专利名称：一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳能光热应用技术领域，具体涉及一种中高温太阳能选择性吸收涂层。
背景技术：
太阳光谱选择性吸收涂层对可见-近红外波段光谱吸收率高，对红外波段光谱吸收率低，是将太阳辐射能转换成热能利用的关键技术。目前，太阳能集热管的应用范围主要有低温(小于100°c )，中温(100 250°C )，高温(250°C以上)。目前应用较多的是低温集热管，如果在较高的温度(200°C以上)下工作，涂层的结构容易被破坏，涂层整体性能发生改变。目前，国内应用较多的是Al-AlN吸收涂层，即吸收层以Al为填充因子，AlN为介质，在低温范围有较好的光热转换性能。此外还有成分渐变的SS-AlN的膜系，上述膜系采用干涉结构，使得热稳定性能提高。但是以上膜系在温度升高时，发射率也随之提高，热损增加，热效率下降。一种中高温太阳能选择性吸收涂层在海水淡化，太阳能发电等领域有着更广泛的应用。因此我们需要一种在中高温条件下，吸收好，发射低，并且热稳定性能好的太阳能选择性吸收涂层。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种中高温太阳能选择性吸收涂层，对可见-近红外波段光谱吸收率高，对红外波段光谱吸收率低，适用于中高温(100°c -500°c)工作温度集热管，涂层吸收率高，发射率低，热稳定性能好，克服在高温下热损升高等不足。本实用新型的目的在于提供一种中高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层包括五层，从底层到表层依次为红外高反射层、防扩散阻隔层、高金属填充因子吸收层、低金属填充因子吸收层和减反射层；所述红外高反射层为Cu膜，厚度在100 250nm ;所述防扩散阻隔层为TiN膜，厚度在5 15nm ;所述高金属填充因子吸收层为第一 T1-AlN膜，厚度在20 50nm ;所述低金属填充因子吸收层为第二 T1-AlN膜，厚度在20 50nm ;所述介质减反射层为AlN膜，厚度为50 150nm。本实用新型采用以上技术方案具有以下技术效果:(1)本实用新型是采用Ti靶材料，研制出的新型复合膜层，结构致密，具有很强的高温稳定性，并且膜层吸收率达95%以上。(2)本实用新型提供的选择性吸收涂层由红外高反射层、TiN膜防扩散阻隔层，第一T1-AIN，第二 T1-AlN干涉双吸收层和AlN陶瓷结构减反射层。在中高温(大于200°C )条件下有很好的吸收和较低的发射，并且热稳定性能好。(3)膜层的稳定性高，在500摄氏度经过真空退火12小时后，其膜层微观形貌未发生明显变化，膜层的结构相当稳定，其吸收率和发射率未发生明显变化。(4)本实用新型的制备方法简单无污染，可重复性强，适合于工业化生产。
图1为选择性吸收涂层的结构示意图。图中:1为红外高反射层，2为防扩散阻隔层，3为高金属填充因子吸收层，4为低金属填充因子吸收层，5为减反射层。
具体实施方式
本实用新型经过大量实验，在多种膜系结构的基础上，完成此实用新型。下面结合图1对本实用新型作进一步详细说明，以下实施例仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。如图1所示，为本实用新型的中高温太阳能选择性吸收涂层的结构示意图，由下而上依次包括红外高反射层1，防扩散阻隔层2，高金属填充因子吸收层3，低金属填充因子吸收层4，减反射层5.其中红外反射层为Cu层，防扩散阻隔层为TiN层，高金属填充因子吸收层和低金属填充因子吸收层分别为第一 T1-AlN和第二 T1-AlN膜层，减反射层为AlN膜
层实施例1:本实用新型采用以下步骤制备:步骤一:在经过去离子水清洗并烘干后的基体上制备第一层红外高反射层；采用磁控溅射方法，纯金属为Cu靶，以Ar作为溅射气体。本工序运行前先将真空室预抽至3.0X10_3Pa 5X10_3Pa，通入气体Ar作为溅射气体，调节运行溅射压强为
0.15Pa 0.4Pa，利用溅射方式制备，涂层厚度为IOOnm 250nm的Cu膜。步骤二:在第一层涂层上制备第二层防扩散阻隔层；采用金属Ti祀磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为60 80sccm，N2的流量为30_60sccm，且氩气和氮气的流量比为1.5 1:1，调节运行压强为0.15Pa 0.4Pa，开启Ti靶，在红外高反射层上面制备一层TiN，厚度为5nm 15nm。步骤三:在第二层涂层上制备第三层高金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al祀,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ai^PN2混合气体，Ar的流量为60 80sccm，N2的流量在80 150sccm，且其氩气和氮气的流量比为1:2
