專利名稱：一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于薄膜技術與薄膜材料領域，具體涉及了一種太陽能光譜高溫選擇性吸 收膜及其制造方法。
背景技術：
根據(jù)吸收太陽光的原理和涂層的構(gòu)造不同，太陽能光譜高溫選擇性吸收涂 層主要分為半導體涂層、光干涉涂層、多孔涂層和金屬陶瓷涂層四類。常見的半導體 材料有硅(Si)、鍺(Ge)、黑鉻(CrxOy)、黑鎳(NiS-ZnS)、氧化銅黑(CuxOy)和氧化鐵 (Fe3O4)等；光干涉涂層是由非吸收的介質(zhì)膜與吸收復合膜、金屬底材或底層薄膜組成，如 AI2O3-Mox-AI2O3(AMA)三層膜、A1N-A1/A1八層膜等；多孔涂層是通過控制涂層表面的形貌 和結(jié)構(gòu)，使表面不連續(xù)性的尺寸與可見光譜峰值相當，從而對可見光起陷阱作用，對長波輻 射具有很好反射作用；金屬陶瓷層是根據(jù)有效的媒質(zhì)理論，利用在母體中細分散的金屬粒 子，對可見光的不同波長級光子產(chǎn)生多次散射和內(nèi)反射而將其吸收，金屬粒子和氧化物的 共析涂層，如 A1-A1203、Mo-A1203、Mo-SiO2, Ti-TiO2, W-A1203> Ni_Al203、Co-Al2O3、Au-Al2O3 等 涂層?，F(xiàn)有的太陽能光譜高溫選擇性多為四層結(jié)構(gòu)，第一層為基材，第二層為為金屬光 反射層，第三層為光吸收層，第四層為光減反射，這四層結(jié)構(gòu)依次疊加，由于反射層多為單 一的金屬Mo、Ni、Cu或Fe導致其與基材以及吸收層之間的結(jié)合性不夠好，同時這種結(jié)構(gòu)的 吸收膜的紅外反射率較低，導致發(fā)射率增加，因此實用性有待加強。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種層間的結(jié)合性好、實用性加強的太陽能光譜高溫選擇 性吸收膜。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種太陽能光譜高溫選擇性吸收 膜，包括基材，以及由內(nèi)至外依次設置在基材上的反射層、吸收層和減反層，所述的反射層 為Fe-Mo合金，所述的吸收層為Mo-Al2O3合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層包括三 層，由里層到表層Mo的原子百分比含量逐步降低，里層的Mo含量為80-90%，中間層的Mo 含量為50-60 %，表層的Mo含量為20-40 %。所述反射層的厚度為100-200nm。所述吸收層的厚度為150-200nm。所述減反層 的厚度為30-80nm。本發(fā)明的另外一個目的在于提供一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的制造方法， 依照該方法制得的吸收膜具有結(jié)合力強、高吸收率和低發(fā)射率的優(yōu)點。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜 的制造方法，實現(xiàn)步驟如下a)、對基材的表面進行拋光、去污和清洗，將基材置于濺射爐的中心并使其旋轉(zhuǎn)；b)、關閉濺射爐，抽真空，向濺射爐內(nèi)充入氬氣，并在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗，之后開啟Fe靶和Mo靶，在基材上濺射形成Fe-Mo合金反射層。C)、同時向濺射爐內(nèi)沖入氧氣和氬氣，關閉Fe靶，開啟Mo靶和Al靶對基材進行離 子轟擊，在反射層表面濺射形成Mo-Al2O3合金吸收層；d)、同時向濺射爐內(nèi)沖入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟Al靶對基材進行離 子轟擊，在吸收層表面濺射得到Al2O3減反層。所述步驟b)的工藝條件如下Fe靶的電流為35A，電壓為411V，Mo靶的電流為 40A,電壓為450V，基材上的基體偏壓為270-300V，濺射爐的真空度為0. lOPa，沉積時間設 置為 8-10mino所述步驟c)的工藝條件如下真空度為0.16-0. 2Pa，基材上的基體偏壓為 200-250V，沉積時間為 10-15min。所述步驟d)的工藝條件如下A1靶的電流為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa, 沉積時間為5-8min。