一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜及其製造方法
2023-06-03 11:49:46 1
專利名稱：一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜及其製造方法
技術領域：
本發明屬於薄膜技術與薄膜材料領域，具體涉及了一種太陽能光譜高溫選擇性吸 收膜及其製造方法。
背景技術：
根據吸收太陽光的原理和塗層的構造不同，太陽能光譜高溫選擇性吸收塗 層主要分為半導體塗層、光幹涉塗層、多孔塗層和金屬陶瓷塗層四類。常見的半導體 材料有矽(Si)、鍺(Ge)、黑鉻(CrxOy)、黑鎳(NiS-ZnS)、氧化銅黑(CuxOy)和氧化鐵 (Fe3O4)等；光幹涉塗層是由非吸收的介質膜與吸收複合膜、金屬底材或底層薄膜組成，如 AI2O3-Mox-AI2O3(AMA)三層膜、A1N-A1/A1八層膜等；多孔塗層是通過控制塗層表面的形貌 和結構，使表面不連續性的尺寸與可見光譜峰值相當，從而對可見光起陷阱作用，對長波輻 射具有很好反射作用；金屬陶瓷層是根據有效的媒質理論，利用在母體中細分散的金屬粒 子，對可見光的不同波長級光子產生多次散射和內反射而將其吸收，金屬粒子和氧化物的 共析塗層，如 A1-A1203、Mo-A1203、Mo-SiO2, Ti-TiO2, W-A1203> Ni_Al203、Co-Al2O3、Au-Al2O3 等 塗層。現有的太陽能光譜高溫選擇性多為四層結構，第一層為基材，第二層為為金屬光 反射層，第三層為光吸收層，第四層為光減反射，這四層結構依次疊加，由於反射層多為單 一的金屬Mo、Ni、Cu或Fe導致其與基材以及吸收層之間的結合性不夠好，同時這種結構的 吸收膜的紅外反射率較低，導致發射率增加，因此實用性有待加強。
發明內容
本發明的目的在於提供一種層間的結合性好、實用性加強的太陽能光譜高溫選擇 性吸收膜。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種太陽能光譜高溫選擇性吸收 膜，包括基材，以及由內至外依次設置在基材上的反射層、吸收層和減反層，所述的反射層 為Fe-Mo合金，所述的吸收層為Mo-Al2O3合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層包括三 層，由裡層到表層Mo的原子百分比含量逐步降低，裡層的Mo含量為80-90%，中間層的Mo 含量為50-60 %，表層的Mo含量為20-40 %。所述反射層的厚度為100-200nm。所述吸收層的厚度為150-200nm。所述減反層 的厚度為30-80nm。本發明的另外一個目的在於提供一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的製造方法， 依照該方法製得的吸收膜具有結合力強、高吸收率和低發射率的優點。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜 的製造方法，實現步驟如下a)、對基材的表面進行拋光、去汙和清洗，將基材置於濺射爐的中心並使其旋轉；b)、關閉濺射爐，抽真空，向濺射爐內充入氬氣，並在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗，之後開啟Fe靶和Mo靶，在基材上濺射形成Fe-Mo合金反射層。C)、同時向濺射爐內衝入氧氣和氬氣，關閉Fe靶，開啟Mo靶和Al靶對基材進行離 子轟擊，在反射層表面濺射形成Mo-Al2O3合金吸收層；d)、同時向濺射爐內衝入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟Al靶對基材進行離 子轟擊，在吸收層表面濺射得到Al2O3減反層。所述步驟b)的工藝條件如下Fe靶的電流為35A，電壓為411V，Mo靶的電流為 40A,電壓為450V，基材上的基體偏壓為270-300V，濺射爐的真空度為0. lOPa，沉積時間設 置為 8-10mino所述步驟c)的工藝條件如下真空度為0.16-0. 2Pa，基材上的基體偏壓為 200-250V，沉積時間為 10-15min。所述步驟d)的工藝條件如下A1靶的電流為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa, 沉積時間為5-8min。