專利名稱：一種太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能集熱技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種太陽能全玻璃真空管基材 表面選擇性吸收涂層及其制備方法。
技術(shù)背景太陽能利用的重要形式是光熱利用，因此太陽能吸收涂層的制備成為太陽 能光熱利用的重要工藝途徑。全玻璃真空管是太陽能熱水器和集熱器的關(guān)鍵 部件，其涂層的性能直接影響太陽能熱水器和集熱器的熱性能。目前太陽能光熱應(yīng)用范圍主要為低溫范圍(小于ioo"c),主要使用普通太陽能熱水器，應(yīng)用范圍為家庭、賓館洗浴以及生活用水和采暖。該種熱水 器對集熱元件的溫度要求不高，普通太陽能全玻璃真空管即可滿足要求。因 此在該溫度范圍使用的太陽能選擇性吸收涂層目前己研究和廣泛應(yīng)用了A1-N/A1漸變膜,這種膜系和工藝方法的優(yōu)點是，Al單靶直流磁控濺射鍍膜 工作，設(shè)備操作簡單，膜層吸收率較高，對在低溫范圍使用全玻璃真空管的 比較適用，但對于中溫及高溫使用由于其紅外發(fā)射率隨溫度上升明顯升高， 長期使用后膜層不穩(wěn)定，造成集熱器熱損增大，熱效率明顯下降。為適應(yīng)中 溫和高溫的應(yīng)用要求，吸收涂層必須能夠做到高吸收率和低發(fā)射率特點。中高溫領(lǐng)域(100-300'C)和高溫領(lǐng)域(300'C以上)應(yīng)用發(fā)展逐步開始成 為發(fā)展方向。隨著使用Al-N/A1漸變膜的太陽能熱水器市場逐步飽和，以及 各國政府對節(jié)能環(huán)保重視程度逐步加大，太陽能熱水器和集熱器的應(yīng)用逐步 向更廣闊的高端、高溫領(lǐng)域延伸。目前中高溫主要應(yīng)用于海水淡化、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用(如大棚種植等)。在該領(lǐng)域內(nèi)主要應(yīng)用的產(chǎn)品涂層具有ALN x/Cu等膜層結(jié)構(gòu)，但是，這種涂層和工藝方法的關(guān)鍵盡管Cu比AL穩(wěn)定，但 是在高溫范圍內(nèi)是A L Nx結(jié)構(gòu)的膜層因為氧化等因素造成吸收率衰變較大。 高溫集熱器可用于太陽能熱發(fā)電。并且在高溫范圍內(nèi)膜層性能不衰減也就 是高溫烘烤時熱穩(wěn)定性要好。在該領(lǐng)域內(nèi)主要應(yīng)用的產(chǎn)品涂層具有W+ALN/W, Mo+ALN/ Mo等膜層結(jié)構(gòu)，但是，這種涂層和工藝方法的關(guān)鍵是必須采用高溫 穩(wěn)定金屬如W， Mo,造成沉積速率低，生產(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，靶材稀貴，成 本高。對于選擇性涂層來講，多數(shù)的結(jié)構(gòu)為反射層/吸收層/減反層結(jié)構(gòu)，大多數(shù) 的吸收表面和減反表面采用平面，尤其是減反層的制備采用平面，這種結(jié)構(gòu) 對于高溫吸收涂層來說，缺點是在高溫區(qū)發(fā)射率較高。 發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種太陽能選 擇性吸收涂層，其可用于300'C以上的高溫工作溫度，且具有可見-近紅外光 譜高吸收率，紅外光譜極低發(fā)射率和真空烘烤熱穩(wěn)定性好。本發(fā)明的技術(shù)方案是該太陽能選擇性吸收涂層，包括襯底層、阻擋熱擴散層、反射層、吸收 層、微不平表面層。襯底層為Ni薄膜；Ni分子量大，熱穩(wěn)定性高，其薄膜鏡面反射性好，Ni 薄膜還具有紅外波段發(fā)射率低的特性，有效減少內(nèi)管的散熱，且Ni材料容易 獲得，成本低。阻擋熱擴散膜層沉積在襯底層上，該阻擋熱擴散層為Mg0薄膜；防止集 熱管內(nèi)部熱水的熱能通過內(nèi)管管壁散失；Mg0熱穩(wěn)定性高，增強了太陽能選擇 性吸收涂層整體的穩(wěn)定性，而且Mg0薄膜折射率和消光系數(shù)較低。