專利名稱：一種顏色可調(diào)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能集熱器吸熱膜、光熱轉(zhuǎn)化材料領(lǐng)域，具體是指一種顏色可調(diào)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量越來(lái)越大。然而煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源儲(chǔ)備量不斷減少、日益緊缺，造成價(jià)格的不斷上漲，同時(shí)常規(guī)化石燃料造成的環(huán)境污染問(wèn)題也愈加嚴(yán)重，這些都大大限制著社會(huì)的發(fā)展和人類生活質(zhì)量的提高。能源問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)代世界的最突出的問(wèn)題之一。因而尋求新的能源，特別是無(wú)污染的清潔能源已成為現(xiàn)在人們研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，而且資源量巨大，地球表面每年接收的太陽(yáng)輻射能總量為lX1018kW · h，為世界年耗總能量的一萬(wàn)多倍。世界各國(guó)都已經(jīng)把太陽(yáng)能的利用作為新能源開(kāi)發(fā)的重要一項(xiàng)，我國(guó)政府在《政府工作報(bào)告》也早已明確提出要積極發(fā)展新能源，其中太陽(yáng)能的利用尤其占據(jù)著突出地位。然而由于太陽(yáng)輻射到達(dá)地球上的能量密度小(每平方米約一千瓦)，而且又是不連續(xù)的，這給大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)一定困難。因此，為了廣泛利用太陽(yáng)能，不僅要解決技術(shù)上的問(wèn)題，而且在經(jīng)濟(jì)上必須能同常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。太陽(yáng)能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)化、光電轉(zhuǎn)化、光化學(xué)轉(zhuǎn)換這三種形式。相比于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)和光化學(xué)轉(zhuǎn)換的高昂成本與低的能量轉(zhuǎn)換效率，太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)化是一種能量轉(zhuǎn)換效率和利用率高而且成本低廉、可在全社會(huì)廣泛推廣的太陽(yáng)能利用方式。在太陽(yáng)能熱利用裝置中，關(guān)鍵是要將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的器件稱為太陽(yáng)能集熱器。當(dāng)前太陽(yáng)能熱利用最活躍、并已形成產(chǎn)業(yè)的當(dāng)屬太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能熱發(fā)電。其中，太陽(yáng)能熱水器技術(shù)已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。目前，世界太陽(yáng)能市場(chǎng)平板式和真空管式太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)并存，但所占市場(chǎng)份額不同。平板集熱器由于有著光熱轉(zhuǎn)換速率快、熱效率高、采光面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本適宜，還具有承壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有和建筑完美一體化結(jié)合等一系列的優(yōu)勢(shì)，在歐、美、澳等發(fā)達(dá)國(guó)家其市場(chǎng)占有率達(dá)到90%以上。而在我國(guó)，卻截然相反，以真空管集熱器為主，真空管占86%。1990年后中國(guó)逐漸成為太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)與使用大國(guó)，2010年年產(chǎn)量約為4900萬(wàn)m2，其中，真空管集熱器面積為4600萬(wàn)m2，增長(zhǎng)15%。而平板集熱器面積僅為300萬(wàn)m2，但增長(zhǎng)率為50%，有著很大的發(fā)展?jié)摿?。尤其是在太?yáng)能集熱器與建筑一體化的住宅方面，平板集熱器可作為大面積屋頂集熱模塊，成為建筑的一個(gè)構(gòu)件，既降低了成本，又提高了建筑的整體性和美觀性，也為整個(gè)建筑的節(jié)能減排發(fā)揮作用。無(wú)論哪種形式和結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，都要有一個(gè)用來(lái)吸收太陽(yáng)輻射的吸收部件，該部件吸收熱輻射的性能對(duì)集熱器的熱性能起著至關(guān)重要的作用。表征吸收熱輻射能的物理量是吸收比和熱發(fā)射比，前者表征吸收太陽(yáng)輻射能的能力，后者表征自身溫度下發(fā)射輻射能的能力。