本發(fā)明的有益效果是采用了 Fe-Mo合金作為反射層，增強了基材與吸收層之間 的結(jié)合力，而且具有好的紅外反射性能和防擴散功能，且具有更加優(yōu)異的紅外反射效果，利 于降低發(fā)射率，Mo-Al2O3合金的吸收層為Mo含量逐步降低的三層結(jié)構(gòu)，形成多界面吸收層， 使得太陽光譜的紫外、可見和紅外光經(jīng)過多次反射、折射、干涉和吸收后，97%以上的輻射 被涂層吸收，轉(zhuǎn)化成熱量，Al2O3減反層能進一步提高膜層的吸收率，本發(fā)明的太陽能光譜高 溫選擇性吸收膜具有耐高溫、抗氧化性能強，化學惰性和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明的太陽能選擇性吸收涂層的剖面示意圖；圖2是制備吸收膜所使用的三靶濺射設備的剖面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參照圖1所示，一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，包括基材1，所述基材1可為金 屬、塑料或陶瓷材質(zhì)，作為一種具體實施例，特選用不銹鋼金屬管，在基材1上設置有反射 層2，反射層2上設置有吸收層3，吸收層3上設置有減反層4，三層依次濺射疊加，所述的反 射層2為Fe-Mo合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層3為Mo-Al2O3合金，包括高金屬 含量層、中金屬含量層和低金屬含量層共三層，由里層到表層Mo的原子百分比含量逐步降 低，其中里層Mo含量為80 %，中間層Mo含量為50 %，表層Mo含量為20 %。作為另一種實施例，吸收層3中三層Mo的原子百分比含量分別為里層Mo含量為 90%，中間層Mo含量為60%，表層Mo含量為40%。作為又一種實施例，吸收層3中三層Mo的原子百分比含量分別為里層Mo含量為 80 %，中間層Mo含量為50-60 %，表層Mo含量為20-40 %。本發(fā)明各層的厚度分別如下反射層的厚度為100-200nm，通過沉積這樣厚度的 反射層，可使光反射得到加強；吸收層的厚度為150-200nm，這樣可加強對太陽能的吸收； 減反層的厚度為30-80nm，這個范圍的厚度雖可使光輻射透過，但可通過內(nèi)部吸收及相位補償干涉促進對太陽能的吸收。參照圖2所示，本發(fā)明吸收膜可使用三靶濺射設備來制備，該設備包括密閉的濺 射爐7，濺射爐7內(nèi)的側(cè)壁上均勻分布有三個圓柱形的靶電極，即Fe靶8、Mo靶9和Al靶 10，任意兩個靶電極的軸線呈60°的夾角，三個靶電極分別且選擇性地與電源相接作為陰 極，濺射爐與電源連接形成陽極接地，濺射爐7的壁面上設置有兩個進氣管，濺射爐7的中 心設置有繞濺射爐中心軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工架11，用于放置基材1，基材1可以在旋轉(zhuǎn)工架11 的環(huán)形軌道上轉(zhuǎn)動的同時實現(xiàn)自身旋轉(zhuǎn)，便于均勻鍍膜，在靶電極和基材之間設置不同電 壓，從進氣管5和進氣管6中可分別通入氬氣和氧氣。作為本發(fā)明制造方法的第一實施例，工藝流程如下a)、對作為基材的不銹鋼金屬管表面進行拋光、去污、丙酮超聲清洗以及酒精漂 洗，然后將基材置于旋轉(zhuǎn)工架11上，基材在旋轉(zhuǎn)工架11上公轉(zhuǎn)的同時保持自轉(zhuǎn)。b)、關閉濺射爐，抽真空，當真空度達到一定要求后，從進氣管5向濺射爐7內(nèi)充入 氬氣，并在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗。之后開啟Fe靶8和Mo靶9，當氬離 子轟擊靶材的表面時，F(xiàn)e和Mo金屬原子及原子團被濺射出來，濺射形成Mo含量為50-60% 的Fe-Mo合金反射層。本階段的工藝條件可設置如下；Fe靶8的電流為35A，電壓為411V ； Mo靶9的電流為40A，電壓為450V ；基體偏壓為270V ；真空度為0. 10Pa，沉積時間為lOmin。c)、從進氣管5向濺射爐7內(nèi)充入氬氣，同時從進氣管6向濺射爐7內(nèi)充入氧氣。 關閉Fe靶，開啟Mo靶、和Al靶，在Fe-Mo合金的反射層2表面濺射一層Mo-Al2O3金屬，形成 梯度吸收層3，此時，Mo金屬不與氧氣反應，而Al與氧氣反應生成Al2O3，兩種物質(zhì)共同沉積 在基材上形成Mo-Al2O3薄膜，Mo金屬的含量通過設置靶電流、電壓、氧氣分壓進行控制，薄 膜的厚度通過控制濺射速率和時間進行控制，控制氧氣的流量可以控制氧化物的生成量， 通入過量的氧氣全部反應生成氧化物沉積到基材上，從而完成復合涂層的制備。本階段濺 射爐7內(nèi)的真空度控制在0. 16Pa，基體偏壓設置為200V，沉積時間為lOmin。d)、同時向濺射爐內(nèi)充入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟Al靶對基材進行離 子轟擊，采用與上述相同的方法濺射得到一層完全透明的Al2O3薄膜。