本發明的有益效果是採用了 Fe-Mo合金作為反射層，增強了基材與吸收層之間 的結合力，而且具有好的紅外反射性能和防擴散功能，且具有更加優異的紅外反射效果，利 於降低發射率，Mo-Al2O3合金的吸收層為Mo含量逐步降低的三層結構，形成多界面吸收層， 使得太陽光譜的紫外、可見和紅外光經過多次反射、折射、幹涉和吸收後，97%以上的輻射 被塗層吸收，轉化成熱量，Al2O3減反層能進一步提高膜層的吸收率，本發明的太陽能光譜高 溫選擇性吸收膜具有耐高溫、抗氧化性能強，化學惰性和微觀結構穩定的特性。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是本發明的太陽能選擇性吸收塗層的剖面示意圖；圖2是製備吸收膜所使用的三靶濺射設備的剖面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。參照圖1所示，一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，包括基材1，所述基材1可為金 屬、塑料或陶瓷材質，作為一種具體實施例，特選用不鏽鋼金屬管，在基材1上設置有反射 層2，反射層2上設置有吸收層3，吸收層3上設置有減反層4，三層依次濺射疊加，所述的反 射層2為Fe-Mo合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層3為Mo-Al2O3合金，包括高金屬 含量層、中金屬含量層和低金屬含量層共三層，由裡層到表層Mo的原子百分比含量逐步降 低，其中裡層Mo含量為80 %，中間層Mo含量為50 %，表層Mo含量為20 %。作為另一種實施例，吸收層3中三層Mo的原子百分比含量分別為裡層Mo含量為 90%，中間層Mo含量為60%，表層Mo含量為40%。作為又一種實施例，吸收層3中三層Mo的原子百分比含量分別為裡層Mo含量為 80 %，中間層Mo含量為50-60 %，表層Mo含量為20-40 %。本發明各層的厚度分別如下反射層的厚度為100-200nm，通過沉積這樣厚度的 反射層，可使光反射得到加強；吸收層的厚度為150-200nm，這樣可加強對太陽能的吸收； 減反層的厚度為30-80nm，這個範圍的厚度雖可使光輻射透過，但可通過內部吸收及相位補償幹涉促進對太陽能的吸收。參照圖2所示，本發明吸收膜可使用三靶濺射設備來製備，該設備包括密閉的濺 射爐7，濺射爐7內的側壁上均勻分布有三個圓柱形的靶電極，即Fe靶8、Mo靶9和Al靶 10，任意兩個靶電極的軸線呈60°的夾角，三個靶電極分別且選擇性地與電源相接作為陰 極，濺射爐與電源連接形成陽極接地，濺射爐7的壁面上設置有兩個進氣管，濺射爐7的中 心設置有繞濺射爐中心軸旋轉的旋轉工架11，用於放置基材1，基材1可以在旋轉工架11 的環形軌道上轉動的同時實現自身旋轉，便於均勻鍍膜，在靶電極和基材之間設置不同電 壓，從進氣管5和進氣管6中可分別通入氬氣和氧氣。作為本發明製造方法的第一實施例，工藝流程如下a)、對作為基材的不鏽鋼金屬管表面進行拋光、去汙、丙酮超聲清洗以及酒精漂 洗，然後將基材置於旋轉工架11上，基材在旋轉工架11上公轉的同時保持自轉。b)、關閉濺射爐，抽真空，當真空度達到一定要求後，從進氣管5向濺射爐7內充入 氬氣，並在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗。之後開啟Fe靶8和Mo靶9，當氬離 子轟擊靶材的表面時，Fe和Mo金屬原子及原子團被濺射出來，濺射形成Mo含量為50-60% 的Fe-Mo合金反射層。本階段的工藝條件可設置如下；Fe靶8的電流為35A，電壓為411V ； Mo靶9的電流為40A，電壓為450V ；基體偏壓為270V ；真空度為0. 10Pa，沉積時間為lOmin。c)、從進氣管5向濺射爐7內充入氬氣，同時從進氣管6向濺射爐7內充入氧氣。 關閉Fe靶，開啟Mo靶、和Al靶，在Fe-Mo合金的反射層2表面濺射一層Mo-Al2O3金屬，形成 梯度吸收層3，此時，Mo金屬不與氧氣反應，而Al與氧氣反應生成Al2O3，兩種物質共同沉積 在基材上形成Mo-Al2O3薄膜，Mo金屬的含量通過設置靶電流、電壓、氧氣分壓進行控制，薄 膜的厚度通過控制濺射速率和時間進行控制，控制氧氣的流量可以控制氧化物的生成量， 通入過量的氧氣全部反應生成氧化物沉積到基材上，從而完成複合塗層的製備。本階段濺 射爐7內的真空度控制在0. 16Pa，基體偏壓設置為200V，沉積時間為lOmin。d)、同時向濺射爐內充入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟Al靶對基材進行離 子轟擊，採用與上述相同的方法濺射得到一層完全透明的Al2O3薄膜。本階段Al靶的電流 為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間為8min。