吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜選擇性吸收涂層領(lǐng)域，尤其是一種吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選 擇性吸收涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜選擇性吸收涂層是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的核心材料，其作用是吸收太陽(yáng)光能 量將其轉(zhuǎn)換為熱能，涂層溫度升高，進(jìn)而由傳熱介質(zhì)通過(guò)傳導(dǎo)的方式將熱量帶走加以利用。 由基爾霍夫定律、普朗克定律、維恩定律可知：處于熱平衡時(shí)，任何物體對(duì)黑體福射的吸收 率等于同溫度、同波長(zhǎng)下該物體的輻射率，并且不同溫度黑體輻射能量的波長(zhǎng)有一個(gè)極大 值，隨著溫度升高波長(zhǎng)的峰值向短波方向移動(dòng)。太陽(yáng)輻射相當(dāng)于6000K的黑體輻射，輻射波 長(zhǎng)范圍為300-2500nm，輻射波長(zhǎng)峰值集中在500nm附近；室溫（20°C )到500°C的熱輻射波 長(zhǎng)峰值在9. 9-3. 7 μπι之間。衡量涂層選擇性吸收性能的重要指標(biāo)之一是太陽(yáng)光譜吸收率 α與紅外輻射率ε⑴之比，α/ε，α/ε值越大越適合200°C以上的中高溫應(yīng)用?，F(xiàn)有 的光譜選擇性吸收涂層并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)吸收邊可調(diào)的光譜選擇性吸收涂層的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層，能夠?qū)崿F(xiàn)高太陽(yáng)光吸收 到低紅外輻射的吸收邊連續(xù)可調(diào)，并且隨著吸收邊向短波方向移動(dòng)，輻射率降低。
[0004] 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0005] 通過(guò)一種吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下步 驟：基底層清洗；采用鍍膜方法在基底層上制備紅外反射層；采用鍍膜方法在紅外反射層 上制備吸收層；采用鍍膜方法在吸收層上制備減反層；所述的吸收層自下而上依次包括金 屬亞層、半導(dǎo)體鍺亞層和以及金屬氮氧化物亞層，所述金屬亞層、半導(dǎo)體鍺亞層和以及金屬 氮氧化物亞層均采用鍍膜方法依次制備。
[0006] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，基底層清洗過(guò)程 包括：首先，采用中性洗滌液對(duì)所述基底層進(jìn)行初步清洗；然后，在通過(guò)射頻離子源轟擊， 對(duì)所述基底層表面進(jìn)行二次清洗，工作氣體為惰性氣體。
[0007] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，所述鍍膜方法為 磁控濺射法；
[0008] 制備紅外反射層時(shí)，選用的靶材為鋁靶、銅靶、金靶、銀靶、鎳靶或鉻靶，工作氣體 為惰性氣體；
[0009] 制備金屬亞層時(shí)，選用的靶材為鈦靶、銅靶、銀靶、金靶或鎳靶，工作氣體為惰性氣 體；
[0010] 制備半導(dǎo)體鍺亞層時(shí)，選用的靶材為半導(dǎo)體鍺靶，工作氣體為惰性氣體；
[0011] 制備金屬氮氧化物亞層時(shí)，選用的靶材為鈦靶、鋯靶、鈮靶、鋁靶中的一種或幾種， 工作氣體為惰性氣體、氮?dú)夂脱鯕狻?br>[0012] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，所述紅外反射層 選用的靶材的熱膨脹系數(shù)大于所述金屬亞層選用的靶材的熱膨脹系數(shù)，所述金屬亞層的選 用靶材的熱膨脹系數(shù)大于半導(dǎo)體鍺的熱膨脹系數(shù)。
[0013] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，制備減反層，包 括制備高折射率介質(zhì)層和制備低折射率介質(zhì)層；
[0014] 其中：
[0015] 制備所述高折射率介質(zhì)層時(shí)，選用的靶材為鈦靶、鉍靶、鈰靶、鈮靶、碲靶、鉿靶、鋯 靶、鉻靶、銻靶、鉭靶或硅靶，工作氣體為惰性氣體和氧氣；
[0016] 制備所述低折射率介質(zhì)層時(shí)，選用的靶材為硅靶、鋁靶、釷靶、鏑靶、銪靶、釓靶、釔 靶、鑭靶、鎂靶或釤靶，工作氣體為惰性氣體和氧氣。
[0017] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，制備紅外反射 層時(shí)，脈沖直流電源濺射功率為1180-1240?，工作氣壓為4. 8-5. 2mTorr，工作氣體流量為 49-51sccm，基片傳輸速率為0. 97-1. 05m/min，基片在靶下往返運(yùn)動(dòng)5-6次；
[0018] 制備金屬亞層時(shí)，脈沖直流電源濺射功率為980-1040?，工作氣壓為 4. 8-5. 2mTorr，工作氣體流量為49-51sccm，基片傳輸速率為1. 17-1. 25m/min，基片在靶下 運(yùn)動(dòng)1-2次；
[0019] 制備半導(dǎo)體鍺亞層時(shí)，脈沖直流電源濺射功率為485-530?，工作氣壓為 2. 8-3. 2mTorr，工作氣體流量為49_51sccm，基片傳輸速率分別為1. 5m/min至2. 3m/min，基 片在靶下運(yùn)動(dòng)2-3次；
[0020] 制備金屬氮氧化物亞層時(shí)，脈沖直流電源濺射功率為980-1050?，工作氣 壓為4. 8-5. 2mTorr，工作氣體惰性氣體的流量為49-51sccm，工作氣體(V流量為 1. 27-1. 33sccm，工作氣體N2流量為7. 8-8. lsccm，基片傳輸速率分別為0· 5m/min至0· 6m/ min，基片在靶下運(yùn)動(dòng)4-16次。
[0021] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，制備高折射率 介質(zhì)層時(shí)，脈沖直流電源濺射功率為980-1050?，工作氣壓為4. 8-5. 2mTorr，工作氣體 惰性氣體的流量為49-51SCCm，工作氣體(V流量為7. 8-8. lsccm，基片傳輸速率分別為 0. 38-0. 41m/min，基片在靶下運(yùn)動(dòng)4-22次；