本階段Al靶的電流 為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間為8min。作為本發(fā)明制造方法的第二實施例，工藝流程如下a)、對作為基材的不銹鋼金屬管表面進行拋光、去污、丙酮超聲清洗以及酒精漂 洗，然后將基材置于旋轉(zhuǎn)工架11上，基材在旋轉(zhuǎn)工架11上公轉(zhuǎn)的同時保持自轉(zhuǎn)。b)、關閉濺射爐，抽真空，當真空度達到一定要求后，從進氣管5向濺射爐7內(nèi)充入 氬氣，并在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗。之后開啟Fe靶8和Mo靶9，當氬離 子轟擊靶材的表面時，F(xiàn)e和Mo金屬原子及原子團被濺射出來，濺射形成Mo含量為50-60% 的Fe-Mo合金反射層。本階段的工藝條件可設置如下Fe靶8的電流為35A，電壓為411V ； Mo靶9的電流為40A，電壓為450V ；基體偏壓為300V ；真空度為0. lOPa，沉積時間為8min。c)、從進氣管5向濺射爐7內(nèi)充入氬氣，同時從進氣管6向濺射爐7內(nèi)充入氧氣。 關閉Fe靶，開啟Mo靶、和Al靶，在Fe-Mo合金的反射層2表面濺射一層Mo-Al2O3金屬，形成 梯度吸收層3，此時，Mo金屬不與氧氣反應，而Al與氧氣反應生成Al2O3，兩種物質(zhì)共同沉積 在基材上形成Mo-Al2O3薄膜，Mo金屬的含量通過設置靶電流、電壓、氧氣分壓進行控制，薄 膜的厚度通過控制濺射速率和時間進行控制，控制氧氣的流量可以控制氧化物的生成量，通入過量的氧氣全部反應生成氧化物沉積到基材上，從而完成復合涂層的制備。本階段濺 射爐7內(nèi)的真空度控制在0. 2Pa，基體偏壓設置為250V，沉積時間設置為15min。d)、同時向濺射爐內(nèi)充入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟A1靶對基材進行離 子轟擊，采用與上述相同的方法濺射得到一層完全透明的A1203薄膜。本階段A1靶的電流 為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間為5min。作為本發(fā)明制造方法的第三實施例，工藝流程如下a)、對作為基材的不銹鋼金屬管表面進行拋光、去污、丙酮超聲清洗以及酒精漂 洗，然后將基材置于旋轉(zhuǎn)工架11上，基材在旋轉(zhuǎn)工架11上公轉(zhuǎn)的同時保持自轉(zhuǎn)。b)、關閉濺射爐，抽真空，當真空度達到一定要求后，從進氣管5向濺射爐7內(nèi)充入 氬氣，并在基材上施加偏壓，先對基材進行等離子清洗。之后開啟Fe靶8和Mo靶9，當氬離 子轟擊靶材的表面時，F(xiàn)e和Mo金屬原子及原子團被濺射出來，濺射形成Mo含量為50-60% 的Fe-Mo合金反射層。本階段的工藝條件可設置如下Fe靶8的電流為35A，電壓為411V ； Mo靶9的電流為40A，電壓為450V ；基體偏壓為285V ；真空度為0. 10Pa，沉積時間為9min。c)、從進氣管5向濺射爐7內(nèi)充入氬氣，同時從進氣管6向濺射爐7內(nèi)充入氧氣。 關閉Fe靶，開啟Mo靶、和A1靶，在Fe-Mo合金的反射層2表面濺射一層Mo_A1203金屬，形成 梯度吸收層3，此時，Mo金屬不與氧氣反應，而A1與氧氣反應生成A1203，兩種物質(zhì)共同沉積 在基材上形成Mo-A1203薄膜，Mo金屬的含量通過設置靶電流、電壓、氧氣分壓進行控制，薄 膜的厚度通過控制濺射速率和時間進行控制，控制氧氣的流量可以控制氧化物的生成量， 通入過量的氧氣全部反應生成氧化物沉積到基材上，從而完成復合涂層的制備。本階段濺 射爐7內(nèi)的真空度控制在0. 18Pa，基體偏壓設置為225V，沉積時間為12. 5min。d)、同時向濺射爐內(nèi)充入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟A1靶對基材進行離 子轟擊，采用與上述相同的方法濺射得到一層完全透明的A1203薄膜。本階段A1靶的電流 為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間6. 5min。本發(fā)明具有對太陽光譜優(yōu)異的選擇吸收特性，測得其在200-2500nm的平均吸收 率彡97%;發(fā)射率(室溫)。在空氣中和真空條件下分別進行退火，測試了不同溫度 和時間的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如下在空氣中退火，溫度為750°C、時間2小時，其熱穩(wěn)定性不變。在真空中退火，溫度為600°C、時間3小時，其吸收率和發(fā)射率均保持穩(wěn)定。