權利要求3所述的太陽能選擇吸收復合涂層，其特征在于:所述多個梯度吸收層的梯度為AlN層厚度由底層向表面方向逐漸增加，Ag層厚度不變。
5.根據權利要求1所述的太陽能選擇吸收復合涂層，其特征在于:所述底層金屬片為Cu片。
6.一種權利要求1所述太陽能選擇吸收復合涂層的制備方法，包括底層金屬片預處理、沉積吸收復合涂層和退火處理工序，其特征在于:所述沉積吸收復合涂層工序為采用三靶室溫直流磁控濺射法，以純度99.9?99.99wt%的金屬Α1、99.95?99.99wt%的金屬Ag和99.9?99.99wt%的金屬Ta為濺射靶材沉積吸收涂層；所述的退火處理工序為采用電場對沉積結束的吸收涂層進行退火處理。
7.根據權利要求6所述的太陽能選擇吸收復合涂層的制備方法，其特征在于:所述三靶室溫直流磁控濺射法具體步驟如下: (1)先抽本底真空至5.5' 10_5Pa，然后通入高純Ar氣，設置流量為20sCCm，通過閘板閥調節真空室真空度為4.0Pa,開始進行20?30min的預濺射，預濺射之后，再將真空度調至1.2?1.5Pa工作壓力； (2)沉積熱擴散阻擋層金屬非晶Ta膜:設置功率為150W，控制膜厚為8?10nm，其中底層金屬片溫度為室溫； (3)沉積吸收層:對于單層吸收層AIN-Ag，通入N2，設置流量為10sCCm，N與Al進行反應濺射沉積A1N，沉積功率為200W，同時沉積金屬Ag，沉積功率為15W，控制單層厚度為105nm ；對于多層吸收層，以AlN-Ag為一個沉積周期，設置周期值，按照單層吸收層沉積方法依次沉積AlN層和Ag層，其中周期逐漸增加，AlN層厚度也逐漸增加，Ag層厚度不變，控制多層總厚度為105nm ； (4)沉積一層厚度為60nm的AlN減反射層，沉積功率為200W。
8.根據權利要求6所述的太陽能選擇吸收復合涂層的制備方法，其特征在于:所述電場退火處理的方法為設置電場的溫度為250 ° C，電場強度為3kV/cm，將樣品放置在電場中保溫I?1.3h。
【文檔編號】C23C14/58GK103954059SQ201410091209
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】黃林沖, 操振華, 石俊, 魏明真, 孟祥康 申請人:江蘇奧藍工程玻璃有限公司, 南京大學