一種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)明涉及一種太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽能光譜選擇性吸 收涂層的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽光譜選擇性吸收涂層在波長范圍為0. 3ym-2. 5ym的太陽光波段具有高吸 收率a，在波長范圍為2. 5ym-50ym的紅外波段具有低輻射率e，因此，太陽光譜選擇性 吸收涂層廣泛應用于太陽能集熱器或集熱管，是實現(xiàn)太陽能光熱轉(zhuǎn)換的核心材料。目前，現(xiàn) 有的太陽能選擇性吸收涂層主要包括依次設置在玻璃、鋁、不銹鋼等基片上的紅外反射層、 吸收層和減反層，其中，紅外反射層的主要作用是反射紅外線，減少熱量向外的輻射，當紅 外反射層達到一定厚度情況下，紅外反射層越致密，紅外反射效果越好，保溫性能越好；吸 收層用來吸收太陽光能量，溫度升高將其轉(zhuǎn)化為熱能，減反層用來減少吸收層與空氣界面 處的太陽光反射，以使更多的太陽光穿過減反層到達吸收層。
[0003] 隨著太陽能熱利用需求和技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能集熱管的應用范圍從低溫應用 (< 100°C)向中溫應用（100-400°C)和高溫應用（> 400°C)發(fā)展，以不斷滿足海水淡化、 太陽能發(fā)電等中高溫應用領(lǐng)域的使用要求。然而，對于太陽能集熱管而言，工作溫度越高， 對選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性要求越高。隨著工作溫度的升高，涂層往往存在吸收率降低， 輻射量升高的問題，影響涂層的使用溫度和壽命。
[0004] 中國專利文獻CN102620456公開了一種太陽能選擇吸收涂層，該涂層主要包括依 次沉積在具有紅外反射功能的襯底上的擴散阻擋層、吸收層和減反射層；或者主要包括依 次沉積在襯底上的紅外反射層、擴散阻擋層、吸收層和減反射層；紅外反射層的成分為Cu、 Mo或Ag;擴散阻擋層的成分為含有金屬鉻的鉻-氮復合成分；吸收層由鉻單質(zhì)-氧化鉻多 元相、鉻單質(zhì)-氮氧化鉻多元相中的一種或兩種組成；所述減反射層為310 2陶瓷薄膜。然 而，該吸收涂層熱穩(wěn)定性較差，僅能適用于278°C以下的工作溫度，其中的紅外反射層、擴散 阻擋層以及吸收層中的金屬組分容易發(fā)生層間相互擴散，從而導致該薄膜的太陽光譜吸收 率明顯降低，紅外輻射率急劇升高，因此，使用該薄膜的太陽能集熱管并不能滿足278°C以 上的應用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中太陽能選擇吸收涂層中的紅外 反射層與吸收層之間發(fā)生相互擴散，及含有擴散阻擋層的太陽能選擇性吸收涂層中的紅外 反射層、擴散阻擋層和吸收層之間發(fā)生的相互擴散導致熱穩(wěn)定性較差，太陽光譜吸收率明 顯降低，紅外輻射率急劇升高的問題，提出一種具有良好熱穩(wěn)定性的太陽能選擇性吸收涂 層及其制備方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] -種太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次設置基片、紅外反射層、過渡層、 復合吸收層和減反層；
[0008]其中，所述過渡層為CrNx、yCrN? (l-y)Cr203、ySi3N4 ? (l-y)Si02、yAlN? (l-y)Al203、 yTi3N4. (11)打02中的一種或幾種，其中，1 <x<1.5,0<y<l。
[0009] 所述紅外反射層、過渡層、復合吸收層和減反層的厚度的比值范圍為 80-200:5-35:65-160:50-150。
[0010] 所述復合吸收層由下至上依次包括金屬亞層、金屬氮化物亞層和金屬氮氧化物亞 層，所述金屬亞層、金屬氮化物亞層和金屬氮氧化物亞層的折射率和消光系數(shù)均為依次降 低。
[0011] 所述金屬亞層為Cr層，所述金屬氮化物亞層為(^^層，所述金屬氮氧化物亞層為 CrrtA，其中，1 彡 1. 5,0 <m2彡 1. 5,0 <n彡 2。
[0012] 所述Cr層、CrNw層、CrNwOjl的厚度之比為 10-40:25-60:30-60。
[0013] 所述基片為玻璃、鋁、銅或不銹鋼中的一種或幾種；
[0014] 所述紅外反射層為六1、(：11、411、48、附中的一種或幾種；
[0015] 所述減反層為Si02、Si3N4、A1203、Th02、Dy203、Eu203、Gd203、Y203、La203、MgO或Sm203 中的一種或幾種，優(yōu)選地，所述減反層為Si02。
[0016] -種制備所述的太陽能選擇性吸收涂層的方法，在所述基片上依次鍍制所述紅外 反射層、過渡層、復合吸收層和減反層，即得。