[0022] 制備低折射率介質(zhì)層時(shí)，脈沖直流電源濺射功率為2000-2050?，工作氣壓為 4. 8-5. 2mTorr，工作氣體惰性氣體的流量為29-31sccm，工作氣體02流量為14-15. 5sccm， 基片傳輸速率分別為〇. 34-0. 45m/min，基片在靶下運(yùn)動(dòng)3-4次。
[0023] 本發(fā)明的目的還可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0024] 通過(guò)一種吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層，所述吸收邊連續(xù)可調(diào)的太 陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層是由上述的制備方法制備的，包括：基底層；在基底層自下而上依 次排布有紅外反射層、吸收層和減反層；所述的吸收層自下而上依次包括金屬亞層、半導(dǎo)體 鍺亞層和以及金屬氮氧化物亞層；所述的紅外反射層的材料為鋁、銅、金、銀、鎳或鉻，所述 金屬亞層的材料選擇為鈦、銅、銀、金或鎳，所述紅外反射層的材料的熱膨脹系數(shù)大于所述 金屬亞層的材料的熱膨脹系數(shù)，所述金屬亞層的材料的熱膨脹系數(shù)大于半導(dǎo)體鍺的熱膨脹 系數(shù)。
[0025] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層，所述的基底的材料為玻璃、 鋁、銅或不銹鋼；所述的紅外反射層的材料為鋁、銅、金、銀、鎳或鉻；所述半導(dǎo)體鍺亞層的 材料為非晶態(tài)鍺；所述金屬亞層的材料選擇為鈦、銅、銀、金或鎳；金屬氮氧化物亞層的材 料為 TiNxOy、ZrNxOy、NbNxO y或 TiAlSiN xOy。
[0026] 上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層，所述基底層的厚度為 0. 2-10mm ;所述紅外反射層的厚度為50-200nm ;所述半導(dǎo)體鍺亞層的厚度為0nm-25nm ;金 屬亞層的厚度為2-20nm ;金屬氮氧化物亞層的厚度為0-120nm。
[0027] 本發(fā)明的目的還可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0028] 通過(guò)一種集熱器，包括殼體，在所述殼體上蓋板，在所述蓋板下方設(shè)有吸熱層和保 溫層，所述吸熱層為上述的吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層。
[0029] 借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出的一種吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂 層至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 1)本發(fā)明公開(kāi)的涂層制備工藝簡(jiǎn)單、鍍膜設(shè)備所需條件要求低，適用于大規(guī)模低 成本生產(chǎn)。
[0031] 2)通過(guò)調(diào)控半導(dǎo)體鍺亞層、金屬氮氧化物亞層和減反層厚度的厚度，實(shí)現(xiàn)高太陽(yáng) 光吸收到低紅外輻射的吸收邊連續(xù)可調(diào)，并且隨著吸收邊向短波方向移動(dòng)，輻射率降低，使 其適合工作溫度從低溫到中高溫的不同集熱器。
[0032] 3)通過(guò)吸收層中的金屬亞層、半導(dǎo)體鍺亞層和以及金屬氮氧化物亞層的共同作 用，結(jié)合減反層光學(xué)干涉減反，使太陽(yáng)光在吸收層金屬氮氧化物亞層/半導(dǎo)體鍺亞層/金屬 亞層和紅外反射層之間實(shí)現(xiàn)多次反射與吸收，并且反射層也參與部分太陽(yáng)光譜吸收，從而 大幅度降低了半導(dǎo)體鍺亞層的厚度，降低了吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的 成本。
[0033] 4)金屬亞層的作用還可以作為半導(dǎo)體鍺亞層與紅外反射層之間的過(guò)渡層，從而提 高了吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性。金屬層厚度極薄不影響涂層 的紅外輻射性能。
[0034] 5)通過(guò)調(diào)控氮氧比使金屬氮氧化物光學(xué)帶隙在太陽(yáng)光波段，其在紅外波段是透明 的，對(duì)膜系紅外輻射率影響很小。
[0035] 6)引入低成本極薄金屬層以及金屬氮氧化物部分替代半導(dǎo)體Ge吸收層，整個(gè)膜 系結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體鍺昂貴的用量降低，從而降低了涂層制造成本。
[0036] 上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是本發(fā)明提出的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例紫外-紅外波段吸收光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的一種吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂 層，詳細(xì)說(shuō)明如后。
[0040] 制備方法實(shí)施例
[0041] 一種吸收邊連續(xù)可調(diào)的太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下步驟：基 底層清洗；采用鍍膜方法在基底層上制備紅外反射層；采用鍍膜方法在紅外反射層上制 備吸收層；采用鍍膜方法在吸收層上制備減反層；所述的吸收層自下而上依次包括金屬亞 層、半導(dǎo)體鍺亞層和以及金屬氮氧化物亞層，所述金屬亞層、半導(dǎo)體鍺亞層和以及金屬氮氧 化物亞層均采用鍍膜方法依次制備。
[0042] 具體實(shí)施時(shí)，所述基底層清洗過(guò)程包括：首先，采用中性洗滌液對(duì)所述基底層進(jìn)行 初步清洗；然后，在通過(guò)射頻離子源轟擊，對(duì)所述基底層表面進(jìn)行二次清洗，工作氣體為惰 性氣體。
[0043] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)