一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層及其製備方法與流程

2023-06-24 23:33:06

本發明涉及一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層，屬於太陽能熱發電和真空鍍膜技術領域。

背景技術：

太陽能有兩種利用途徑：一種通過光電池把太陽輻射轉化為電能，常見的利用途徑是太陽能電池；另外一種通過太陽能集熱器把太陽輻射轉化為熱能，最簡單的就是居家使用的屋頂熱水器。利用太陽熱能發電目前已成為全球風險投資的一個重點領域，其原理是通過聚光裝置把太陽光線聚集在裝有某種液體的管道或容器。藉助太陽熱能，液體被加熱到一定溫度，產生蒸汽然後驅動渦輪機發電，熱能轉化為電能。這種發電方式被人們稱為太陽能熱發電。近日，國家能源局批准在國內建設20個太陽能熱發電示範項目。該示範項目的建設，將極大推動太陽能熱發電技術。光譜選擇性太陽能吸收塗層是太陽能熱發電的核心材料，其要求該塗層具有高吸收率、低發射率和長期的熱穩定性能。

近年來，金屬陶瓷複合體系太陽能吸收塗層得到了廣泛的研究，如al-aln、mo-sio2、w-a12o3、cr-cr2o3、ni-a12o3、mo-a12o3、cr-a12o3、co-wc、w-ni-a12o3、ag-a12o3、mo-si3n4、al-ni-a12o3、w-ni-ysz等。其中mo-sio2和mo-a12o3體系已被義大利angelantoni-enea公司和德國siemens公司成功商業化推廣。該塗層在工作溫度580℃下具有優異的光學性能和良好的長期熱穩定性。對於太陽能熱發電而言，高的工作溫度將極大提高光電轉換效率，因此，開發在更高溫度（大於600℃）下具有優異熱穩定性和光學性能的高溫太陽能吸收塗層具有重要的學術意義和實用價值。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中的缺點而提供一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層。

本發明所述塗層吸收率高、發射率低、熱穩定性好，可用於光熱發電、重質油開採、海水淡化等工農業領域。

本發明的另一目的是提供上述耐高溫太陽能選擇性吸收塗層的製備方法。

一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層，該塗層由下而上依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層；所述吸熱體基底為拋光不鏽鋼片，所述的吸收層材料為碳化鋯和稀土釔的複合物，所述的減反射層材料為氧化鋁。

所述吸收層複合物的厚度為240-300nm。

所述吸收層複合物中稀土釔的原子百分比為0.1-1%。

所述減反射層的厚度為50-100nm。

所述吸熱體基底的拋光不鏽鋼片粗糙度值為0.5-2nm。

上述耐高溫太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，包括以下工藝步驟：

1）吸熱體基底的處理：將吸熱體基底去除表面附著的雜質後，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹乾，真空保存；

2）吸收層的製備：採用純度為99.99%的碳化鋯和純度為99.99%的稀土釔作為磁控濺射靶材；採用雙靶共濺射方法製備吸收層，其中碳化鋯採用直流磁控濺射，稀土釔採用射頻磁控濺射方法，將真空室預抽本底真空至1.0×10-6-5.0×10-6torr；調整碳化鋯靶材的濺射功率密度為4-8w/cm-2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.08-0.3w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20-50sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鋯和稀土釔的複合物，厚度為240-300nm；

3）減反射層的製備：吸收層製備完畢後，以純度99.99%的al2o3作為磁控濺射靶材，控制al2o3靶材的濺射功率密度在5-8w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20-50sccm，採用射頻磁控濺射在吸收層上濺射製備減反射層，厚度為50-100nm；

所述步驟2）中吸收層濺射過程中吸熱體基底溫度為150-250℃。

所述步驟3）中減反射層濺射過程中吸熱體基底溫度為150-250℃。

本發明基於碳化鋯潛在的光譜選擇特性及稀土釔的調控，以碳化鋯和稀土釔複合物為吸收層，氧化鋁為減反射層，極大的豐富了碳化鋯陶瓷和稀土釔在太陽能產業中的應用。本發明的太陽能選擇性塗層在紫外可見近紅外光譜範圍內具有低的反射率，在紅外光譜範圍內具有高的反射率，在大氣質量因子am1.5條件下，吸收率≥0.88，發射率≤0.13；在高真空度下，經700℃長時間保溫後，塗層的吸收率和發射率沒有明顯的變化，表明該塗層具有優異的高溫穩定性能。本發明在太陽能熱利用和熱發電領域具有廣闊的實用價值和應用前景。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層和製備方法作進一步說明。

實施例1

一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層；吸熱體基底為拋光不鏽鋼片，粗糙度值為1.5nm，吸收層材料為碳化鋯和稀土釔的複合物，吸收層複合物的厚度為240nm。吸收層複合物利用雙靶共濺射製備，其中碳化鋯採用直流磁控濺射方法製備，稀土釔採用射頻磁控濺射方法製備；吸收層複合物中稀土釔原子百分比為0.21%。減反射層材料為氧化鋁，減反射層的厚度為76nm，減反射層氧化鋁採用射頻磁控濺射。

