專利名稱：一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽(yáng)能光熱應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層對(duì)可見-近紅外波段光譜吸收率高，對(duì)紅外波段光譜吸收率低，是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的關(guān)鍵技術(shù)。目前，太陽(yáng)能集熱管的應(yīng)用范圍主要有低溫(小于100°c )，中溫(100 250°C )，高溫(250°C以上)。目前應(yīng)用較多的是低溫集熱管，如果在較高的溫度(200°C以上)下工作，涂層的結(jié)構(gòu)容易被破壞，涂層整體性能發(fā)生改變。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是Al-AlN吸收涂層，即吸收層以Al為填充因子，AlN為介質(zhì)，在低溫范圍有較好的光熱轉(zhuǎn)換性能。此外還有成分漸變的SS-AlN的膜系，上述膜系采用干涉結(jié)構(gòu)，使得熱穩(wěn)定性能提高。但是以上膜系在溫度升高時(shí)，發(fā)射率也隨之提高，熱損增加，熱效率下降。一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在海水淡化，太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。因此我們需要一種在中高溫條件下，吸收好，發(fā)射低，并且熱穩(wěn)定性能好的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，對(duì)可見-近紅外波段光譜吸收率高，對(duì)紅外波段光譜吸收率低，適用于中高溫(100°c -500°c)工作溫度集熱管，涂層吸收率高，發(fā)射率低，熱穩(wěn)定性能好，克服在高溫下熱損升高等不足。本實(shí)用新型的目的在于提供一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層包括五層，從底層到表層依次為紅外高反射層、防擴(kuò)散阻隔層、高金屬填充因子吸收層、低金屬填充因子吸收層和減反射層；所述紅外高反射層為Cu膜，厚度在100 250nm ;所述防擴(kuò)散阻隔層為TiN膜，厚度在5 15nm ;所述高金屬填充因子吸收層為第一 T1-AlN膜，厚度在20 50nm ;所述低金屬填充因子吸收層為第二 T1-AlN膜，厚度在20 50nm ;所述介質(zhì)減反射層為AlN膜，厚度為50 150nm。本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案具有以下技術(shù)效果:(1)本實(shí)用新型是采用Ti靶材料，研制出的新型復(fù)合膜層，結(jié)構(gòu)致密，具有很強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，并且膜層吸收率達(dá)95%以上。(2)本實(shí)用新型提供的選擇性吸收涂層由紅外高反射層、TiN膜防擴(kuò)散阻隔層，第一T1-AIN，第二 T1-AlN干涉雙吸收層和AlN陶瓷結(jié)構(gòu)減反射層。在中高溫(大于200°C )條件下有很好的吸收和較低的發(fā)射，并且熱穩(wěn)定性能好。(3)膜層的穩(wěn)定性高，在500攝氏度經(jīng)過(guò)真空退火12小時(shí)后，其膜層微觀形貌未發(fā)生明顯變化，膜層的結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，其吸收率和發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。(4)本實(shí)用新型的制備方法簡(jiǎn)單無(wú)污染，可重復(fù)性強(qiáng)，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
圖1為選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1為紅外高反射層，2為防擴(kuò)散阻隔層，3為高金屬填充因子吸收層，4為低金屬填充因子吸收層，5為減反射層。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，在多種膜系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成此實(shí)用新型。下面結(jié)合圖1對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型，而非限制本實(shí)用新型。如圖1所示，為本實(shí)用新型的中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖，由下而上依次包括紅外高反射層1，防擴(kuò)散阻隔層2，高金屬填充因子吸收層3，低金屬填充因子吸收層4，減反射層5.其中紅外反射層為Cu層，防擴(kuò)散阻隔層為TiN層，高金屬填充因子吸收層和低金屬填充因子吸收層分別為第一 T1-AlN和第二 T1-AlN膜層，減反射層為AlN膜
層實(shí)施例1:本實(shí)用新型采用以下步驟制備:步驟一:在經(jīng)過(guò)去離子水清洗并烘干后的基體上制備第一層紅外高反射層；采用磁控濺射方法，純金屬為Cu靶，以Ar作為濺射氣體。本工序運(yùn)行前先將真空室預(yù)抽至3.0X10_3Pa 5X10_3Pa，通入氣體Ar作為濺射氣體，調(diào)節(jié)運(yùn)行濺射壓強(qiáng)為
0.15Pa 0.4Pa，利用濺射方式制備，涂層厚度為IOOnm 250nm的Cu膜。步驟二:在第一層涂層上制備第二層防擴(kuò)散阻隔層；采用金屬Ti祀磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為60 80sccm，N2的流量為30_60sccm，且氬氣和氮?dú)獾牧髁勘葹?.5 1:1，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.15Pa 0.4Pa，開啟Ti靶，在紅外高反射層上面制備一層TiN，厚度為5nm 15nm。步驟三:在第二層涂層上制備第三層高金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al祀,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ai^PN2混合氣體，Ar的流量為60 80sccm，N2的流量在80 150sccm，且其氬氣和氮?dú)獾牧髁勘葹?:2