1.5，调节运行压强为0.15Pa 0.4Pa，开启Ti靶和Al靶，在TiN防扩散阻隔层上制备第一 T1-AlN膜，厚度为20nm 50nm，这第一 T1-AlN膜中的Ti金属填充因子的体积与第一T1-AlN膜的体积的比值X为40% 60%。步骤四:在第三层涂层上制备第四层低金属填充因子吸收层；采用金属Ti靶和Al靶，磁控溅射方法，反应气体为N2气。通入Ai^P N2混合气体，Ar的流量为60 80sccm，N2的流量在80 150sccm，且其氩气和氮气的流量比为1:2 1:1，调节运行压强为0.15Pa 0.4Pa，开启Ti靶和Al靶，沉积第二 T1-AlN膜，其厚度为20 50nm;这第二 T1-AlN膜中金属填充因子Ti的体积百分比比第一 T1-AlN膜中的小，其第二 T1-AlN膜中的Ti金属填充因子的体积与第二 T1-AlN膜的体积的比值Y为20 40%，且X与Y的比为3 1.5:1两吸收层之间形成干涉效果，很大程度上提高吸收率。步骤五:在第四层涂层上制备第五层减反射层；采用金属Al靶，磁控溅射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为60 80sccm，N2的流量在50 lOOsccm，且其氩气和氮气的流量比为2 1:2，调节运行压强为0.15Pa 0.4Pa，开启Al靶，在第二 T1-AlN膜上制备AlN减反射层，厚度为50 150nm。减反射层具备增透和抗氧化性的效果。实施例2:一种太阳能选择性吸收涂层，包括五个涂层即第一层红外高反射层、第二层防扩散阻隔层，第三层高金属填充因子吸收层，第四层低金属填充因子吸收层，第五层减反射层。该太阳能选择性吸收涂层的制备步骤如下:步骤一:在经过去离子水清洗并烘干后的基体(硼硅3.3玻璃基体)上制备第一层红外高反射层；采用纯金属靶，磁控溅射方法，纯金属为Cu靶，以Ar作为溅射气体。本工序运行前先将真空室的真空压强保持在5 X 10_3Pa，通入气体Ar作为溅射气体，调节运行溅射压强为0.36Pa、.38Pa，利用溅射方式制备，使用电子透镜测得厚度为230nm。步骤二:在第一层涂层上制备第二层防扩散阻隔层；采用金属Ti IE,磁控溅射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为78 80sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.36Pa"0.38Pa，开启Ti靶，在红外反射层上面制备一层TiN，厚度为15nm。步骤三:在第二层涂层上制备第三层高金属填充因子吸收层；采用金属Ti靶和Al靶，磁控溅射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为78 80sccm，N2的流量在106 108sccm，调节运行压强为0.36Pa 0.38Pa，开启Ti靶和Al靶，在TiN防扩散阻隔层上制备第一 T1-AlN膜，厚度为40nm，其中Ti金属填充因子的体积与第一 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.49。步骤四:在第三层涂层上制备第四层低金属填充因子吸收层；采用金属Ti革巴和Al IE,磁控派射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为78 80sccm，N2的流量在ll(Tll2sccm，调节运行压强为0.36Pa"0.38Pa，开启Ti靶和Al靶，在高金属填充因子吸收层上制备一层第二 T1-AlN膜，厚度为45nm，其中Ti金属填充因子的的体积与第二 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.26。步骤五:在第四层涂层上制备第五层减反射层；采用金属Al IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为78 80sccm，N2的流量在6(T62sccm，调节运行压强为0.36Pa"0.38Pa，开启Al靶，在第二 T1-AlN膜上制备AlN减反射层，厚度为lOOnm。本实例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下:涂层的吸收率为α =95%,发射率为ε =0.045 (80°C)o进行退火处理，在3.0X KT3Pa真空度下，经过400°C—个小时退火后，涂层吸收率为α =95.5%，发射率为ε =0.038，热损为0.518;在1.0 X KT3Pa真空度下，经过500°C退火一个小时后，涂层吸收率为α=95.7%，发射率为ε =0.037 (80°C)，热损为 0.476。实施例3:[0039]制备一种太阳能选择性吸收涂层，包括五个涂层即第一层红外高反射层、第二层防扩散阻隔层，第三层高金属填充因子吸收层，第四层低金属填充因子吸收层，第五层减反射层。制备步骤如下:步骤一:在经过去离子水清洗并烘干后的基体(不锈钢基体)上制备第一层红外高反射层；采用纯金属靶，磁控溅射方法，纯金属为Cu靶，以Ar作为溅射气体。本工序运行前先将真空室的真空压强抽至5 X 10_3Pa，通入气体Ar作为溅射气体，调节运行溅射压强为