反射層沉積在阻擋熱擴散膜層上，該反射層為Ni薄膜；增加集熱管內(nèi)管的反射率，將內(nèi)管的輻射熱量最大限度留在內(nèi)管中。吸收層沉積在反射層上，為由Ni、 MgO構(gòu)成的金屬-介質(zhì)復(fù)合陶瓷薄膜； Ni—MgO復(fù)合陶瓷材料在高溫區(qū)吸收率極高且熱穩(wěn)定性好。微不平表面層沉積在吸收層表面，微不平表面層為Ni-C薄膜，Ni-C薄膜 的表面設(shè)為凹凸不平狀且表面突起間隔尺寸為0. 4 2. 1 u m,接近太陽光譜使 入射的太陽光經(jīng)多次反射而被吸收；它的主要作用是形成多次反射和折射， 減少發(fā)射率。進一步的技術(shù)方案在該太陽能選擇性吸收涂層中，沿從反射層到微不平表面層的方向，吸 收層中金屬Ni的體積比從0.65逐漸減少到0. 2， Mg0的體積比從0. 35逐漸 增加到0. 8。在該太陽能選擇性吸收涂層中，所述的襯底層厚度為50 100nrn。 所述的阻擋熱擴散膜層厚度為50 100nm。 所述的反射層的厚度為100-200nm。 所述的吸收層的厚度為130-250nm。 所述的微不平表面層的厚度為200-400nm。本發(fā)明的目的還在于提供一種太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，它工 藝穩(wěn)定簡單，生產(chǎn)周期短，靶材便宜，成本低。 該制備方法包括以下步驟(1) 首先開機械泵對鍍膜室預(yù)抽，然后開擴散泵，使鍍膜室抽真空至數(shù) 量級10—3Pa ，通入氬氣至數(shù)量級10，a;采用二靶濺射裝置，一靶采用Ni, 一靶采用MgO;兩個靶間用擋板隔開，防止鍍膜時膜層間的干擾；(2) 對Ni耙加電進行濺射，沉積的襯底層Ni薄膜厚度達到要求后，對 Ni耙斷電;(3) 對MgO靶加電濺射，在襯底層Ni薄膜上沉積阻擋熱擴散膜層MgO薄膜，MgO薄膜厚度達到要求后對MgO靶斷電，停止MgO的沉積；(4) 重新對Ni靶加電進行濺射，在阻擋熱擴散膜層上沉積反射層；(5) 反射層厚度達到要求后，對MgO靶加電，同時在氬氣中充入氧氣， 由Ni耙和MgO耙共濺射制備吸收層，氧氣是用于沉積MgO;兩靶濺射吸收層 過程中，調(diào)節(jié)兩靶的電功率、電壓參數(shù)可調(diào)整Ni及MgO在金屬-介質(zhì)復(fù)合陶 瓷薄膜中的體積比，可以大大提高吸收率；(6) 吸收層厚度達到要求后對MgO靶斷電；向鍍膜室內(nèi)通入反應(yīng)氣體， 反應(yīng)氣體為含1 4個碳的碳?xì)浠衔?；Ni靶繼續(xù)通電濺射，在吸收層上形成 Ni-C復(fù)合陶瓷薄膜，并通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體含量和電流強度，使鍍膜室內(nèi)的等 離子體對形成的表面進行刻蝕,使Ni-C復(fù)合陶瓷薄膜的表面形成凹凸不平狀， 形成的表面突起間隔尺寸為0.4-2.1um,接近太陽光譜，得到微不平表面層;(7) 最后斷開各種氣源和電源，恢復(fù)真空到數(shù)量級l(T3Pa,涂層制備完畢。進一步的技術(shù)方案在微不平表面層制備過程中，逐漸改變通入反應(yīng)氣 體的含量，使形成的微不平表面層的折射率遞變。本發(fā)明的有益效果是該涂層具有增透、耐磨、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可 見-近紅外光譜高吸收率，紅外光譜極低發(fā)射率，真空烘烤熱穩(wěn)定性好，可用 于30(TC以上的高溫工作溫度。本發(fā)明采用Ni靶和MgO靶制備太陽能選擇性吸收涂層，可提高高溫使用范圍涂層整體的熱穩(wěn)定性，降低紅外發(fā)射率，同時控制成本且生產(chǎn)工藝簡單化；該涂層在大于300'C的高溫范圍內(nèi)熱性能穩(wěn)定，吸收率高，發(fā)射比較小。


下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明做進一步的描述 圖1是本發(fā)明中太陽能選擇性吸收涂層的剖視圖， 圖2是圖1中的I處局部放大結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1內(nèi)管，2襯底層，3阻擋熱擴散膜層，4反射層，5吸收層，6微 不平表面。