1.5，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.15Pa 0.4Pa，開啟Ti靶和Al靶，在TiN防擴(kuò)散阻隔層上制備第一 T1-AlN膜，厚度為20nm 50nm，這第一 T1-AlN膜中的Ti金屬填充因子的體積與第一T1-AlN膜的體積的比值X為40% 60%。步驟四:在第三層涂層上制備第四層低金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti靶和Al靶，磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ai^P N2混合氣體，Ar的流量為60 80sccm，N2的流量在80 150sccm，且其氬氣和氮?dú)獾牧髁勘葹?:2 1:1，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.15Pa 0.4Pa，開啟Ti靶和Al靶，沉積第二 T1-AlN膜，其厚度為20 50nm;這第二 T1-AlN膜中金屬填充因子Ti的體積百分比比第一 T1-AlN膜中的小，其第二 T1-AlN膜中的Ti金屬填充因子的體積與第二 T1-AlN膜的體積的比值Y為20 40%，且X與Y的比為3 1.5:1兩吸收層之間形成干涉效果，很大程度上提高吸收率。步驟五:在第四層涂層上制備第五層減反射層；采用金屬Al靶，磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為60 80sccm，N2的流量在50 lOOsccm，且其氬氣和氮?dú)獾牧髁勘葹? 1:2，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.15Pa 0.4Pa，開啟Al靶，在第二 T1-AlN膜上制備AlN減反射層，厚度為50 150nm。減反射層具備增透和抗氧化性的效果。實(shí)施例2:一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，包括五個(gè)涂層即第一層紅外高反射層、第二層防擴(kuò)散阻隔層，第三層高金屬填充因子吸收層，第四層低金屬填充因子吸收層，第五層減反射層。該太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備步驟如下:步驟一:在經(jīng)過(guò)去離子水清洗并烘干后的基體(硼硅3.3玻璃基體)上制備第一層紅外高反射層；采用純金屬靶，磁控濺射方法，純金屬為Cu靶，以Ar作為濺射氣體。本工序運(yùn)行前先將真空室的真空壓強(qiáng)保持在5 X 10_3Pa，通入氣體Ar作為濺射氣體，調(diào)節(jié)運(yùn)行濺射壓強(qiáng)為0.36Pa、.38Pa，利用濺射方式制備，使用電子透鏡測(cè)得厚度為230nm。步驟二:在第一層涂層上制備第二層防擴(kuò)散阻隔層；采用金屬Ti IE,磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為78 80sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.36Pa"0.38Pa，開啟Ti靶，在紅外反射層上面制備一層TiN，厚度為15nm。步驟三:在第二層涂層上制備第三層高金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti靶和Al靶，磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為78 80sccm，N2的流量在106 108sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.36Pa 0.38Pa，開啟Ti靶和Al靶，在TiN防擴(kuò)散阻隔層上制備第一 T1-AlN膜，厚度為40nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第一 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.49。步驟四:在第三層涂層上制備第四層低金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti革巴和Al IE,磁控派射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為78 80sccm，N2的流量在ll(Tll2sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.36Pa"0.38Pa，開啟Ti靶和Al靶，在高金屬填充因子吸收層上制備一層第二 T1-AlN膜，厚度為45nm，其中Ti金屬填充因子的的體積與第二 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.26。步驟五:在第四層涂層上制備第五層減反射層；采用金屬Al IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為78 80sccm，N2的流量在6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.36Pa"0.38Pa，開啟Al靶，在第二 T1-AlN膜上制備AlN減反射層，厚度為lOOnm。本實(shí)例制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的性能如下:涂層的吸收率為α =95%,發(fā)射率為ε =0.045 (80°C)o進(jìn)行退火處理，在3.0X KT3Pa真空度下，經(jīng)過(guò)400°C—個(gè)小時(shí)退火后，涂層吸收率為α =95.5%，發(fā)射率為ε =0.038，熱損為0.518;在1.0 X KT3Pa真空度下，經(jīng)過(guò)500°C退火一個(gè)小時(shí)后，涂層吸收率為α=95.7%，發(fā)射率為ε =0.037 (80°C)，熱損為 0.476。實(shí)施例3:[0039]制備一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，包括五個(gè)涂層即第一層紅外高反射層、第二層防擴(kuò)散阻隔層，第三層高金屬填充因子吸收層，第四層低金屬填充因子吸收層，第五層減反射層。制備步驟如下:步驟一:在經(jīng)過(guò)去離子水清洗并烘干后的基體(不銹鋼基體)上制備第一層紅外高反射層；采用純金屬靶，磁控濺射方法，純金屬為Cu靶，以Ar作為濺射氣體。本工序運(yùn)行前先將真空室的真空壓強(qiáng)抽至5 X 10_3Pa，通入氣體Ar作為濺射氣體，調(diào)節(jié)運(yùn)行濺射壓強(qiáng)為