0.22Pa 0.25Pa，利用溅射方式制备，厚度为240nm。步骤二:在第一层涂层上制备第二层防扩散阻隔层；采用金属Ti IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体,Ar的流量为7(T72sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.23Pa"0.25Pa，开启Ti靶，调节金属靶的电压为40(T410V，溅射电流为40A，在红外反射层上面制备一层TiN，厚度为14nm。步骤三:在第二层涂层上制备第三层高金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为7(T72sccm，N2的流量为13(Tl32sccm，调节运行压强为0.23Pa"0.25Pa，开启Ti靶和Al靶，在TiN防扩散阻隔层上制备第一 T1-AlN膜，厚度为36nm，其中Ti金属填充因子的体积与第一 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.45。步骤四:在第三层涂层上制备第四层低金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为7(T72sccm，N2的流量在ll(Tll2sccm，调节运行压强为0.23Pa"0.25Pa，开启Ti靶和Al靶，在高金属填充因子吸收层上制备一层第二 T1-AlN膜，厚度为42nm，其中Ti金属填充因子的体积与第二 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.22。步骤五:在第四层涂层上制备第五层减反射层；采用金属Al IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为7(T72sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.23Pa"0.25Pa，开启Al靶，在第二 T1-AlN膜上制备AlN减反射层，厚度为105nm。本实例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下:涂层的吸收率α =95.3%，发射率ε =0.040 (80°C )，进行退火处理，在3.0X KT3Pa真空度下，经过400°C—个小时退火后，涂层吸收率为α=95.6%，发射率为ε =0.038 (80°C )，热损为0.512。实施例4:制备一种太阳能选择性吸收涂层，包括五个涂层即第一层红外高反射层、第二层防扩散阻隔层，第三层高金属填充因子吸收层，第四层低金属填充因子吸收层，第五层减反射层。制备步骤如下:步骤一:在经过去离子水清洗并烘干后的基体(玻璃基体)上制备第一层红外高反射层；采用纯金属靶，磁控溅射方法，纯金属为Cu靶，以Ar作为溅射气体。本工序运行前先将真空室的真空压强保持在5X10_3Pa，通入气体Ar作为溅射气体，Ar的流量为7r76sccm，调节运行溅射压强为0.27Pa、.29Pa，利用溅射方式制备，厚度为235nm。步骤二:在第一层涂层上制备第二层防扩散阻隔层；[0056]采用金属Ti IE,磁控溅射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.27Pa 0.29Pa，开启Ti靶，在红外反射层上面制备一层TiN，厚度为14nm。步骤三:在第二层涂层上制备第三层高金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量为120 122sccm，调节运行压强为0.27Pa 0.29Pa，开启Ti靶和Al靶，在TiN防扩散阻隔层上制备第一 T1-AlN膜，厚度为38nm，其中Ti金属填充因子的体积与第一 T1-AlN膜的体积之间的体积为0.47。步骤四:在第三层涂层上制备第四层低金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量在115 1178(^111，调节运行压强为0.27Pa 0.29Pa，开启Ti靶和Al靶，在高金属填充因子吸收层上制备一层第二 T1-AlN膜，厚度为43nm，其中Ti金属填充因子的体积与第二 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.24。步骤五:在第四层涂层上制备第五层减反射层；采用金属Al IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.27Pa"0.29Pa，开启Al靶，在第二 T1-AlN膜上制备AlN减反射层，厚度为102nm。本实例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下:涂层的吸收率为α =95.6%，发射率为ε =0.043 (80°C)。