眾所周知，太陽(yáng)輻射具有一個(gè)很寬的波段分布，但是其輻射能主要集中在可見(jiàn)光和近紅外波段范圍(O. 3 2. 5 μ m)。因此，為了提高太陽(yáng)集熱器的熱效率，我們要求吸收部件在波長(zhǎng)0.3 2. 5μπι的太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)具有較高的吸收比(通常用α表示)。而對(duì)于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中的受熱體，其熱輻射能量集中在波長(zhǎng)為3. O 30. O μ m的紅外光譜范圍內(nèi)，為了減少熱損失，防止吸收的短波能量又以長(zhǎng)波形式輻射掉，就要在熱輻射波段內(nèi)保持盡可能低的熱發(fā)射比(通常用ε表示)。根據(jù)普朗克黑體輻射定律和基爾霍夫定律，處于熱平衡時(shí)，任何物體對(duì)黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。因此，要使物體在熱輻射波段內(nèi)保持盡可能低的熱發(fā)射比，即相當(dāng)于使物體在熱輻射波段內(nèi)保持盡可能低的吸收率。概括起來(lái)，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太陽(yáng)輻射的同時(shí)，盡可能減小其輻射熱損失，通俗地講，就是要“進(jìn)的多，出的少”。具有這種選擇性吸收效果的薄膜的稱為“太陽(yáng)能選擇性吸收膜”或“太陽(yáng)能選擇性吸收涂層”。顯而易見(jiàn)，該涂層兩個(gè)重要的性能參數(shù)α、ε對(duì)提高集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率起著至關(guān)重要的作用。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的集熱器吸收膜外觀顏色大都呈黑色或藍(lán)色，顏色非常單調(diào)。隨著平板集熱器在建筑一體化太陽(yáng)能熱利用方面的應(yīng)用，如，集熱器可作為屋頂?shù)囊徊糠?、也可與陽(yáng)臺(tái)、外墻有機(jī)結(jié)合，與建筑渾然一體，為整個(gè)建筑的節(jié)能減排發(fā)揮作用，其市場(chǎng)前景 越來(lái)越廣闊。而人們對(duì)建筑美觀化、個(gè)性化的需求，使得吸收膜外觀顏色方面的因素也受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。因此，制備適合工業(yè)化生產(chǎn)的高吸收率、低發(fā)射率，而且外觀顏色豐富多彩、可調(diào)節(jié)的吸收膜，既滿足集熱器在建筑一體化太陽(yáng)能熱利用方面的基本需求，又能滿足人們?nèi)找鎻?qiáng)烈的個(gè)性化需求，因此更具優(yōu)勢(shì)和前景。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN101240944A及CN201196495Y所公開(kāi)的TiNxOy薄膜在加上了二氧化硅SiO2減反膜后，吸收率可達(dá)到96%，發(fā)射率低于4%，但其外觀顏色并不可調(diào)節(jié)；而專利公開(kāi)號(hào)CN1594644A雖提到利用Ti的各種價(jià)態(tài)化合物的顏色差別來(lái)調(diào)節(jié)薄膜的顏色，但一方面其所公開(kāi)各種顏色的TiNxOy薄膜中吸收率最大的只有94%，發(fā)射率最低的高達(dá)7%，光熱轉(zhuǎn)換性能不佳，另一方面Ti的化合物價(jià)態(tài)在濺射工藝中難以控制，不適合在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用。本發(fā)明的目的就是公開(kāi)一種具有高太陽(yáng)能吸收率、低紅外發(fā)射率，同時(shí)還能簡(jiǎn)單方便地調(diào)節(jié)顏色的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系，以滿足現(xiàn)有及建筑一體化市場(chǎng)對(duì)高性能太陽(yáng)能選擇性吸收膜系的外觀與顏色多樣化的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種顏色可調(diào)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系及其制備方法。旨在提供一種制備方法適合工業(yè)化生產(chǎn)的高吸收率、低發(fā)射率，且耐候性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)外觀顏色豐富、可調(diào)節(jié)的吸收膜，可起到裝飾作用，特別適合于太陽(yáng)能熱利用在建筑一體化產(chǎn)品方面的商業(yè)化應(yīng)用，滿足太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)等光熱產(chǎn)品的美觀、多樣和個(gè)性化需求。該顏色可調(diào)節(jié)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系結(jié)構(gòu)如附