0.22Pa 0.25Pa，利用濺射方式制備，厚度為240nm。步驟二:在第一層涂層上制備第二層防擴(kuò)散阻隔層；采用金屬Ti IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體,Ar的流量為7(T72sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.23Pa"0.25Pa，開啟Ti靶，調(diào)節(jié)金屬靶的電壓為40(T410V，濺射電流為40A，在紅外反射層上面制備一層TiN，厚度為14nm。步驟三:在第二層涂層上制備第三層高金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為7(T72sccm，N2的流量為13(Tl32sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.23Pa"0.25Pa，開啟Ti靶和Al靶，在TiN防擴(kuò)散阻隔層上制備第一 T1-AlN膜，厚度為36nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第一 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.45。步驟四:在第三層涂層上制備第四層低金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為7(T72sccm，N2的流量在ll(Tll2sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.23Pa"0.25Pa，開啟Ti靶和Al靶，在高金屬填充因子吸收層上制備一層第二 T1-AlN膜，厚度為42nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第二 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.22。步驟五:在第四層涂層上制備第五層減反射層；采用金屬Al IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為7(T72sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.23Pa"0.25Pa，開啟Al靶，在第二 T1-AlN膜上制備AlN減反射層，厚度為105nm。本實(shí)例制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的性能如下:涂層的吸收率α =95.3%，發(fā)射率ε =0.040 (80°C )，進(jìn)行退火處理，在3.0X KT3Pa真空度下，經(jīng)過(guò)400°C—個(gè)小時(shí)退火后，涂層吸收率為α=95.6%，發(fā)射率為ε =0.038 (80°C )，熱損為0.512。實(shí)施例4:制備一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，包括五個(gè)涂層即第一層紅外高反射層、第二層防擴(kuò)散阻隔層，第三層高金屬填充因子吸收層，第四層低金屬填充因子吸收層，第五層減反射層。制備步驟如下:步驟一:在經(jīng)過(guò)去離子水清洗并烘干后的基體(玻璃基體)上制備第一層紅外高反射層；采用純金屬靶，磁控濺射方法，純金屬為Cu靶，以Ar作為濺射氣體。本工序運(yùn)行前先將真空室的真空壓強(qiáng)保持在5X10_3Pa，通入氣體Ar作為濺射氣體，Ar的流量為7r76sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行濺射壓強(qiáng)為0.27Pa、.29Pa，利用濺射方式制備，厚度為235nm。步驟二:在第一層涂層上制備第二層防擴(kuò)散阻隔層；[0056]采用金屬Ti IE,磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.27Pa 0.29Pa，開啟Ti靶，在紅外反射層上面制備一層TiN，厚度為14nm。步驟三:在第二層涂層上制備第三層高金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量為120 122sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.27Pa 0.29Pa，開啟Ti靶和Al靶，在TiN防擴(kuò)散阻隔層上制備第一 T1-AlN膜，厚度為38nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第一 T1-AlN膜的體積之間的體積為0.47。步驟四:在第三層涂層上制備第四層低金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量在115 1178(^111，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.27Pa 0.29Pa，開啟Ti靶和Al靶，在高金屬填充因子吸收層上制備一層第二 T1-AlN膜，厚度為43nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第二 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.24。