具體實施方式
如圖1所示，該太陽能選擇性吸收涂層，包括在內(nèi)管1外表面依順序設(shè) 置的襯底層2、阻擋熱擴散膜層3、反射層4、吸收層5、微不平表面層6。制 備該太陽能選擇性吸收涂層采用二靶濺射裝置， 一靶采用Ni, —靶采用MgO; 兩個靶間用擋板隔開，防止鍍膜時膜層間的干擾。首先開機械泵對鍍膜室預(yù) 抽，然后開擴散泵，使鍍膜室抽真空至數(shù)量級10—3Pa ，通入氬氣至數(shù)量級 10—'Pa。然后對Ni耙加電進行濺射，制備襯底層2。沉積的襯底層Ni薄膜厚 度達到50 100nm后，對Ni靶斷電。襯底層2之所以采用Ni薄膜，是考慮 到阻擋熱擴散層對玻璃內(nèi)管的附著力要小于對金屬層的附著力，同時因為Ni 分子量大，熱穩(wěn)定性高，其薄膜鏡面反射性好，Ni薄膜還具有紅外波段發(fā)射 率低的特性，有效減少內(nèi)管的散熱，且Ni材料容易獲得，較其他高分子金屬 成本低。襯底層2制備完畢后，對MgO靶加電濺射，在襯底層Ni薄膜上沉積形成 Mg0薄膜即阻擋熱擴散膜層3， Mg0薄膜厚度達到50 100nra后，對MgO靶斷 電，阻擋熱擴散膜層3制備完成。該層作用是增強太陽能選擇性吸收涂層整 體的穩(wěn)定性，提高反射率，防止熱量的擴散。重新對Ni耙加電進行濺射,在阻擋熱擴散膜層上沉積Ni薄膜即反射層4。 反射層4厚度要求為100 200nrn。該層主要作用是提高內(nèi)管的反射率，將內(nèi)管的輻射熱量最大限度留在內(nèi)管中。反射層4厚度達到要求后，對MgO靶加電，由Ni靶和MgO靶共濺射制備 Ni-MgO復(fù)合陶瓷薄膜即吸收層5。同時在氬氣中充入氧氣，氧氣是用于沉積 MgO。 Ni-MgO復(fù)合陶瓷薄膜具有吸收率極高、紅外發(fā)射率極低的特點且高溫?zé)?穩(wěn)定性好。兩耙濺射吸收層過程中，調(diào)節(jié)兩靶的電功率、電壓參數(shù)可調(diào)整Ni及MgO在金屬-介質(zhì)復(fù)合陶瓷薄膜中的體積比。沿從反射層4到微不平表面層 6的方向，吸收層5中金屬Ni的體積比從0.65逐漸減少到0.2，相應(yīng)的MgO 的體積比從0.35逐漸增加到0，8。這樣，吸收層5就是由多個金屬體積比不 同的工藝層疊加而成，從而大大提高了吸收率，將發(fā)射率降至最低。吸收層 中形成的工藝層越多，吸收性能參數(shù)越好。Ni-MgO復(fù)合陶瓷薄膜厚度要求為 130-250醒0吸收層5厚度達到要求后對MgO靶斷電；向鍍膜室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，反 應(yīng)氣體為含1 4個碳的碳?xì)浠衔铮?一般為了保證工藝簡單和操作安全采用 甲烷或乙炔。Ni靶繼續(xù)通電濺射，在吸收層5上形成Ni-C復(fù)合陶瓷薄膜即微 不平表面層6。并通過逐漸改變通入反應(yīng)氣體的含量和電流強度，從而改變等 離子對涂層的轟擊強度，使形成的微不平表面層高度和間隔尺寸不同，從而 其折射率遞變。 一般呈山峰形狀或類蜂窩狀，如圖2所示。形成的表面突起 間隔尺寸為0.4-2.1um，接近太陽光譜，使入射的太陽光經(jīng)多次反射和折射 而被吸收層吸收，減少發(fā)射率。在微不平表面層制備過程中，逐漸改變通入 反應(yīng)氣體的含量，使形成的微不平表面層的折射率遞變。微不平表面層厚度達到200-400nm后，斷開各種氣源和電源，恢復(fù)真空 到數(shù)量級10—3Pa,涂層制備完畢。該發(fā)明并不局限于上述實施例。
權(quán)利要求