作為本發明製造方法的第二實施例，工藝流程如下a)、對作為基材的不鏽鋼金屬管表面進行拋光、去汙、丙酮超聲清洗以及酒精漂 洗，然後將基材置於旋轉工架11上，基材在旋轉工架11上公轉的同時保持自轉。b)、關閉濺射爐，抽真空，當真空度達到一定要求後，從進氣管5向濺射爐7內充入 氬氣，並在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗。之後開啟Fe靶8和Mo靶9，當氬離 子轟擊靶材的表面時，Fe和Mo金屬原子及原子團被濺射出來，濺射形成Mo含量為50-60% 的Fe-Mo合金反射層。本階段的工藝條件可設置如下Fe靶8的電流為35A，電壓為411V ； Mo靶9的電流為40A，電壓為450V ；基體偏壓為300V ；真空度為0. lOPa，沉積時間為8min。c)、從進氣管5向濺射爐7內充入氬氣，同時從進氣管6向濺射爐7內充入氧氣。 關閉Fe靶，開啟Mo靶、和Al靶，在Fe-Mo合金的反射層2表面濺射一層Mo-Al2O3金屬，形成 梯度吸收層3，此時，Mo金屬不與氧氣反應，而Al與氧氣反應生成Al2O3，兩種物質共同沉積 在基材上形成Mo-Al2O3薄膜，Mo金屬的含量通過設置靶電流、電壓、氧氣分壓進行控制，薄 膜的厚度通過控制濺射速率和時間進行控制，控制氧氣的流量可以控制氧化物的生成量，通入過量的氧氣全部反應生成氧化物沉積到基材上，從而完成複合塗層的製備。本階段濺 射爐7內的真空度控制在0. 2Pa，基體偏壓設置為250V，沉積時間設置為15min。d)、同時向濺射爐內充入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟A1靶對基材進行離 子轟擊，採用與上述相同的方法濺射得到一層完全透明的A1203薄膜。本階段A1靶的電流 為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間為5min。作為本發明製造方法的第三實施例，工藝流程如下a)、對作為基材的不鏽鋼金屬管表面進行拋光、去汙、丙酮超聲清洗以及酒精漂 洗，然後將基材置於旋轉工架11上，基材在旋轉工架11上公轉的同時保持自轉。b)、關閉濺射爐，抽真空，當真空度達到一定要求後，從進氣管5向濺射爐7內充入 氬氣，並在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗。之後開啟Fe靶8和Mo靶9，當氬離 子轟擊靶材的表面時，Fe和Mo金屬原子及原子團被濺射出來，濺射形成Mo含量為50-60% 的Fe-Mo合金反射層。本階段的工藝條件可設置如下Fe靶8的電流為35A，電壓為411V ； Mo靶9的電流為40A，電壓為450V ；基體偏壓為285V ；真空度為0. 10Pa，沉積時間為9min。c)、從進氣管5向濺射爐7內充入氬氣，同時從進氣管6向濺射爐7內充入氧氣。 關閉Fe靶，開啟Mo靶、和A1靶，在Fe-Mo合金的反射層2表面濺射一層Mo_A1203金屬，形成 梯度吸收層3，此時，Mo金屬不與氧氣反應，而A1與氧氣反應生成A1203，兩種物質共同沉積 在基材上形成Mo-A1203薄膜，Mo金屬的含量通過設置靶電流、電壓、氧氣分壓進行控制，薄 膜的厚度通過控制濺射速率和時間進行控制，控制氧氣的流量可以控制氧化物的生成量， 通入過量的氧氣全部反應生成氧化物沉積到基材上，從而完成複合塗層的製備。本階段濺 射爐7內的真空度控制在0. 18Pa，基體偏壓設置為225V，沉積時間為12. 5min。d)、同時向濺射爐內充入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟A1靶對基材進行離 子轟擊，採用與上述相同的方法濺射得到一層完全透明的A1203薄膜。本階段A1靶的電流 為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間6. 5min。本發明具有對太陽光譜優異的選擇吸收特性，測得其在200-2500nm的平均吸收 率彡97%;發射率(室溫)。在空氣中和真空條件下分別進行退火，測試了不同溫度 和時間的熱穩定性，結果如下在空氣中退火，溫度為750°C、時間2小時，其熱穩定性不變。在真空中退火，溫度為600°C、時間3小時，其吸收率和發射率均保持穩定。在空氣中退火，溫度為500°C、時間48小時，其光學性質也無明顯地退化現象。本發明的吸收膜採用Fe-Mo合金作為反射層，增強了基材與吸收膜之間的結合 力，且具有更加優異的紅外反射效果，利於降低發射率。根據各膜層的折射率和消光係數不 同，不但將反射層、吸收層和減反層設計成梯度膜層，而且進一步將Mo-A1203吸收層設計成 三層的梯度結構，使得太陽光譜的紫外、可見和紅外光(200-2500nm)經過多次反射、折射、 幹涉和吸收後，97%以上的輻射被塗層吸收，轉化成熱量，獲得一種結合力強、高吸收率、低 發射率的太陽能選擇性吸收塗層。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對於 本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和 改進，這些都屬於本發明的保護範圍。