[0017] 所述的太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下步驟：
[0018] (1)選取相應的金屬靶材，通入惰性工作氣體，采用脈沖直流磁控濺射法在所述基 片上沉積金屬膜作為紅外反射層；
[0019] (2)選取相應的金屬靶材，通入惰性工作氣體和第一反應氣體，采用脈沖直流磁控 濺射法在所述紅外反射層上沉積所述過渡層；
[0020] (3)選取相應的金屬靶材，先后通入惰性工作氣體、第二反應氣體、第三反應氣體， 采用脈沖直流磁控濺射法在所述過渡層上沉積所述復合吸收層；
[0021] (4)選取相應的金屬靶材，通入惰性工作氣體和第四反應氣體，采用脈沖直流磁控 濺射法在所述復合吸收層上沉積所述減反層。還對所述基片進行預處理，具體如下：
[0022] 先采用中性洗滌液對所述基片進行清洗，之后再采用射頻離子源對基片進行二次 清洗，得到預處理后的基片。
[0023] 步驟（1)-⑷中所述的惰性工作氣體均為氬氣；
[0024] 所述第一反應氣體為氮氣或者氮氣和氧氣的混合氣，所述第二反應氣體為氮氣， 所述第三反應氣體為氧氣，所述第四反應氣體為氧氣。
[0025] 所述惰性工作氣體的通入流量為40_60sccm，所述第一反應氣體中氮氣的通入 流量為50-80sccm，所述第一反應氣體中氧氣的通入流量為5-30sccm，所述第二氣體的通 入流量為5-8〇SCCm，所述第三氣體的通入流量為5-3〇SCCm，所述第四氣體的通入流量為 5-30sccm〇
[0026] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：
[0027] (1)本發(fā)明所述的太陽能選擇性吸收涂層，通過從底層到表面依次設置基片、紅 外反射層、過渡層、復合吸收層和減反層，并設置所述過渡層為CrNx、yCrN* (l-y)Cr203、 ySi3N4* (l-y)Si02、yAlN- (l-y)Al203、yTi3N4* (l-y)Ti02中的一種或幾種，其中，l<x < 1. 5,0 <y< 1，從而使得本發(fā)明所述涂層能夠有效阻止所述紅外反射層與吸收層之間 發(fā)生相互擴散，及含有擴散阻擋層的太陽能選擇性吸收涂層中的紅外反射層、擴散阻擋層 和吸收層之間發(fā)生的相互擴散，有效提高所述選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性能，本發(fā)明所述 選擇性吸收涂層的吸收率a高達95%以上，輻射率e低于5% (80°C)，經(jīng)過250°C大氣 環(huán)境372h退火后，性能和表面形貌無明顯變化，經(jīng)過400°C大氣環(huán)境28h退火后，吸收率為 93. 45%，輻射率為4. 70%，吸收發(fā)射比為19. 9,表面形貌無明顯變化，由此可見，本發(fā)明所 述的選擇性吸收涂層具有良好的熱穩(wěn)定性能和較好的光譜選擇性。
[0028] (2)本發(fā)明所述的太陽能選擇性吸收涂層，通過將所述復合吸收層設置為由下至 上依次包括金屬亞層、金屬氮化物亞層和金屬氮氧化物亞層，所述金屬亞層、金屬氮化物亞 層和金屬氮氧化物亞層的折射率和消光系數(shù)均為依次降低，從而本發(fā)明所述選擇性吸收涂 層的吸收-反射過渡區(qū)陡峭，進一步使其在太陽能光譜范圍〇. 3ym-2. 5ym具有較高的吸 收率，在熱輻射紅外區(qū)域2.5 具有極低的輻射率，并且能夠使得紅外反射層、所 述金屬亞層、金屬氮化物之間的界面應力得以有效降低，提高涂層之間的附著力，進一步有 利于提高所述選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0029] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合 附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中
[0030] 圖1是本發(fā)明所述的太陽能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2A-2C是本發(fā)明所述的太陽能選擇性吸收涂層分別在未處理、250°C、400°C處 理后的表面形貌圖；
[0032] 圖3A-3C是對比例2所述的選擇性吸收涂層分別在未處理、250 °C、400 °C處理后的 表面形貌圖。
[0033] 圖中附圖標記表示為：1-基片，2-紅外反射層，3-過渡層，41-金屬吸收亞層， 42-金屬氮化物亞層，43-金屬氮氧化物亞層，5-減反層。
【具體實施方式】
[0034] 實施例1
[0035] 本實施例提供一種太陽能選擇性吸收涂層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，從底層到表面依 次設置基片、紅外反射層、過渡層、復合吸收層和減反層。
[0036] 其中，所述基片為錯基片，其厚度為0. 5mm。
[0037] 所述紅外反射層為A1層，其厚度為200nm，所述紅外反射層的電導率大于 106S?m:〇
[00