一種太陽光譜選擇性吸收涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，（1）選取具低紅外發(fā)射率鎢、鉬、銅或鋁作為金屬紅外高反射層；（2）選擇具有良好高溫穩(wěn)定性的過渡金屬氮化物作為吸收層材料，通過控制涂層中Al的含量，得到第一吸收層和第二吸收層；（3）Al的氮化物或Al的氧化物為減反射層；針對不同的膜層材料通過控制氣體流量和濺射功率控制其成分和含量；獲得具有四層結(jié)構(gòu)的光譜選擇性吸收涂層，涂層的厚度在400納米以下，在太陽能光譜范圍（0.3～2.5微米）具有高的吸收率α（0.93~0.96），在紅外區(qū)域（2.5～50微米）有很低的發(fā)射率ε（0.04~0.06）。
【專利說明】一種太陽光譜選擇性吸收涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能熱利用材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及到使用過渡金屬氮化物作為吸收層的太陽光譜選擇性吸收涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]槽式真空集熱管的光熱轉(zhuǎn)換效率依賴于光譜選擇性吸收涂層的光學(xué)性質(zhì)和高溫穩(wěn)定性。一般來說，光譜選擇性吸收涂層需要具有高吸收率(>0.94)和高溫低發(fā)射率(〈0.10，400°C)，因?yàn)橥繉拥臒彷椛鋼p失與T4成正比例關(guān)系。涂層在空氣和真空環(huán)境中的高溫穩(wěn)定性也很重要，這決定了涂層的工作溫度。
[0003]金屬陶瓷復(fù)合涂層具有良好的熱穩(wěn)定性，主要應(yīng)用在中高溫領(lǐng)域，是近年來研究熱點(diǎn)之一。金屬陶瓷復(fù)合涂層是把金屬粒子摻入氧化物或氮化物等介質(zhì)基體中，通過金屬的帶間躍遷和小顆粒的共振使涂層對太陽光譜有很強(qiáng)的吸收作用。多種過渡金屬與陶瓷基體形成的金屬陶瓷復(fù)合涂層(Pt-Al2O3, N1-Al2O3, Mo-Al2O3, W-Al2O3, N1-SiO2等)均具有良好的光學(xué)性能和真空熱穩(wěn)定性。但這些涂層在空氣中熱穩(wěn)定性較差，這主要是因?yàn)榻饘倭Ｗ釉诳諝猸h(huán)境中的氧化或擴(kuò)散，或者兩者均有。而且由于涂層制備過程中使用射頻電源，沉積速率較低，并且增加了設(shè)備復(fù)雜性。過渡金屬氮化物或者氧化物在空氣中具有良好的熱穩(wěn)定性，這是由于過渡金屬的d或f亞層具有未完全配對的電子，比如TiN，NbN等。在這些涂層中引入第三組元Al，控制Al的含量可以得到金屬態(tài)至非金屬態(tài)的涂層，這樣可以制備過渡金屬氮化物光譜選擇性吸收涂層。
[0004]中國發(fā)明專利CN8510042涉及一種A1-N/A1選擇性吸收涂層，該涂層可采用單個技術(shù)Al靶反應(yīng)濺射制備，工藝簡單、成本低，涂層的吸收率可達(dá)0.93，發(fā)射率0.06( IOO0O0在中低溫太陽能真空集熱管上得到了廣泛應(yīng)用。但該涂層在較高溫度工作時，涂層中的鋁粒子活性增加，金屬粒子和絕緣介質(zhì)的熱擴(kuò)散作用加強(qiáng)，涂層結(jié)構(gòu)紊亂，涂層性能下降，影響了真空管的集熱效率和壽命。
[0005]中國發(fā)明專利CN96102331.7涉及一種M-AlN (M=SS、W等)光譜選擇性吸收涂層，該涂層采用金屬靶在Ar+N2氣氛下反應(yīng)濺射形成。由于采用了雙直流電源，沉積效率增加，涂層耐溫性能得到提高。但該涂層只限于真空環(huán)境中工作，在空氣環(huán)境中金屬粒子發(fā)生氧化和擴(kuò)散，導(dǎo)致涂層失效。
