一種太陽能選擇性吸收塗層及其製備方法
2023-07-16 11:36:26
專利名稱：一種太陽能選擇性吸收塗層及其製備方法
技術領域：
一種太陽能選擇性吸收塗層及其製備方法，屬於真空器件製作技術領域，尤 其是高溫太陽能集熱管制作領域。
背景技術：
太陽能集熱器是太陽能熱利用技術的關鍵器件。根據工作溫度的不同，太陽
能集熱器可以分為低溫(300°C)。目前 以太陽能熱水器為代表的低溫太陽能集熱器，已經在我國獲得廣泛應用。而中高 溫太陽能集熱器，可廣泛應用於太陽能空調、海水淡化、太陽能工業用熱和太陽 能熱發電等領域，是未來太陽能利用技術的重要發展方向。而太陽能真空集熱管 則是太陽能集熱器的核心部件，它的性能主要由集熱管的太陽能選擇性吸收塗層 決定。
多數的太陽能選擇性吸收塗層都採用金屬-介質複合物作為太陽能吸收材 料。在適當的金屬組分和厚度條件下，該複合材料在主要的太陽能輻射區域表現 出強烈的吸收而對紅外輻射基本透明。該複合材料被沉積在對紅外反射較高的金 屬表面，就形成了目前採用的太陽能選擇性吸收塗層。太陽能塗層的熱穩定性主 要取決於吸收層中金屬、介質顆粒的熱穩定性。
在大部分金屬-介質太陽能選擇性吸收塗層中，介質顆粒具有較好的高溫熱 穩定性，因此塗層的熱穩定性受限於所採用的金屬顆粒。比如，目前中低溫太陽 能真空集熱管廣泛使用的A1-A1N選擇性吸收塗層(中國專利CN 85100142B)。 AIN介質分解溫度高達1400°C，可以在非真空高溫條件下穩定工作。並且該塗層 可採用單個金屬A1陰極反應濺射而成，反應氣體只需要惰性氣體(一般為氬氣)和氮氣(作為活性氣體)，具有較好的經濟性。但是金屬A1的熔點僅為660。C，
並且A1金屬顆粒容易和N， O等活性氣體反應，因此A1-A1N塗層在高溫條件下
工作穩定性欠佳。
又比如，澳大利亞專利AU9220346提出的雙層幹涉吸收型M-A1N選擇性吸 收塗層，其中金屬顆粒採用W， Mo等高熔點金屬材料。該塗層需要兩個金屬電 極，分別稱為電極一和電極二，氣體仍然採用氬氣+氮氣這種惰性氣體+活性氣體 的組合。濺射時，電極一不與活性氣體反應，仍然濺射出金屬顆粒，電極二與活 性氣體反應，濺射出介質顆粒。這種塗層在真空條件下具有較好的熱穩定性，可 用於製作工作溫度為40(TC真空太陽能集熱管。但是在非真空條件下，由於金屬 顆粒在高溫條件下與空氣中的活性氣體，特別是氧氣反應，因此難以用於非真空 的高溫太陽能集熱器。
發明內容
本發明針對現有太陽能集熱器的不足，提供了一種太陽能選擇性吸收塗層， 其特徵在於，自下至上為太陽能集熱元件基底1、紅外反射層2、吸收層3和增 透層4，其特徵在於所述的吸收層3中採用導電化合物與絕緣介質的混合材料。
所述吸收層3中的導電化合物採用以下材料中的一種或幾種氮氧化鈦、氮
氧化鈦鋁、氮氧化鎢、氮氧化鉬、氮氧化鐵、氮氧化鋯、氮氧化鉿、氮氧化鉭、 氮氧化銅、氮氧化鈀、氮氧化金、氮氧化鉑。
所述吸收層3中的絕緣介質採用以下材料中的一種或幾種氮氧化鋁、氮氧 化矽、氮氧化鎂。
所述紅外反射層2採用以下材料中的一種或幾種鋁、銅、銀、金、鉑、鉬、 鎢、鈦。
所述增透層4採用以下材料中的一種或幾種氮氧化鋁、氮氧化矽、氮氧化所述吸收層3中的導電化合物與絕緣介質的組分是階梯狀變化的，越靠近基 底1的吸收子層中的導電化合物的比例越高，越遠離底層的吸收子層中的絕緣介 質的比例越高。
所述紅外反射層2厚度不小於10納米，所述的吸收層3的厚度在10~10000 納米之間，所述增透層4厚度在10~200納米之間。
本發明還提供了一種太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，採用磁控濺射技術 依次在基底1上濺射紅外反射層2、吸收層3和增透層4，其特徵在於所述吸 收層3採用第一金屬陰極5和第二金屬陰極6反應濺射而成，在至少一種反應氣 體的濺射條件下，第一金屬陰極5與反應氣體反應形成導電化合物，第二金屬陰 極6與反應氣體反應形成絕緣介質。
