一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，涂層從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層。所述吸收層的材料為碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，厚度為50?90 nm，該復(fù)合物中稀土釔原子百分比為0.5?3%。所述減反射層為氧化鋁，厚度為50?90 nm。本發(fā)明制備的涂層在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，吸收率為≥0.88，發(fā)射率≤0.13；該涂層具有很好的高溫穩(wěn)定性，可長期在800 oC的真空環(huán)境下使用。本發(fā)明提供的涂層具有可見?紅外光譜高吸收率，紅外光譜低發(fā)射率的特點，由于稀土釔的加入，該涂層具有微孔形結(jié)構(gòu)，極大的提高了吸收率。該涂層制備工藝簡單，操作方便，易于控制，在太陽能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，尤其涉及一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽能熱發(fā)電和真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，在社會的可持續(xù)發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。太陽能作為可再生能源，以其分布廣泛、清潔、永久等特點成為最理想的替代能源，得到世界各國的廣泛重視與研究，其中太陽能發(fā)電是研究的重中之重。選擇性吸熱涂層的作用是盡可能多地吸收太陽能，將其轉(zhuǎn)化為熱能而被利用，與此同時盡可能減少因熱輻射而產(chǎn)生的熱損失，即需要提高太陽能吸收率和降低熱發(fā)射率。由于太陽能熱利用的需求日益增加，新型中高溫金屬陶瓷光譜選擇吸收涂層已經(jīng)成為目前研究的熱點。性能優(yōu)異的太陽能吸收涂層具有高的可見光吸收率、低的紅外光發(fā)射率，能把能量密度低的太陽能轉(zhuǎn)化為能量密度高的熱能，提高太陽能熱利用的效率。根據(jù)光譜選擇吸收涂層的作用機理可知，金屬陶瓷光譜選擇性吸收涂層是太陽能熱利用的核心材料，如何高效率地將吸收的太陽輻射能以熱的形式傳遞是太陽能熱利用的關(guān)鍵問題之一。
[0003]近年來，研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多性能優(yōu)良的太陽能吸收涂層，如Α1-Α1Ν、Μο-Si02、W-Al203、Cr-Cr203、N1-Al203、Mo-Al203、Cr-Al203、Co-WC、W-N1-Al203、Ag-Al203、Mo-Si3N4、Al-N1-Al203、W-N1-YSZ等。其中Mo-S12 和Mo-AhO3 體系已被意大利Angelanton1-ENEA公司和德國Siemens公司成功商業(yè)化推廣。該涂層在工作溫度580 °(:下具有優(yōu)異的光學(xué)性能和良好的長期熱穩(wěn)定性。對于太陽能熱發(fā)電而言，高的工作溫度將極大提高光熱發(fā)電效率。但是在高的工作溫度下，作為填充粒子的金屬或金屬合金在高溫下易發(fā)生擴(kuò)散、氧化、團(tuán)聚等現(xiàn)象，由此導(dǎo)致吸收涂層光學(xué)性能的衰減。因此，開發(fā)在更高溫度(大于600 0C)下具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和光學(xué)性能的高溫太陽能吸收涂層具有重要的學(xué)術(shù)意義和實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中的基于傳統(tǒng)太陽能吸收涂層存在的問題以及碳化鈦高溫陶瓷潛在的光譜選擇性的特點而提供一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供上述含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法。
[0006]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;所述的吸收層材料為碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，所述的減反射層材料為氧化招。
[0007]所述吸收層復(fù)合物的厚度為50-90nm。
[0008]所述吸收層復(fù)合物中稀土釔原子百分比為0.5-3%。
[0009]所述減反射層的厚度為50-90nm。
[0010]所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為0.5-3nm。
[0011]所述的吸收層復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，稀土釔采用射頻磁控濺射方法制備;所述的減反射層氧化鋁采用射頻磁控濺射。
[0012]上述含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:
(1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質(zhì)后，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹干，真空保存；
(2)吸收層的制備:采用純度為99.99%的碳化鈦和稀土釔作為磁控濺射靶材;采用雙靶共濺射方法制備吸收層，其中碳化鈦采用直流磁控濺射，稀土釔采用射頻磁控濺射方法，將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4-10W/cm—2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.5-3 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和稀土乾的復(fù)合物，厚度為50-90 nm；
(3 )減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50-90 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為20-100 0C;
(4)涂層高溫處理:將所制備的涂層在真空環(huán)境下，500-900 °(:溫度下真空處理2-10小時，最終制備出本發(fā)明所述的含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層。
[0013]所述吸收層濺射過程中吸熱體基底溫度為20-100°C。
[0014]所述減反射層濺射過程中吸熱體基底溫度為20-100°C。
[0015]本發(fā)明的太陽能選擇性吸收涂層，以碳化鈦和稀土釔復(fù)合物為吸收層，氧化鋁為減反射層，經(jīng)過高溫真空擬合制備，極大的豐富了碳化鈦陶瓷和稀土釔在太陽能產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。本發(fā)明的太陽能選擇性涂層由圖2可知，該涂層在紫外可見近紅外光譜范圍內(nèi)具有低的反射率，在紅外光譜范圍內(nèi)具有高的反射率，在大氣質(zhì)量因子AMl.5條件下，吸收率多0.88，發(fā)射率<0.13;由于高溫真空處理，該涂層形成了微孔形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)極大的提高了太陽光吸收率和高溫穩(wěn)定性。在高真空度下，經(jīng)800°C長時間保溫后，涂層的吸收率和發(fā)射率沒有明顯的變化，表明該涂層具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能。本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)簡單，從而簡化了工藝，操作方便，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，本發(fā)明在太陽能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的反射譜圖。
【具體實施方式】
[0017]下面通過具體實施例對本發(fā)明一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備及性能作進(jìn)一步說明。
[0018]實施例1
一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為I.5nm，吸收層材料為碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，吸收層復(fù)合物的厚度為75nm。吸收層復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，稀土釔采用射頻磁控濺射方法制備;吸收層復(fù)合物中稀土釔原子百分比為0.98%。減反射層材料為氧化鋁，減反射層的厚度為80 nm，減反射層氧化鋁采用射頻磁控濺射。
[0019]上述含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂的制備方法，包括如下技術(shù)工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為1.5 nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗15分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0020](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和稀土釔作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，稀土釔靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至3.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為8.7 W/cm—2，稀土釔靶材的濺射功率密度為1.1 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為35 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，其厚度為75 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250C。