在空氣中退火，溫度為500°C、時間48小時，其光學性質(zhì)也無明顯地退化現(xiàn)象。本發(fā)明的吸收膜采用Fe-Mo合金作為反射層，增強了基材與吸收膜之間的結(jié)合 力，且具有更加優(yōu)異的紅外反射效果，利于降低發(fā)射率。根據(jù)各膜層的折射率和消光系數(shù)不 同，不但將反射層、吸收層和減反層設計成梯度膜層，而且進一步將Mo-A1203吸收層設計成 三層的梯度結(jié)構(gòu)，使得太陽光譜的紫外、可見和紅外光(200-2500nm)經(jīng)過多次反射、折射、 干涉和吸收后，97%以上的輻射被涂層吸收，轉(zhuǎn)化成熱量，獲得一種結(jié)合力強、高吸收率、低 發(fā)射率的太陽能選擇性吸收涂層。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于 本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，包括基材，以及由內(nèi)至外依次設置在基材上的反射層、吸收層和減反層，其特征在于所述的反射層為Fe-Mo合金，所述的吸收層為Mo-Al2O3合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層包括三層，由里層到表層Mo的原子百分比含量逐步降低，里層的Mo含量為80-90％，中間層的Mo含量為50-60％，表層的Mo含量為20-40％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，其特征在于，所述反射 層的厚度為100-200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，其特征在于，所述吸收 層的厚度為150-200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，其特征在于，所述減反 層的厚度為30-80nm。
5.一種如權(quán)利要求1所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的制造方法，其特征在于，實 現(xiàn)步驟如下a)、對基材的表面進行拋光、去污和清洗，將基材置于濺射爐的中心并使其旋轉(zhuǎn)；b)、關閉濺射爐，抽真空，向濺射爐內(nèi)充入氬氣，并在基材上施加偏壓，先對基材進行等 離子清洗，之后開啟Fe靶和Mo靶，在基材上濺射形成Fe-Mo合金反射層；c)、同時向濺射爐內(nèi)沖入氧氣和氬氣，關閉Fe靶，開啟Mo靶和Al靶對基材進行離子轟 擊，在反射層表面濺射形成Mo-Al2O3合金吸收層；d)、同時向濺射爐內(nèi)沖入氧氣和氬氣，關閉Fe靶和Mo靶，開啟Al靶對基材進行離子轟 擊，在吸收層表面濺射得到Al2O3減反層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的制造方法，其特征在于，所述 步驟b)的工藝條件如下Fe靶的電流為35A，電壓為41IV，Mo靶的電流為40A，電壓為450V， 基材上的基體偏壓為270-300V，濺射爐的真空度為0. lOPa，沉積時間設置為8-lOmin。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的制造方法，其特征在于，所述 步驟c)的工藝條件如下真空度為0. 16-0. 2Pa，基材上的基體偏壓為200-250V，沉積時間 為 10_15min。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述太陽能光譜高溫選擇性吸收膜的制造方法，其特征在于，所述 步驟d)的工藝條件如下A1靶的電流為38A，電壓為320V，真空度為0. 25Pa，沉積時間為 5-8min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能光譜高溫選擇性吸收膜，包括基材，以及由內(nèi)至外依次設置在基材上的反射層、吸收層和減反層，所述的反射層為Fe-Mo合金，所述的吸收層為Mo-Al2O3合金，所述的減反層為Al2O3，所述的吸收層包括三層，由里層到表層Mo的原子百分比含量逐步降低；還公開了其制造方法，步驟如下對基材的表面進行處理，先對基材濺射形成Fe-Mo合金反射層，然后濺射形成Mo-Al2O3合金吸收層，最后濺射得到Al2O3薄膜。本發(fā)明的吸收膜具有優(yōu)異的紅外反射效果，利于降低發(fā)射率，實用性大大增強。
文檔編號C23C14/34GK101871103SQ20091003741
公開日2010年10月27日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者周擁仔, 彭啟成, 李皓楨, 賀冬枚, 趙華平, 陳玉琴 申請人:東莞市康達機電工程有限公司