1. 一種太陽能選擇性吸收涂層，包括襯底層、吸收層，其特征是所述的襯底層為Ni薄膜；襯底層上沉積有阻擋熱擴散膜層，該阻擋熱擴散層為MgO薄膜；阻擋熱擴散膜層上沉積有反射層，該反射層為Ni薄膜；所述的吸收層為由Ni、MgO構(gòu)成的金屬-介質(zhì)復(fù)合陶瓷薄膜，吸收層沉積在反射層上；吸收層表面沉積有微不平表面層，微不平表面層為Ni-C薄膜，Ni-C薄膜的表面設(shè)為凹凸不平狀且表面突起間隔尺寸為0.4～2.1 μm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征是沿從反 射層到微不平表面層的方向，吸收層中金屬Ni的體積比從0. 65逐漸減少到0. 2, Mg0的體積比從0. 35逐漸增加到0. 8。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征是所 述的襯底層厚度為300 350nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征是所 述的阻擋熱擴散膜層厚度為50 100nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征是所 述的反射層的厚度為100-200nm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征是所 述的吸收層的厚度為130-250nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征是所 述的微不平表面層的厚度為200-400nm。
8、 一種太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征是，包括以下步驟 (l)首先開機械泵對鍍膜室預(yù)抽，然后開擴散泵，使鍍膜室抽真空至數(shù)量級10—3Pa ，通入氬氣至數(shù)量級10，a;采用二靶濺射裝置， 一靶采用Ni， 一靶 采用MgO;兩個靶間用擋板隔開，防止鍍膜時膜層間的干擾；(2) 對Ni耙加電進行濺射，沉積的襯底層Ni薄膜厚度達到要求后，對Ni 耙斷電；(3) 對MgO耙加電濺射，在襯底層Ni薄膜上沉積阻擋熱擴散膜層Mg0薄 膜，Mg0薄膜厚度達到要求后對MgO靶斷電，停止MgO的沉積；(4) 重新對Ni耙加電進行濺射，在阻擋熱擴散膜層上沉積反射層；(5) 反射層厚度達到要求后，對MgO靶加電，同時在氬氣中充入氧氣，由 Ni耙和Mg0耙共濺射制備吸收層，氧氣是用于沉積Mg0;兩靶濺射吸收層過程 中，調(diào)節(jié)兩靶的電功率、電壓參數(shù)可調(diào)整Ni及Mg0在金屬-介質(zhì)復(fù)合陶瓷薄膜 中的體積比；(6) 吸收層厚度達到要求后對MgO靶斷電；向鍍膜室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，反 應(yīng)氣體為含1 4個碳的碳?xì)浠衔铮籒i靶繼續(xù)通電濺射，在吸收層上形成Ni-C 復(fù)合陶瓷薄膜，并通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體含量和電流強度，使鍍膜室內(nèi)的等離子體 對形成的表面進行刻蝕，使Ni-C復(fù)合陶瓷薄膜的表面形成凹凸不平狀，形成的 表面突起間隔尺寸為0.4-2.1um,接近太陽光譜，得到微不平表面層;(7) 最后斷開各種氣源和電源，涂層制備完畢。
全文摘要
一種太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，涂層包括襯底層、吸收層；其特征是，襯底層上沉積阻擋熱擴散膜層、反射層、吸收層、微不平表面層；襯底層和反射層均為Ni薄膜；阻擋熱擴散膜層為MgO薄膜；吸收層由金屬Ni和介質(zhì)MgO組成的復(fù)合陶瓷薄膜；微不平表面層為Ni-C薄膜且采用刻蝕濺射使表面形成粗糙的凹凸不平狀。該涂層具有增透、耐磨，具有可見-近紅外光譜高吸收率，紅外光譜極低發(fā)射率，真空烘烤熱穩(wěn)定性好，可用于300℃以上的高溫工作溫度，吸收率高，發(fā)射比較小。采用鎳靶和氧化鎂靶雙靶濺射制備，可提高高溫使用范圍選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性，降低紅外發(fā)射率，同時生產(chǎn)工藝簡單化并且降低成本。
文檔編號C23C14/08GK101266080SQ20081001601
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者丁海成, 安利娟, 斌 王, 兵 馬, 高立峰 申請人:山東桑樂太陽能有限公司