[0006]中國發(fā)明專利CN200810240474.8涉及一種金屬氮化物作為導(dǎo)電粒子摻雜在介質(zhì)基體中的光譜選擇性吸收涂層，由于金屬氮化物在空氣中具有良好抗氧化性，使涂層在非真空條件下也具有高溫?zé)岱€(wěn)定性。該發(fā)明專利中制備工藝復(fù)雜，成本相對較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，本發(fā)明之涂層具有結(jié)構(gòu)簡單、光學(xué)性能優(yōu)良、耐高溫能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在制備工藝方面易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡單，適用于中高溫環(huán)境條件下的真空或者空氣中。[0008]本發(fā)明提出的光譜選擇性吸收涂層從基體向外，依次由金屬紅外高反射層、第一吸收層、第二吸收層和減反射層組成，其特征在于，所述第一吸收層和第二吸收層分別由成分不同的過渡金屬氮化物構(gòu)成。
[0009]本發(fā)明所述的過渡金屬氮化物是TiN或NbN中引入第三組元Al形成的TixAlpxN或 NbxAl1^Nt5
[0010]本發(fā)明中的基底材料選取的是表面拋光的不銹鋼、Cu、Al、玻璃和拋光Si片中的一種。
[0011]本發(fā)明中的金屬紅外高反射層為純金屬W、Mo、Al、Cu中的任意一種，厚度為50-300 納米。
[0012]本發(fā)明中的第一吸收層為主吸收層，由TixAVxN或NbxAlhN構(gòu)成，其中，x=0.5-0.9。采用Ti和Al純金屬靶，或者Nb和Al純金屬靶，通過直流-直流共濺射而成，厚度為30-150納米。
[0013]本發(fā)明中的第二吸收層作為輔吸收層，由TiyAVyN或NbyAVyN構(gòu)成，其中，y=0.1-0.5。該層采用的靶材為Ti與Al純金屬靶，或者Nb純金屬靶與Al純金屬靶，通過直流-直流共濺射而成，厚度為10-100納米。
[0014]本發(fā)明中的減反射層主要是Al的氮化物或氧化物，包括AlN或Al2O315該層所采用的靶材為Al純金屬靶，采用直流磁控濺射的制備方法，厚度為20-200納米。
[0015]本發(fā)明針對不 同的膜層材料通過調(diào)整濺射功率、氮-氧-氬的流量以及沉積時間來控制各膜層厚度和成分。也就是說，吸收涂層通過調(diào)整濺射功率，高純Ar、高純N2和高純O2中的一種或幾種的流量以及沉積時間來控制各吸收涂層的厚度和成分。
[0016]本發(fā)明一種中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，其關(guān)鍵技術(shù)的解決方案是:
[0017](I)基底材料在置入真空室前將基底材料用超聲清洗烘干后；置入真空室后，對其表面進(jìn)行気離子轟擊20~30min ；
[0018](2)沉積W、Mo、Al、Cu中的任意一種為紅外高反射層，獲得低的紅外發(fā)射率；
[0019](3)沉積第一層吸收層 TixAU 或 NbxAl1Ji 其中，x=0.5-0.8。
[0020](4)沉積第二吸收層 TiyAl1J 或 NbyAVyN,其中，y=0.1-0.5。
[0021](5)最后沉積AlN或Al2O3減反射層；
[0022](6)為了保證每層膜生長的完整性以及防止各層之間的原子擴(kuò)散，鍍每層之間間隔5~15min,最后冷卻至室溫后取出樣品。
[0023]本發(fā)明的原理是:通過TixAVxN或NbxAVxN (x=0.5-0.8)第一吸收層和TiyAVyN或NbyAlpyN (y=0.1-0.5)第二吸收層的本征吸收和干涉吸收，得到了吸收率為0.93~0.96，發(fā)射率為0.04、.06的光譜選擇性吸收涂層；并且過渡金屬氮化物在真空和空氣環(huán)境中均具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性，光譜選擇性吸收涂層可在真空和空氣環(huán)境中應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明是一種太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，其優(yōu)點(diǎn)在于:涂層在太陽光譜范圍(0.3~2.5微米)具有較高的吸收率α (0.93~0.96)，在紅外區(qū)域(2.5~50微米)有很低的發(fā)射率ε (0.01~0.06)，同時具有高溫穩(wěn)定性，滿足太陽能高溫利用的要求。該涂層制備工藝簡單，成本低，采用該方法制作的涂層可以用于空氣和真空環(huán)境中?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的涂層的微觀結(jié)構(gòu)模型，其中I為基底，2為金屬紅外高反射層(W、Mo,Al>Cu 中的一種)，3 為第一吸收層[TixAlhN 或 NbxAU (x=0.5-0.8) ]，4 為第二吸收層[TiyAl1J 或 NbyAVyN, (y=0.1-0.5) ]，5 為減反射層(AlN 或 Al2O3X