步驟五:在第四層涂層上制備第五層減反射層；采用金屬Al IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.27Pa"0.29Pa，開啟Al靶，在第二 T1-AlN膜上制備AlN減反射層，厚度為102nm。本實(shí)例制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的性能如下:涂層的吸收率為α =95.6%，發(fā)射率為ε =0.043 (80°C)。進(jìn)行退火處理，在3.0 X 10_3Pa真空度下，經(jīng)過(guò)400°C—個(gè)小時(shí)退火后，涂層吸收率為α =95.9%，發(fā)射率為ε = 0.035 (80°C )，熱損為0.481。實(shí)施例5: 制備一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，包括五個(gè)涂層即第一層紅外高反射層、第二層防擴(kuò)散阻隔層，第三層高金屬填充因子吸收層，第四層低金屬填充因子吸收層，第五層減反射層。步驟一:在經(jīng)過(guò)去離子水清洗并烘干后的基體上制備第一層紅外高反射層；采用純金屬靶，磁控濺射方法，純金屬為Cu靶，以Ar作為濺射氣體。本工序運(yùn)行前先將真空室的真空壓強(qiáng)保持在5X10_3Pa，通入氣體Ar作為濺射氣體，Ar的流量為7r76sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行濺射壓強(qiáng)為0.29Pa^0.31Pa，利用濺射方式制備，厚度為250nm。步驟二:在第一層涂層上制備第二層防擴(kuò)散阻隔層；采用金屬Ti IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.29Pa"0.31Pa，開啟Ti靶，在紅外反射層上面制備一層TiN，厚度為15nm。步驟三:在第二層涂層上制備第三層高金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al祀,磁控派射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量為120 122sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.29Pa 0.31Pa，開啟Ti靶和Al靶，在TiN防擴(kuò)散阻隔層上制備第一 T1-AlN膜，厚度為40nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第一 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.48。步驟四:在第三層涂層上制備第四層低金屬填充因子吸收層；采用金屬Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量在115 1178(^111，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.29Pa"0.31Pa，開啟Ti靶和Al靶，在高金屬填充因子吸收層上制備一層第二 T1-AlN膜，厚度為50nm，其中Ti金屬填充因子的體積與第二 T1-AlN膜的體積之間的體積比為0.23。步驟五:在第四層涂層上制備第五層減反射層；采用金屬Al IE,磁控派射方法,反應(yīng)氣體為N2氣。通入Ar和N2混合氣體，Ar的流量為74 76sccm，N2的流量為6(T62sccm，調(diào)節(jié)運(yùn)行壓強(qiáng)為0.29Pa"0.31Pa，開啟Al靶，在第二 T1-AlN膜上制備AlN減反射層，厚度為lOOnm。本實(shí)例制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的性能如下:涂層的吸收率為α =94.5%，發(fā)射率為ε =0.032.進(jìn)行退火處理，在3.0 X 10_3Pa真空度下，經(jīng)過(guò)400°C —個(gè)小時(shí)退火后，涂層吸收率為α=94. 8%，發(fā)射率為ε = 0.030 (80°C )，熱損為0.492。
權(quán)利要求1.一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:該涂層包括五層，從底層到表層依次為紅外高反射層、防擴(kuò)散阻隔層、高金屬填充因子吸收層、低金屬填充因子吸收層和減反射層；所述紅外高反射層為Cu膜；所述防擴(kuò)散阻隔層為TiN膜；所述高金屬填充因子吸收層為第一 T1-AlN膜；所述低金屬填充因子吸收層為第二 T1-AlN膜；所述減反射層為AlN膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述紅外高反射層Cu膜厚度為100 250nm ;所述防擴(kuò)散阻隔層TiN膜厚度為5 15nm ;所述高金屬填充因子吸收層第一 T1-AlN膜厚度為20 50nm ;所述低金屬填充因子吸收層第二 T1-AlN膜厚度為20 50nm ;所述減反射層AlN膜厚度為50 150nm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層包括五層，從底層到表層依次為紅外高反射層、防擴(kuò)散阻隔層、高金屬填充因子吸收層、低金屬填充因子吸收層和減反射層；紅外高反射層為Cu膜，厚度在100～250nm；防擴(kuò)散阻隔層為TiN膜，厚度在5～15nm；高金屬填充因子吸收層為第一Ti-AlN膜，厚度在20～50nm；低金屬填充因子吸收層為第二Ti-AlN膜，厚度在20～50nm；減反射層為AlN膜，厚度為50～150nm。該復(fù)合膜層，結(jié)構(gòu)致密，具有很強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，并且膜層吸收率達(dá)95%以上，在大于200℃中高溫條件下有很好的吸收和較低的發(fā)射，并且熱穩(wěn)定性能好。
文檔編號(hào)B32B9/04GK203063207SQ201320039698
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者邵志雄, 趙鋒, 高雄虎 申請(qǐng)人:湖北桑夏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)有限公司