一種太陽能選擇性吸收膜系的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能熱利用材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于高溫非真空條件下的太陽能選擇性吸收涂層，具體是指基于梯度微結(jié)構(gòu)硅輻射吸收層的具有高吸收低輻射性能的太陽能選擇性吸收膜系。
技術(shù)背景
[0002]太陽能光熱轉(zhuǎn)化是一種能量轉(zhuǎn)換效率和利用率高而且成本低廉、可在全社會廣泛推廣的太陽能利用方式。當前太陽能熱利用最活躍、并已形成產(chǎn)業(yè)。無論哪種形式和結(jié)構(gòu)的太陽能集熱器，都要有一個用來吸收太陽輻射的核心太陽光譜選擇性吸收涂層，該涂層在可見光-近紅外波段(0.3?2.5 ym)具有高吸收率，在紅外波段具有低發(fā)射率的功能薄膜，是用于太陽能集熱器，提高光熱轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。而對于一個實際應(yīng)用中的受熱體，其熱輻射能量集中在波長為3.0?30.0 μ m的紅外光譜范圍內(nèi)，為了減少熱損失，防止吸收的短波能量又以長波形式輻射掉，就要在熱輻射波段內(nèi)保持盡可能低的熱發(fā)射比(通常用ε表示)，即相當于使物體在熱輻射波段內(nèi)保持盡可能低的吸收率?？傊褪且刮毡砻嬖谧畲笙薅鹊匚仗栞椛涞耐瑫r，盡可能減小其輻射熱損失。因此，具有這一特性的材料成為太陽能集熱器領(lǐng)域的研宄熱點。
[0003]現(xiàn)有的太陽能選擇性吸收膜系采用四層膜結(jié)構(gòu)，從頂層至底層依次為:減反層、吸收層、紅外反射層和基底層，吸收膜(層)有TXT涂料、黑鉻、AlN/Al、NiCrNxOy和TiNxOy等。然而，TXT涂料作為吸收膜，其吸收率最高只有92%，發(fā)射率卻高達40% ;鍍鉻膜系，因其工藝過程污染環(huán)境，已經(jīng)很少使用；A1N/A1由于不能在非真空的高溫環(huán)境下長期使用，也被淘汰；目前較多使用的NiCrNxOy、TiNxOy等吸熱膜，其制備過程需要同時考慮兩種反應(yīng)氣體氮氣和氧氣，且由于氧氣的參與使得工藝參數(shù)難以控制，而且對設(shè)備的密封要求非常嚴格。中國專利公開號CN1584445A所公開的NiCrNxOy吸熱膜在對NiCr金屬含量做了漸變層后，吸收率最高才達到92%，最低輻射率為0.1。中國專利公開號CN101240944A和CN201196495Y所公開的TiNxOy薄膜在加上了二氧化硅Si02減反膜后，吸收率可達到96%，發(fā)射率低于4%，需要精確調(diào)控氮氣和氧氣的含量。同時，上述吸收膜系當溫度較高時，其發(fā)射率隨溫度升高而急劇升高，而且膜層中的金屬成分容易在高溫中擴散，造成膜層的老化和脫落，導(dǎo)致集熱器熱效率的降低和使用壽命的縮短。中國專利公開號CN103411335A所公開的基于混合物的太陽能選擇性吸收膜系也未提及吸收膜系的工作溫度及其在高溫空氣中使用穩(wěn)定性問題。為此，要解決中高溫太陽能吸收光熱材料吸收體，從大規(guī)模鍍膜技術(shù)角度考慮，很希望有新的材料膜系來解決這些問題。
[0004]硅薄膜材料具有優(yōu)良的光學(xué)和物化特性，是微電子及光電子產(chǎn)業(yè)極為重要的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、光電子、信息顯示、光通訊、激光、精密機械、國防軍事及國內(nèi)外重大科學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。硅薄膜材料近年來在光伏和光熱領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有中高溫太陽能選擇性吸收膜的耐熱、耐候、耐磨性差和壽命低等缺點，本發(fā)明在于提供一種既具備良好的選擇性吸收性能，同時具備耐熱，耐腐蝕，耐磨損和耐候性能好，適宜于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的梯度結(jié)構(gòu)硅薄膜系列太陽能光熱轉(zhuǎn)換薄膜的膜系結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種太陽能選擇性吸收膜系，包括依次從上至下的減反層、吸收層、紅外反射層和金屬基底層，其特征是，所述吸收層為梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層，由依次從下至上的多晶硅膜層、微晶硅膜層、納米晶硅膜層和非晶硅膜層組成。