所述的第三金屬陰極7用於濺射生成紅外反射層2，採用以下材料中的一種 或幾種鋁、銅、銀、金、鉬、鉬、鎢、鈦。所述的第一金屬陰極5用於濺射生 成吸收層3中的導電化合物，採用以下材料中的一種或幾種鈦、鋯、鉿、鉭、 銅、鈀、鐵、鎳、鉬、鎢。所述的第二金屬陰極6用於濺射生成吸收層3中的絕
緣介質和增透層4，採用以下材料中的一種或幾種鋁、鎂、矽。
所述的反應氣體在下屬材料中選擇氮氣、氧氣、甲烷、乙炔。 本發明的有益效果為目前常用的高溫太陽能選擇性吸收塗層，所採用金屬 -介質複合吸收層中，金屬普遍採用高熔點的單質金屬或合金材料，它們非真空 條件下很容易和空氣中的活性氣體(特別是氧氣)進行反應，從而難以用於非真 空高溫集熱器件。而本發明提出的導電化合物-絕緣介質吸收塗層，以氮氧化物 等的化合物作為金屬顆粒材料，因此在非真空條件下也具有高溫熱穩定性。
圖1為本發明所述的太陽能選擇性吸收塗層的結構示意圖2為製作本發明所述的太陽能選擇性吸收塗層的濺射系統的結構示意圖。
圖中標號
l-基底；2-紅外反射層；3-吸收層；4-增透層；5-第一金屬陰極； 6陽第二金屬陰極；7-第三金屬陰極；8-太陽能集熱元件。
具體實施例方式
本發明提供了 一種太陽能選擇性吸收塗層及其製備方法，下面通過
和具體實施方式
對本發明做進一步說明。
實施例1
第一金屬陰極5的材料採用鈦、第二金屬陰極6的材料採用鋁，第三金屬陰 極7的材料採用銅。塗層自基底1從下而上分為紅外反射層2、吸收層3和增透 層4。紅外反射層2採用氬氣非反應濺射厚度為100納米的銅薄膜；吸收層3靠 近紅外反射層2的一端為高金屬體積比的導電化合物層，採用氬氣、氮氣反應濺 射第一金屬陰極5和第二金屬陰極6，形成TiN-AlN高金屬體積比吸收層，通過 調整電流和氮氣流量，使得TiN體積比為0.8，厚度為70納米；吸收層3遠離紅 外反射層2的一端低金屬體積比的絕緣介質層，採用氬氣、氮氣反應濺射第一金 屬陰極5和第二金屬陰極6，形成TiN-AlN低金屬體積比吸收層，通過調整電流 和氮氣流量，使得TiN體積比為0.5，厚度為30納米；增透層4採用氬氣、氮氣 反應濺射第二金屬陰極6，形成A1N介質薄膜，厚度為65納米。
實施例2
第一金屬陰極5的材料採用鋯、第二金屬陰極6的材料採用矽，第三金屬陰 極7的材料採用鋁。塗層自基底1從下而上分為紅外反射層2、吸收層3和增透 層4。紅外反射層2採用氬氣非反應濺射厚度為IOO納米的鋁薄膜；吸收層3採 用氬氣、氮氣反應濺射第一金屬陰極5和第二金屬陰極6，形成ZrN-SiN吸收層， 隨著濺射時間的增加，逐步降低鋯陰極電流、提高鋁陰極電流和氮氣流量，使得ZrN原子比例從靠近基底1 一端的100%逐漸下降為遠離基底1 一端的10%，厚 度160納米；增透層4採用氬氣、氮氣反應濺射第二金屬陰極6，形成SiN介質 薄膜，厚度為70納米。 實施例3
第一金屬陰極5的材料採用鈀、第二金屬陰極6的材料採用矽，第三金屬陰 極7的材料採用銅。塗層自基底1從下而上分為紅外反射層2、吸收層3和增透 層4。紅外反射層2採用氬氣非反應濺射厚度為IOO納米的銅薄膜；吸收層3採 用氬氣、氮氣反應濺射第一金屬陰極5和第二金屬陰極6，形成PdO-Si02吸收層， 隨著濺射時間的增加，逐步降低鋯陰極電流、提高鋁陰極電流和氮氣流量，使得 PdO原子比例從靠近基底1 一端的100%逐漸下降為遠離基底1 一端的10%，厚 度180納米；增透層4採用氬氣、氮氣反應濺射第二金屬陰極6，形成Si02介質 薄膜，厚度為92納米。
權利要求
1. 一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，自下至上為太陽能集熱元件基底(1)、紅外反射層(2)、吸收層(3)和增透層(4)，其特徵在於所述的吸收層(3)中採用導電化合物與絕緣介質的混合材料。
