一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2‑Ag‑SiO2複合膜及其製備方法與流程

2023-12-10 12:10:17

本發明涉及太陽能熱發電反射鏡用材料生產製造技術領域，具體涉及一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜及其製備方法。

背景技術：

隨著世界範圍內能源的短缺和環境問題的加劇，以太陽能為主的可再生能源的研究、開發、利用日益得到重視。太陽能發電主要分為光伏發電和光熱發電。光伏發電在過去的幾十年裡已得到快速發展。近幾年，光熱發電以其效益好，清潔無汙染、運行穩定、便於併入電網等諸多優點，受到關注。據專家預測，不久的將來光熱發電容量將遠遠超過光伏，並有可能取代常規能源而廣泛的被人類所利用。太陽能熱發電系統使用大型太陽能反射鏡收集太陽能以用來發電，這些系統在經濟上是否可行主要取決於能否研發出耐久性好、反射率高且生產成本低的反射鏡系統。光熱發電站多建在光照充足、太陽輻射強的地區，如我國西部廣袤的戈壁和大漠上，但是這些地區環境比較惡劣，因此太陽能熱發電系統中反射鏡的壽命將決定發電站的成本。故而反射率高、附著性好、使用壽命長的反射鏡是目前研究的重點。

由於銀在紅外區域有較高的反射率，所以它有很大的潛力可以作為高性能反射鏡膜層材料，然而，銀膜在被用作反射材料時有一個很大的問題需要考慮，即耐久性不能保證，因為銀膜機械強度和化學穩定性都不好，很容易被氧化或者硫化，失去光澤，這就會導致反射率的降低，故在銀膜上鍍一層保護膜是必不可少的。此外，由於Ag與玻璃基底的附著力比較差，而且在一些特殊的氣氛中易被腐蝕而脫落，從而影響了其使用性能，因此，在實際應用中，還需要在兩者之間鍍一層介質層，以提高反射層與基底的附著力。可是如果保護膜厚度不能得到有效控制，也會影響反射率的提高。

為了得到高反射率、附著性好、使用壽命長的反射鏡用反射材料，研究者們開展了一系列的研究。趙永贊等人研究了在太陽能聚光器薄膜的製備過程中附著力大小的問題，在蒸鍍鋁膜前先在基底表面上蒸鍍一層薄的鉻膜，由於鉻會從氧化物基片中奪取氧並且形成氧化物，有較強的化學鍵力，所以極大地提升了聚光器膜層的附著性。Tetsuya Goto採用濺射法分別在環烯烴聚合物和二氧化矽上製備銀膜，採用Si3N4膜作保護層，得到了反射率高而且耐久性好的反射膜。Kennedy等採用氧化鋁作保護層，銀為表面反射層，使其太陽光的反射率達到95％。徐勇軍等採用納米銀為表面反射層，太陽光的反射率達到了96.74％。中國專利(專利公開號：CN102260854A)公開了一種自潔太陽能高反射率納米薄膜及製造方法，當反射膜為銀膜時，對太陽光的反射率為94％～97％，當反射膜為鋁膜時，反射率為90％～92％。中國專利(專利公開號：CN104681662A)公開了一種高反射率太陽能薄膜的製備方法，當銀膜的厚度為130nm和二氧化矽的厚度為320nm時，膜反射率最高，太陽光和可見光反射率分別為96.66％和98.84％，並且膜材的耐磨性和抗老化性良好。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：為了避開現有技術中存在的缺陷和不足之處，本發明提供一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜及其製備方法，該方法得到的複合膜具有高反射率、附著性良好以及戶外使用壽命長的特點。

本發明提供的技術方案是：一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜，其特徵在於，它包含玻璃基板1以及形成於玻璃基板上的膜層；膜層由過渡層(或稱介質層)、反射層和保護層構成，過渡層、反射層和保護層依次從玻璃基板1的表面向外布置，過渡層、反射層、保護層均是通過射頻磁控濺射法製得；所述的過渡層2的材料為SiO2，厚度為20nm-50nm；所述的反射層3的材料為Ag，厚度為100nm-200nm；所述的保護層4的材料為SiO2，厚度為50nm-150nm。

上述一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，其特徵在於包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質(髒物)然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗10-30min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗10-30min，得到玻璃基板；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5-1.5Pa，靶基距固定在60-100mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100-200W，濺射時間為10-30min；在玻璃基板上得到一過渡層；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5-1.5Pa，靶基距固定在60-100mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100-200W，濺射時間為10-30min；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5-1.5Pa，靶基距固定在60-100mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100-200W，濺射時間為20-40min；得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

採用該方法製備的膜繫結構，紅外反射率可以達到99.73％，而且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率可超過100％。

採用剝落實驗，參考附著力測試標準GBT9286-1998，其附著力可以達到0級(一共6級，其中0級表示附著性最好，5級表示附著性最差)。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：(1)本發明得到的膜繫結構，紅外反射率達99.73％以上。(2)膜層之間特別是膜層和玻璃基板之間具有良好的附著性，參考附著力測試標準GBT9286-1998，其附著力可以達到0級(一共6級，其中0級表示附著性最好，5級表示附著性最差)，在光熱發電站所處的惡劣環境中具有長的使用壽命。(3)工藝路線簡單，適合工業化大規模生產，既節約了成本，也節約了維護費用，減少了環境汙染。

附圖說明

圖1為本發明一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的示意圖。

圖2為本發明實施例1中的SiO2-Ag-SiO2複合膜反射率圖。

圖3為本發明實施例1的一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜薄膜附著力測試圖：其中，a為測試前圖，b為測試後圖。