[0021 ] (3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在6.14 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為35 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為80 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為25 0C0
[0022](4)涂層高溫處理:將所制備的涂層在真空環(huán)境下800 °C溫度下真空擬合處理5小時。最終制備出本發(fā)明所述的含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層。
[0023]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.90，發(fā)射率為0.10；在高真空度下，經(jīng)8000C長時間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
[0024]實施例2
一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為0.5 nm，吸收層材料為碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，吸收層復(fù)合物的厚度為50nm。吸收層復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，稀土釔采用射頻磁控濺射方法制備;吸收層復(fù)合物中稀土釔原子百分比為0.5%。減反射層材料為氧化鋁，減反射層的厚度為90 nm，減反射層氧化鋁采用射頻磁控濺射。
[0025]上述含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂的制備方法，包括如下技術(shù)工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為0.5 nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗10分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0026](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和稀土釔作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，稀土釔靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為10 W/cm—2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.5 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為100 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，其厚度為50 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為200C。
[0027](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為90 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為
20°Co
[0028](4)涂層高溫處理:將所制備的涂層在真空環(huán)境下900 °C溫度下真空擬合處理2小時。最終制備出本發(fā)明所述的含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層。
[0029]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.88，發(fā)射率為0.10；在高真空度下，經(jīng)800 0C長時間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
[0030]實施例3
一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為3.0nm，吸收層材料為碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，吸收層復(fù)合物的厚度為90 nm。吸收層復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，稀土釔采用射頻磁控濺射方法制備;吸收層復(fù)合物中稀土釔原子百分比為3%。減反射層材料為氧化鋁，減反射層的厚度為50 nm，減反射層氧化鋁采用射頻磁控濺射。
[0031 ]上述含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂的制備方法，包括如下技術(shù)工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為3.0 nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗20分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0032](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和稀土釔作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，稀土釔靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至7.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4.0W/cm—2，稀土釔靶材的濺射功率密度為3 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，其厚度為90 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為1000C。
[0033](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在lOW/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為100Co
[0034](4)涂層高溫處理:將所制備的涂層在真空環(huán)境下500 °C溫度下真空擬合處理10小時。最終制備出本發(fā)明所述的含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層。
[0035]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.88，發(fā)射率為0.12；在高真空度下，經(jīng)800 0C長時間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
【主權(quán)項】
1.一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;所述的吸收層材料為碳化鈦和稀土釔的復(fù)合物，所述的減反射層材料為氧化鋁。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸收層復(fù)合物的厚度為50-90 nm03.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸收層復(fù)合物中稀土釔原子百分比為0.5-3%。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述減反射層的厚度為50-90 nm05.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述減反射層的厚度為50-90 nm06.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為0.5-3 nm。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的吸收層復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，稀土釔采用射頻磁控濺射方法制備;所述的減反射層氧化鋁采用射頻磁控濺射。8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟: (1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質(zhì)后，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹干，真空保存； (2)吸收層的制備:采用純度為99.99%的碳化鈦和稀土釔作為磁控濺射靶材;采用雙靶共濺射方法制備吸收層，其中碳化鈦采用直流磁控濺射，稀土釔采用射頻磁控濺射方法，將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4-10W/cm—2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.5-3 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和稀土乾的復(fù)合物，厚度為50-90 nm，派射過程中吸熱體基底溫度為20-100 0C; (3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50-90 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為20-100 0C; (4)涂層高溫:將所制備的涂層在真空環(huán)境下，500-900°(:溫度下真空處理2-10小時，最終制備出本發(fā)明所述的含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于:所述吸收層濺射過程中吸熱體基底溫度為20-100 °C。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種含稀土釔高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于:所述減反射層濺射過程中吸熱體基底溫度為20-100 °C。
【文檔編號】C23C14/08GK105970176SQ201610418437
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】高祥虎, 劉剛, 郭志明, 耿慶芬, 馬鵬軍, 王愛勤
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所