圖1所示，以金屬箔片為襯底，膜系在金屬基片I的上方自下而上依次包括鍍制在金屬襯底上的氮氧化鈦薄膜2、二氧化鈦薄膜3、氮化硅薄膜4以及二氧化硅薄膜5。其中所述的金屬基片I可以是Cu箔片，Al箔片，Al箔片、Ni箔片或不銹鋼箔片上沉積一層Cu薄膜，Al箔片、Ni箔片、不銹鋼箔片或Cu箔片上沉積一層紅外高反射的Ag薄膜。優(yōu)選的，采用Cu箔片上沉積一層紅外高反射的Ag薄膜，以降低吸收膜系的發(fā)射率，同時(shí)這種金屬基片的導(dǎo)熱性能優(yōu)異；所述的氮氧化鈦TiNxOy薄膜2中，T1、N、O三種元素的原子比范圍為T1: N: 0=1:0. 5^1:0. 5 2，厚度范圍為40nm 200nm，太薄會(huì)降低吸收率，太厚又會(huì)增大發(fā)射率，可以是單一組分比的單層TiNxOy薄膜，也可以是各層組分比不同的多層TiNxOy薄膜，還可以是組分隨厚度漸變的漸變膜；所述的二氧化鈦TiO2薄膜3厚度范圍為Onm 60nm ；所述的氮化娃Si3N4薄膜4厚度范圍為20nm IOOnm ；所述的二氧化娃SiO2薄膜5厚度范圍為50nm 150nm。本發(fā)明的吸收膜系以TiNxOy薄膜作為吸收層，以Ti02、Si3N4、Si02三種薄膜作為顏色調(diào)節(jié)層、減反層和保護(hù)層。由于三種材料的折射率依次遞減，因此具有很好的漸變減反效果，提高了膜系的吸收率。同時(shí)，利用干涉原理，可通過(guò)調(diào)節(jié)TiNx0y、Ti02、Si3N4、Si02四種薄膜的厚度，調(diào)節(jié)膜系的外觀顏色。具體物理原理如下為了減少表面的反射光，通常需要對(duì)其進(jìn)行減反膜系的設(shè)計(jì)。反射率的計(jì)算可以采用特征矩陣法，對(duì)于單層減反膜
權(quán)利要求
1.一種顏色可調(diào)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系，其特征在于在襯底(I)上依次為氮氧化鈦薄膜(2)、二氧化鈦薄膜(3)、氮化硅薄膜(4)以及二氧化硅薄膜(5)，其中 所述的襯底(I)是Cu箔片，Al箔片，Al箔片、Ni箔片或不銹鋼箔片上沉積一層Cu薄膜，或是在Al箔片、Ni箔片、不銹鋼箔片或Cu箔片上沉積一層紅外高反射的Ag薄膜；優(yōu)選的，采用Cu箔片上沉積一層紅外高反射的Ag薄膜； 所述的氮氧化鈦薄膜(2) TiNxOy中，T1、N、O三種元素的原子比范圍為T1: N: 0=1:0. 5 1: O. 5 2，厚度為 40nm 200nm ； 所述的二氧化鈦薄膜(3)厚度為Onm 60nm,由二氧化鈦薄膜的厚度來(lái)調(diào)節(jié)膜系減反中心波長(zhǎng)的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)膜系的顏色； 所述的氮化娃薄膜(4)厚度為20nm IOOnm ； 所述的二氧化娃薄膜(5)厚度為50nm 150nm。
2.一種如權(quán)利要求書I所述的顏色可調(diào)節(jié)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系的制備方法，其特征在于 所述的氮氧化鈦薄膜(2)的制備方法為磁控濺射鍍膜，采用金屬Ti靶材，同時(shí)以氮?dú)夂脱鯕鈨煞N反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)濺射；或者采用TiN陶瓷靶材，以氧氣作為反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)濺射；或者采用按預(yù)先設(shè)定的T1、N、0三種元素原子比燒結(jié)好的TiNxOy陶瓷靶材，直接進(jìn)行濺射鍍膜； 所述的二氧化鈦薄膜(3)的制備采用金屬Ti靶材，以氧氣作為反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)濺射；或者采用TiO2陶瓷靶材直接進(jìn)行濺射鍍膜； 所述的氮化硅薄膜(4)的制備采用Si靶材，以氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)濺射；或者采用Si3N4陶瓷靶材直接進(jìn)行濺射鍍膜； 所述的二氧化硅薄膜(5)的制備采用Si靶材，以氧氣作為反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)濺射；或者采用SiO2陶瓷靶材直接進(jìn)行濺射鍍膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種顏色可調(diào)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系及其制備方法。該顏色可調(diào)節(jié)的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系自下而上依次包括鍍制在金屬襯底上的氮氧化鈦薄膜、二氧化鈦薄膜、氮化硅薄膜以及二氧化硅薄膜。本發(fā)明的吸收膜系對(duì)太陽(yáng)能的吸收率大于96%，發(fā)射率小于4%，具有光熱轉(zhuǎn)換效率高和集熱效率高以及顏色可調(diào)的特點(diǎn)。本發(fā)明的吸收膜系具有在保持良好吸收率和發(fā)射率的前提下，調(diào)節(jié)外觀顏色的特點(diǎn)，豐富多彩的外觀顏色可更好地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱產(chǎn)品與建筑一體化，滿足太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)等光熱產(chǎn)品的美觀、多樣和個(gè)性化需求。本發(fā)明的吸收膜系可直接通過(guò)工業(yè)化磁控濺射制備方法在大面積襯底上連續(xù)鍍制，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/08GK103017383SQ201210506859
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者陸衛(wèi), 陳飛良, 王少偉, 俞立明, 劉星星, 簡(jiǎn)明, 郭少令, 陳效雙, 王曉芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所