專利名稱：一種顏色可調的太陽能選擇性吸收膜系的制作方法
技術領域：
本專利涉及太陽能集熱器吸熱膜、光熱轉化材料領域，具體是指一種顏色可調的太陽能選擇性吸收膜系及其制備方法。
背景技術：
隨著現(xiàn)代社會經濟的高速發(fā)展，人類對能源的需求量越來越大。然而煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源儲備量不斷減少、日益緊缺，造成價格的不斷上漲，同時常規(guī)化石燃料造成的環(huán)境污染問題也愈加嚴重，這些都大大限制著社會的發(fā)展和人類生活質量的提高。能源問題已經成為當代世界的最突出的問題之一。因而尋求新的能源，特別是無污染的清潔能源已成為現(xiàn)在人們研究的熱點。太陽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輻射能總量為lX1018kW.h，為世界年耗總能量的一萬多倍。世界各國都已經把太陽能的利用作為新能源開發(fā)的重要一項，我國政府在《政府工作報告》也早已明確提出要積極發(fā)展新能源，其中太陽能的利用尤其占據(jù)著突出地位。然而由于太陽輻射到達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)模的開發(fā)利用帶來一定困難。因此，為了廣泛利用太陽能，不僅要解決技術上的問題，而且在經濟上必須能同常規(guī)能源相競爭。太陽能的利用主要有光熱轉化、光電轉化、光化學轉換這三種形式。相比于太陽能光伏產業(yè)和光化學轉換的高昂成本與低的能量轉換效率，太陽能熱轉化是一種能量轉換效率和利用率高而且成本低廉、可在全社會廣泛推廣的太陽能利用方式。在太陽能熱利用裝置中，關鍵是要將太陽輻射能轉換成熱能，實現(xiàn)這種轉換的器件稱為太陽能集熱器。
當前太陽能熱利用最活躍、并已形成產業(yè)的當屬太陽能熱水器和太陽能熱發(fā)電。其中，太陽能熱水器技術已很成熟，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和燃氣熱水器市場。目前，世界太陽能市場平板式和真空管式太陽能熱水器系統(tǒng)并存，但所占市場份額不同。平板集熱器由于有著光熱轉換速率快、熱效率高、采光面積大、結構簡單、運行可靠、成本適宜，還具有承壓能力強等特點，具有和建筑完美一體化結合等一系列的優(yōu)勢，在歐、美、澳等發(fā)達國家其市場占有率達到90%以上。而在我國，卻截然相反，以真空管集熱器為主，真空管占86%。1990年后中國逐漸成為太陽能熱水器的生產與使用大國，2010年年產量約為4900萬m2，其中，真空管集熱器面積為4600萬m2，增長15%。而平板集熱器面積僅為300萬m2，但增長率為50%，有著很大的發(fā)展?jié)摿?。尤其是在太陽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，成為建筑的一個構件，既降低了成本，又提高了建筑的整體性和美觀性，也為整個建筑的節(jié)能減排發(fā)揮作用。無論哪種形式和結構的太陽能集熱器，都要有一個用來吸收太陽輻射的吸收部件，該部件吸收熱輻射的性能對集熱器的熱性能起著至關重要的作用。表征吸收熱輻射能的物理量是吸收比和熱發(fā)射比，前者表征吸收太陽輻射能的能力，后者表征自身溫度下發(fā)射輻射能的能力。[0007]眾所周知，太陽輻射具有一個很寬的波段分布，但是其輻射能主要集中在可見光和近紅外波段范圍(0.3 2.5 μ m)。因此，為了提高太陽集熱器的熱效率，我們要求吸收部件在波長0.3 2.5μπι的太陽光譜范圍內具有較高的吸收比(通常用α表示)。而對于一個實際應用中的受熱體，其熱輻射能量集中在波長為3.0 30.0 μ m的紅外光譜范圍內，為了減少熱損失，防止吸收的短波能量又以長波形式輻射掉，就要在熱輻射波段內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，任何物體對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保持盡可能低的熱發(fā)射比，即相當于使物體在熱輻射波段內保持盡可能低的吸收率。概括起來，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太陽輻射的同時，盡可能減小其輻射熱損失，通俗地講，就是要“進的多，出的少”。具有這種選擇性吸收效果的薄膜的稱為“太陽能選擇性吸收膜”或“太陽能選擇性吸收涂層”。顯而易見，該涂層兩個重要的性能參數(shù)α、ε對提高集熱器的光熱轉換效率起著至關重要的作用。目前市場上常見的集熱器吸收膜外觀顏色大都呈黑色或藍色，顏色非常單調。