上述一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，包括如下工藝：

（1）吸熱體基底的處理：將吸熱體基底去除表面附著的雜質後，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10分鐘，氮氣吹乾，真空保存；

（2）吸收層的製備：採用純度為99.99%的碳化鋯和純度為99.99%的稀土釔作為磁控濺射靶材；採用雙靶共濺射方法製備吸收層，其中碳化鋯採用直流磁控濺射，稀土釔採用射頻磁控濺射方法，將真空室預抽本底真空至3.0×10-6torr；調整碳化鋯靶材的濺射功率密度為6.5w/cm-2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.1w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為33sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鋯和稀土釔的複合物，厚度為240nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為200℃。

（3）減反射層的製備：吸收層製備完畢後，以純度99.99%的al2o3作為磁控濺射靶材，控制al2o3靶材的濺射功率密度在6.1w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為33sccm，採用射頻磁控濺射在吸收層上濺射製備減反射層，厚度76nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為200℃。

該太陽能選擇性吸收塗層的光學性能如下：在大氣質量因子am1.5條件下，塗層吸收率為0.92，發射率為0.12；在高真空度下，經700℃長時間保溫後塗層的吸收率，發射率未發生明顯變化。

實施例2

一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層；吸熱體基底為拋光不鏽鋼片，粗糙度值為0.5nm，吸收層材料為碳化鋯和稀土釔的複合物，吸收層複合物的厚度為300nm。吸收層複合物利用雙靶共濺射製備，其中碳化鋯採用直流磁控濺射方法製備，稀土釔採用射頻磁控濺射方法製備；吸收層複合物中稀土釔原子百分比為0.1%。減反射層材料為氧化鋁，減反射層的厚度為50nm，減反射層氧化鋁採用射頻磁控濺射。

上述一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，包括如下工藝：

（1）吸熱體基底的處理：將吸熱體基底去除表面附著的雜質後，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗20分鐘，氮氣吹乾，真空保存；

（2）吸收層的製備：採用純度為99.99%的碳化鋯和稀土釔作為磁控濺射靶材；採用雙靶共濺射方法製備吸收層，其中碳化鋯採用直流磁控濺射，稀土釔採用射頻磁控濺射方法，將真空室預抽本底真空至1.0×10-6torr；調整碳化鋯靶材的濺射功率密度為4w/cm-2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.08w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鋯和稀土釔的複合物，厚度為300nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為150℃。

（3）減反射層的製備：吸收層製備完畢後，以純度99.99%的al2o3作為磁控濺射靶材，控制al2o3靶材的濺射功率密度在5w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20sccm，採用射頻磁控濺射在吸收層上濺射製備減反射層，厚度為50nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為150℃；

該太陽能選擇性吸收塗層的光學性能如下：在大氣質量因子am1.5條件下，塗層吸收率為0.89，發射率為0.12；在高真空度下，經700℃長時間保溫後塗層的吸收率，發射率未發生明顯變化。

實施例3

一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層；吸熱體基底為拋光不鏽鋼片，粗糙度值為2nm，吸收層材料為碳化鋯和稀土釔的複合物，吸收層複合物的厚度為300nm。吸收層複合物利用雙靶共濺射製備，其中碳化鋯採用直流磁控濺射方法製備，稀土釔採用射頻磁控濺射方法製備；吸收層複合物中稀土釔原子百分比為1%。減反射層材料為氧化鋁，減反射層的厚度為100nm，減反射層氧化鋁採用射頻磁控濺射。

上述一種耐高溫太陽能選擇性吸收塗層的製備方法，包括如下工藝：

（1）吸熱體基底的處理：將吸熱體基底去除表面附著的雜質後，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗20分鐘，氮氣吹乾，真空保存；

（2）吸收層的製備：採用純度為99.99%的碳化鋯和稀土釔作為磁控濺射靶材；採用雙靶共濺射方法製備吸收層，其中碳化鋯採用直流磁控濺射，稀土釔採用射頻磁控濺射方法，將真空室預抽本底真空至5.0×10-6torr；調整碳化鋯靶材的濺射功率密度為8w/cm-2，稀土釔靶材的濺射功率密度為0.3w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為50sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鋯和稀土釔的複合物，厚度為300nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250℃。

（3）減反射層的製備：吸收層製備完畢後，以純度99.99%的al2o3作為磁控濺射靶材，控制al2o3靶材的濺射功率密度在8w/cm-2，濺射沉積時氬氣的進氣量為50sccm，採用射頻磁控濺射在吸收層上濺射製備減反射層，厚度100nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250℃。

該太陽能選擇性吸收塗層的光學性能如下：在大氣質量因子am1.5條件下，塗層吸收率為0.88，發射率為0.12；在高真空度下，經700℃長時間保溫後塗層的吸收率，發射率未發生明顯變化。