[0007]不同微結(jié)構(gòu)硅膜的帶隙和折射率不同，梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層采用上述疊層結(jié)構(gòu)可提高對太陽光譜帶的總體吸收能力，同時，多界面吸收疊層增加了界面散射和缺陷中心，最高限度地控制了輻射躍迀，提高了光熱轉(zhuǎn)換效率。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層薄膜的厚度范圍1250-3200nm，其優(yōu)選范圍為 1800_2700nm。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述的梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為多晶硅層的厚度范圍350nm-800nm，微晶硅層的厚度范圍300nm-800nm，納米晶硅層的厚度范圍350nm-800nm，納米娃晶粒尺寸在5nm-10nm，非晶娃層的厚度范圍250nm-800nm。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層的折射率為3.45-4.3，可以通過調(diào)節(jié)各種微結(jié)構(gòu)硅層的厚度及晶態(tài)比來改變，連續(xù)調(diào)節(jié)可形成漸變膜。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述金屬基底層為不銹鋼材料。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述金屬基底層和紅外反射層之間設(shè)有作為緩沖介質(zhì)層的三氧化二鉻層。該介質(zhì)層主要解決兩個問題，一是與金屬基底I的結(jié)合力得到增強，二是阻礙紅外反射層銀的高溫團聚及對金屬襯底的擴散。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述紅外反射層和梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層之間設(shè)有作為金屬/硅介質(zhì)隔離層的三氧化二鉻層。該層主要作用是控制紅外反射層銀的高溫團聚和阻礙紅外反射層銀往梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層的擴散。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述減反層為二氧化硅層，折射率小于1.4，厚度為100nm_150nmo
[0015]本發(fā)明所述太陽能選擇性吸收膜系的有益效果是:
(O由于采用了梯度微結(jié)構(gòu)硅薄膜作為吸收層，使得本發(fā)明的吸收膜系一方面可以大幅提高太陽光吸收效率，另一方面顯著降低了整個膜系發(fā)射率，具有光熱轉(zhuǎn)換效率高的特點，可廣泛應(yīng)用于中高溫太陽能光熱轉(zhuǎn)換的集熱器。同時，疊層組合硅薄膜大大增加了產(chǎn)品設(shè)計的靈活性和選擇范圍，可以針對具體市場選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0016](2)本發(fā)明的吸收膜系在保持高吸收率和低發(fā)射率前提下，具有結(jié)構(gòu)簡單，提高工業(yè)化生產(chǎn)效率的優(yōu)勢。由于吸收膜層適應(yīng)于各種形式硅結(jié)構(gòu)的組合，相比于其他已公開的吸收膜，可以大大提高了吸收膜的耐候性和穩(wěn)定性，從而提高了集熱器的使用壽命。
[0017](3)本發(fā)明的吸收膜系中梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層制備所用材料可以靈活選擇，如硅烷、三氯氫硅等。
[0018](4)本發(fā)明的兩層三氧化二鉻對紅外反射層銀有極好的溫度穩(wěn)定作用，使該吸收膜系可在500°C的大氣環(huán)境下長期工作。
【附圖說明】
[0019]圖1為梯度微結(jié)構(gòu)硅膜的太陽能選擇性吸收膜系的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，I為金屬基底，2為抗熱循環(huán)應(yīng)力緩沖介質(zhì)層三氧化二鉻，3為紅外反射層銀，4為金屬/硅介質(zhì)隔離層三氧化二鉻，5為梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層，6為抗反射二氧