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的太陽光譜選擇性吸收涂層是從基體I向外，依次由金屬紅外高反射層2 (W、Mo、Al、Cu中的任意一種)、第一吸收層3[TixAlpxN或NbxAl^xN,(χ=0.5-0.8)]、第二吸收層 4[TiyAVyN 或 NbyAVyNXy=0.1-0.5)]和減反射層四層 5 (AlN或Al2O3)結(jié)構(gòu)組成。
[0027]實(shí)施例1
[0028]以Mo/TWxN/TiyAlhN/AlN (x=0.5，y=0.25)光譜選擇性吸收涂層為例。在選擇不銹鋼為基體，采用鑰靶在氬氣氣氛中濺射鍍制IOOnm的Mo薄膜；采用鈦靶和鋁靶在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中反應(yīng)濺射，形成Tia5Ala5N第一吸收層，厚64nm ;采用鈦靶和鋁靶在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中反應(yīng)濺射，形成Tia25Ala75N第二吸收層，厚25nm ;采用鋁靶在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中反應(yīng)濺射，形成氮化鋁(AlN)減反射層，厚30nm。
[0029]所制備的涂層吸收率可達(dá)0.95，發(fā)射率ε ^ 0.05 (82°C )。
[0030]實(shí)施例2
[0031]以(WNbxAVxNziNbyAVyNAl2O3(χ=0.6， y=0.3)光譜選擇性吸收涂層為例。以拋光Si片為基體，采用Cu靶在氬氣中濺射鍍制Cu薄膜，厚度為120nm ;采用鈮靶和鋁靶在IS氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中反應(yīng)派射，形成Nba6Ala4N構(gòu)成的第一吸收層，厚58nm ;采用銀革巴和鋁靶在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中反應(yīng)濺射，形成Nba3Ala7N構(gòu)成的第二吸收層，厚度為28nm ;采用鋁靶在氬氣和氧氣的混合氣體中反應(yīng)濺射，形成氧化鋁(Al2O3)減反射層，厚度為 35nm ；
[0032]所制備的涂層吸收率可達(dá)0.94，發(fā)射率ε ^ 0.04 (80°C )。
[0033]上述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于，該太陽光譜選擇性吸收涂層是從基體向外，依次由金屬紅外高反射層、第一吸收層、第二吸收層和減反射層四層結(jié)構(gòu)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于，所述的金屬紅外高反射層為純金屬W、Mo、Cu和Al中的任意一種；第一吸收層為TixAlhN或NbxAlhN,其中，x=0.5-0.8 ;第二吸收層 TiyAVyN 或 NbyAVyN 其中，y=0.1-0.5 ;減反射層為 AlN 或 A1203。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的金屬紅外高反射層厚度為50-300納米，第一吸收層厚度為3(Tl50nm，第二吸收層厚度為l0-l00nm，減反射層厚度為20~200納米。
【文檔編號】B32B15/04GK103808047SQ201210450357
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】杜淼, 郝雷, 劉曉鵬, 米菁, 王笑靜, 于慶河, 蔣利軍, 王樹茂 申請人:北京有色金屬研究總院