进行退火处理，在3.0 X 10_3Pa真空度下，经过400°C—个小时退火后，涂层吸收率为α =95.9%，发射率为ε = 0.035 (80°C )，热损为0.481。实施例5: 制备一种太阳能选择性吸收涂层，包括五个涂层即第一层红外高反射层、第二层防扩散阻隔层，第三层高金属填充因子吸收层，第四层低金属填充因子吸收层，第五层减反射层。步骤一:在经过去离子水清洗并烘干后的基体上制备第一层红外高反射层；采用纯金属靶，磁控溅射方法，纯金属为Cu靶，以Ar作为溅射气体。本工序运行前先将真空室的真空压强保持在5X10_3Pa，通入气体Ar作为溅射气体，Ar的流量为7r76sccm，调节运行溅射压强为0.29Pa^0.31Pa，利用溅射方式制备，厚度为250nm。步骤二:在第一层涂层上制备第二层防扩散阻隔层；采用金属Ti IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.29Pa"0.31Pa，开启Ti靶，在红外反射层上面制备一层TiN，厚度为15nm。步骤三:在第二层涂层上制备第三层高金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al祀,磁控派射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量为120 122sccm，调节运行压强为0.29Pa 0.31Pa，开启Ti靶和Al靶，在TiN防扩散阻隔层上制备第一 T1-AlN膜，厚度为40nm，其中Ti金属填充因子的体积与第一 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.48。步骤四:在第三层涂层上制备第四层低金属填充因子吸收层；采用金属Ti祀和Al IE,磁控派射方法，反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量在115 1178(^111，调节运行压强为0.29Pa"0.31Pa，开启Ti靶和Al靶，在高金属填充因子吸收层上制备一层第二 T1-AlN膜，厚度为50nm，其中Ti金属填充因子的体积与第二 T1-AlN膜的体积之间的体积比为0.23。步骤五:在第四层涂层上制备第五层减反射层；采用金属Al IE,磁控派射方法,反应气体为N2气。通入Ar和N2混合气体，Ar的流量为74 76sccm，N2的流量为6(T62sccm，调节运行压强为0.29Pa"0.31Pa，开启Al靶，在第二 T1-AlN膜上制备AlN减反射层，厚度为lOOnm。本实例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下:涂层的吸收率为α =94.5%，发射率为ε =0.032.进行退火处理，在3.0 X 10_3Pa真空度下，经过400°C —个小时退火后，涂层吸收率为α=94. 8%，发射率为ε = 0.030 (80°C )，热损为0.492。
权利要求1.一种中高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:该涂层包括五层，从底层到表层依次为红外高反射层、防扩散阻隔层、高金属填充因子吸收层、低金属填充因子吸收层和减反射层；所述红外高反射层为Cu膜；所述防扩散阻隔层为TiN膜；所述高金属填充因子吸收层为第一 T1-AlN膜；所述低金属填充因子吸收层为第二 T1-AlN膜；所述减反射层为AlN膜。
2.如权利要求1所述的一种中高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述红外高反射层Cu膜厚度为100 250nm ;所述防扩散阻隔层TiN膜厚度为5 15nm ;所述高金属填充因子吸收层第一 T1-AlN膜厚度为20 50nm ;所述低金属填充因子吸收层第二 T1-AlN膜厚度为20 50nm ;所述减反射层AlN膜厚度为50 150nm。
专利摘要本实用新型公开了一种中高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层包括五层，从底层到表层依次为红外高反射层、防扩散阻隔层、高金属填充因子吸收层、低金属填充因子吸收层和减反射层；红外高反射层为Cu膜，厚度在100～250nm；防扩散阻隔层为TiN膜，厚度在5～15nm；高金属填充因子吸收层为第一Ti-AlN膜，厚度在20～50nm；低金属填充因子吸收层为第二Ti-AlN膜，厚度在20～50nm；减反射层为AlN膜，厚度为50～150nm。该复合膜层，结构致密，具有很强的高温稳定性，并且膜层吸收率达95%以上，在大于200℃中高温条件下有很好的吸收和较低的发射，并且热稳定性能好。
文档编号B32B9/04GK203063207SQ201320039698
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者邵志雄, 赵锋, 高雄虎 申请人:湖北桑夏太阳能产业有限公司