圖4為本發明實施例2中的SiO2-Ag-SiO2複合膜反射率圖。

圖5為本發明實施例3中的SiO2-Ag-SiO2複合膜反射率圖。

圖6為本發明實施例4中的SiO2-Ag-SiO2複合膜反射率圖。

圖7為本發明實施例5中的SiO2-Ag-SiO2複合膜反射率圖。

圖8為本發明實施例6中的SiO2-Ag-SiO2複合膜反射率圖。

圖1中：1為玻璃基板，2為過渡層，3為反射層，4為保護層。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合實例進一步闡明本發明的內容，但本發明不僅僅局限於下面的實施例。

實施例1：

一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質(髒物)然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗20min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗20min，得到玻璃基板1；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5Pa，靶基距固定在60mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100W，濺射時間為10min；在玻璃基板1上得到一過渡層(SiO2膜)2，SiO2膜厚度為30nm；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為108W，濺射時間為20min，在過渡層2上得到反射層3(銀膜)，銀膜厚度為110nm；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5Pa，靶基距固定在60mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100W，濺射時間為20min，SiO2膜厚度為55nm；得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

實施例1所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜如圖1所示，所述薄膜按順序包括：

玻璃基板1；過渡層(SiO2膜)2，材料為SiO2，厚度為30nm；反射層3，材料為Ag，厚度為110nm，保護層4，材料為SiO2，厚度為55nm。

實施例1所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜系紅外反射率高於99.76％，且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率甚至超過100％，附著力可達0級，戶外使用壽命長。

實施例2：

一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質(髒物)然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗20min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗20min，得到玻璃基板；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為20min；在玻璃基板1上得到一過渡層(SiO2膜)2，SiO2膜厚度為40nm；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為108W，濺射時間為20min，在過渡層2上得到反射層3(銀膜)，銀膜厚度為110nm；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為30min，，得到保護層(SiO2膜)，SiO2膜厚度為102nm；最後得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

實施例2所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜系紅外反射率高於99.81％，且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率甚至超過100％，附著力可達0級，戶外使用壽命長。

實施例3：

一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質(髒物)然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗20min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗20min，得到玻璃基板；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.5Pa，靶基距固定在100mm，氬流量為40sccm，濺射功率為200W，濺射時間為30min；在玻璃基板上得到一過渡層(SiO2膜)，SiO2膜厚度為50nm；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為108W，濺射時間為20min，在過渡層2上得到反射層3(銀膜)，銀膜厚度為110nm；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.5Pa，靶基距固定在100mm，氬流量為40sccm，濺射功率為200W，濺射時間為40min，SiO2膜厚度為139nm；得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

實施例3所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜系紅外反射率高於99.90％，且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率甚至超過100％，附著力可達0級，戶外使用壽命長。

實施例4：

一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質(髒物)然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗20min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗20min，得到玻璃基板；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為20min；在玻璃基板上得到一過渡層(SiO2膜)，SiO2膜厚度為40nm；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為160W，濺射時間為20min，在過渡層2上得到反射層3(銀膜)，銀膜厚度為150nm；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為30min，SiO2膜厚度為102nm；得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

實施例4所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜系紅外反射率高於99.87％，且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率甚至超過100％，附著力可達0級，戶外使用壽命長。

實施例5：

一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗10min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗10min，得到玻璃基板；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為20min；在玻璃基板上得到一過渡層(SiO2膜)，SiO2膜厚度為40nm；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.5Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為160W，濺射時間為30min，在過渡層2上得到反射層3(銀膜)，銀膜厚度為200nm；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為230min，SiO2膜厚度為102nm；得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

實施例5所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜系紅外反射率高於99.82％，且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率甚至超過100％，附著力可達0級，戶外使用壽命長。

實施例6：

一種太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜的製備方法，包括以下步驟：

1)選取普通載玻片(作為基底)，用洗潔精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的雜質然後用自來水衝刷乾淨，再放入去離子水中超聲波清洗30min，最後放入無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中超聲波清洗30min，得到玻璃基板；將清洗好的玻璃基板保存在無水乙醇【99.99％(質量)，分析純】中備用；

2)在玻璃基板(或稱玻璃基底)上製備過渡層(或稱介質層)：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，SiO2靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為1.0Pa，靶基距固定在80mm，氬流量為40sccm，濺射功率為150W，濺射時間為10-30min；在玻璃基板上得到一過渡層(SiO2膜)，SiO2膜厚度為40nm；

3)在過渡層上製備反射層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，反射層的材料為銀，銀的靶材尺寸為純度為99.99wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5Pa，靶基距固定在60mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100W，濺射時間為30min，在過渡層2上得到反射層3(銀膜)，銀膜厚度為200nm；

4)在反射層上製備保護層：方法是用射頻磁控濺射沉積方式，保護層的材料為SiO2，靶材尺寸為純度為99.999wt％，濺射氣體為體積分數為99.999％的高純氬，濺射室真空度為4.0×10-4Pa，工作氣壓為0.5Pa，靶基距固定在60mm，氬流量為40sccm，濺射功率為100W，濺射時間為20min，SiO2膜厚度為137nm；得到太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜。

在步驟2)、3)、4)中，濺射前均需對靶材進行5分鐘的預濺射，以除去靶材表面殘留的氧化物和汙染物。

實施例6所得太陽能熱發電反射鏡用SiO2-Ag-SiO2複合膜系紅外反射率高於99.89％，且由於SiO2膜的增透效果，紅外反射率甚至超過100％，附著力可達0級，戶外使用壽命長。

以及本發明各工藝參數(如氣壓、靶基距、濺射功率、時間等)的上下限、區間取值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可做出若干推演或替換，都應當視為本發明的保護範圍。