2. 根據權利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，所述 的吸收層(3)中的導電化合物採用以下材料中的一種或幾種氮氧化鈦、氮氧 化鈦鋁、氮氧化鎢、氮氧化鉬、氮氧化鐵、氮氧化鋯、氮氧化鉿、氮氧化鉭、氮 氧化銅、氮氧化鈀、氮氧化金、氮氧化鉑。
3. 根據權利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，所述 吸收層(3)中的絕緣介質採用以下材料中的一種或幾種氮氧化鋁、氮氧化矽、 氮氧化鎂。
4. 根據權利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，所述紅外反射層(2)採用以下材料中的一種或幾種鋁、銅、銀、金、鉑、鉬、鎢、鈦。
5. 根據權利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，所述增透層(4)採用以下材料中的一種或幾種氮氧化鋁、氮氧化矽、氮氧化鎂。
6. 根據權利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，所述 吸收層(3)中的導電化合物與絕緣介質的組分是階梯狀變化的，越靠近基底(1) 的吸收子層中的導電化合物的比例越高，越遠離底層的吸收子層中的絕緣介質的 比例越高。
7. 根據權利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收塗層，其特徵在於，所述 紅外反射層(2)厚度不小於10納米，所述的吸收層(3)的厚度在10 10000納 米之間，所述增透層(4)厚度在10 200納米之間。
8. —種太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，採用磁控濺射技術依次在基底 (1)上濺射紅外反射層(2)、吸收層(3)和增透層(4)，其特徵在於所述吸收層(3)採用第一金屬陰極(5)和第二金屬陰極(6)反應濺射而成，在至少 一種反應氣體的濺射條件下，第一金屬陰極(5)與反應氣體反應形成導電化合 物，第二金屬陰極(6)與反應氣體反應形成絕緣介質。
9. 根據權利要求8所述的一種太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，其特徵 在於，所述的第三金屬陰極(7)用於濺射生成紅外反射層(2)，採用以下材料 中的一種或幾種鋁、銅、銀、金、銷、鉬、鎢、鈦。所述的第一金屬陰極(5)用於濺射生成吸收層(3)中的導電化合物，採用以下材料中的一種或幾種鈦、鋯、鉿、鉭、銅、鈀、鐵、鎳、鉬、鎢。所述的第二金屬陰極(6)用於濺射生成吸收層(3)中的絕緣介質和增透層(4)，採用以下材料中的一種或幾種鋁、鎂、矽。
10. 根據權利要求8所述的一種太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，其特徵在於，所述的反應氣體在下屬材料中選擇氮氣、氧氣、甲烷、乙炔。
全文摘要
一種太陽能選擇性吸收塗層及其製備方法，屬於真空器件製作技術領域，尤其是高溫太陽能集熱管制作領域。該塗層包括太陽能集熱元件基底、紅外反射層、吸收層和增透層，其中，吸收層中採用導電化合物與絕緣介質的混合材料。該塗層採用磁控濺射方法依次在基底上濺射紅外反射層、吸收層和增透層，其中，吸收層採用兩個陰極反應濺射而成，在至少一種反應氣體的濺射條件下，第一金屬陰極與反應氣體反應形成導電化合物，第二金屬陰極與反應氣體反應形成絕緣介質。該塗層具有較好的非真空熱穩定性，可以在室溫～500攝氏度非真空條件下長期穩定工作。
文檔編號C03C17/34GK101445331SQ20081024047
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月22日 優先權日2008年12月22日
發明者李德傑, 健 王, 高元坤, 京 齊 申請人:清華大學;山東力諾新材料有限公司