隨著平板集熱器在建筑一體化太陽能熱利用方面的應用，如，集熱器可作為屋頂?shù)囊徊糠?、也可與陽臺、外墻有機結合，與建筑渾然一體，為整個建筑的節(jié)能減排發(fā)揮作用，其市場前景越來越廣闊。而人們對建筑美觀化、個性化的需求，使得吸收膜外觀顏色方面的因素也受到越來越多的關注和重視。因此，制備適合工業(yè)化生產的高吸收率、低發(fā)射率，而且外觀顏色豐富多彩、可調節(jié)的吸收膜，既滿足集熱器在建筑一體化太陽能熱利用方面的基本需求，又能滿足人們日益強烈的個性化需求，因此更具優(yōu)勢和前景。中國專利公開號CN101240944A及CN201196495Y所公開的TiNxOy薄膜在加上了二氧化硅SiO2減反膜后，吸收率可達到96%，發(fā)射率低于4%，但其外觀顏色并不可調節(jié)；而專利公開號CN1594644A雖提到利用Ti的各種價態(tài)化合物的顏色差別來調節(jié)薄膜的顏色，但一方面其所公開各種顏色的TiNxOy薄膜中吸收率最大的只有94%，發(fā)射率最低的高達7%，光熱轉換性能不佳，另一方面Ti的化合物價態(tài)在濺射工藝中難以控制，不適合在工業(yè)化生產中應用。本專利的目的就是 公開一種具有高太陽能吸收率、低紅外發(fā)射率，同時還能簡單方便地調節(jié)顏色的太陽能選擇性吸收膜系，以滿足現(xiàn)有及建筑一體化市場對高性能太陽能選擇性吸收膜系的外觀與顏色多樣化的需求。
發(fā)明內容本專利公開了一種顏色可調的太陽能選擇性吸收膜系。旨在提供一種制備方法適合工業(yè)化生產的高吸收率、低發(fā)射率，且耐候性強、使用壽命長，同時外觀顏色豐富、可調節(jié)的吸收膜，可起到裝飾作用，特別適合于太陽能熱利用在建筑一體化產品方面的商業(yè)化應用，滿足太陽能熱水器、太陽能空調等光熱產品的美觀、多樣和個性化需求。該顏色可調節(jié)的太陽能選擇性吸收膜系結構如附


圖1所示，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；[0014]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，厚度為 40nm 200nm ；所述的二氧化鈦薄膜3厚度為Onm 60nm ;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。本專利的吸收膜系以TiNxOy薄膜作為吸收層，以Ti02、Si3N4、Si02三種薄膜作為顏色調節(jié)層、減反層和保護層。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，利用干涉原理，可通過調節(jié)TiNx0y、Ti02、Si3N4、Si02四種薄膜的厚度，調節(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，通常需要對其進行減反膜系的設計。反射率的計算可以采用特征矩陣法，對于單層減反膜:
權利要求1.一種顏色可調的太陽能選擇性吸收膜系，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； 所述的氮氧化鈦TiNxOy薄膜(2)的厚度為40nm 200nm ； 所述的二氧化鈦薄膜(3)厚度為Onm 60nm ； 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。
專利摘要本專利公開了一種顏色可調的太陽能選擇性吸收膜系。該顏色可調節(jié)的太陽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。本專利的吸收膜系對太陽能的吸收率大于96%，發(fā)射率小于4%，具有光熱轉換效率高和集熱效率高以及顏色可調的特點。本專利的吸收膜系具有在保持良好吸收率和發(fā)射率的前提下，調節(jié)外觀顏色的特點，豐富多彩的外觀顏色可更好地實現(xiàn)太陽能集熱產品與建筑一體化，滿足太陽能熱水器、太陽能空調等光熱產品的美觀、多樣和個性化需求。本專利的吸收膜系可直接通過工業(yè)化磁控濺射制備方法在大面積襯底上連續(xù)鍍制，易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產。
文檔編號C23C14/06GK203132188SQ20122065316
公開日2013年8月14日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日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, 簡明, 郭少令, 陳效雙, 王曉芳 申請人:中國科學院上海技術物理研究所