權利要求
一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，包括基材，以及由內至外依次設置在基材上的反射層、吸收層和減反層，其特徵在於所述的反射層為Fe-Mo合金，所述的吸收層為Mo-Al2O3合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層包括三層，由裡層到表層Mo的原子百分比含量逐步降低，裡層的Mo含量為80-90％，中間層的Mo含量為50-60％，表層的Mo含量為20-40％。
2.根據權利要求1所述的一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，其特徵在於，所述反射 層的厚度為100-200nm。
3.根據權利要求1所述的一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，其特徵在於，所述吸收 層的厚度為150-200nm。
4.根據權利要求1所述的一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，其特徵在於，所述減反 層的厚度為30-80nm。
5.一種如權利要求1所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的製造方法，其特徵在於，實 現步驟如下a)、對基材的表面進行拋光、去汙和清洗，將基材置於濺射爐的中心並使其旋轉；b)、關閉濺射爐，抽真空，向濺射爐內充入氬氣，並在基材上施加偏壓，先對基材進行等 離子清洗，之後開啟Fe靶和Mo靶，在基材上濺射形成Fe-Mo合金反射層；c)、同時向濺射爐內衝入氧氣和氬氣，關閉Fe靶，開啟Mo靶和Al靶對基材進行離子轟 擊，在反射層表面濺射形成Mo-Al2O3合金吸收層；d)、同時向濺射爐內衝入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟Al靶對基材進行離子轟 擊，在吸收層表面濺射得到Al2O3減反層。
6.根據權利要求5所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的製造方法，其特徵在於，所述 步驟b)的工藝條件如下Fe靶的電流為35A，電壓為41IV，Mo靶的電流為40A，電壓為450V， 基材上的基體偏壓為270-300V，濺射爐的真空度為0. lOPa，沉積時間設置為8-lOmin。
7.根據權利要求5所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的製造方法，其特徵在於，所述 步驟c)的工藝條件如下真空度為0. 16-0. 2Pa，基材上的基體偏壓為200-250V，沉積時間 為 10_15min。
8.根據權利要求5所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的製造方法，其特徵在於，所述 步驟d)的工藝條件如下A1靶的電流為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間為 5-8min。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，包括基材，以及由內至外依次設置在基材上的反射層、吸收層和減反層，所述的反射層為Fe-Mo合金，所述的吸收層為Mo-Al2O3合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層包括三層，由裡層到表層Mo的原子百分比含量逐步降低；還公開了其製造方法，步驟如下對基材的表面進行處理，先對基材濺射形成Fe-Mo合金反射層，然後濺射形成Mo-Al2O3合金吸收層，最後濺射得到Al2O3薄膜。本發明的吸收膜具有優異的紅外反射效果，利於降低發射率，實用性大大增強。
文檔編號C23C14/34GK101871103SQ20091003741
公開日2010年10月27日 申請日期2009年2月26日 優先權日2009年2月26日
發明者周擁仔, 彭啟成, 李皓楨, 賀冬枚, 趙華平, 陳玉琴 申請人:東莞市康達機電工程有限公司