一种高反射膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高反射膜，包括依次设置在基板上的基底层、高反层和保护层；所述的基底层与所述基板紧贴；所述的高反层包括银铜合金层；所述的保护层包括依次设置的Al2O3层、SiO2层和Ti3O5层，其中，所述Al2O3层紧贴所述高反层，该高反射膜反射率高，并且耐高温耐腐蚀。本发明还公开了一种高反射膜的制备方法，包括：将基板放入镀膜机的真空室中，先在基板上镀一层基底层，再在基板上镀一层高反层，然后在基板上镀一层保护层，得到高反射膜。该方法制备简单，并且有利于形成粘附性、致密性好的高反射膜，使其具有优异的反射性能以及良好的耐高温耐腐蚀。
【专利说明】一种高反射膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光反射器件领域，具体涉及一种高反射膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在太阳能采集系统中，聚焦式太阳能采集系统是当今先进的太阳能转化系统，它的光电转换效率是普通单晶硅太阳能采集系统的2倍，做的好的系统甚至能达到普通单晶硅系统的2.8倍，随着对能源需求的不断发展，其应用前景无疑是广阔的，而聚焦系统对光的聚集效率及其稳定性正是聚焦式太阳能系统的一个重要指标，因此，聚焦器件持续稳定高效就成为工程人员急待解决的关键技术。
[0003]现有聚焦系统是通过一次或二次反射聚焦，将400?1800nm带宽的光聚集，由于聚集器件材料本身的反射效率有限，需要在其表面镀高反射膜，以减少光能的反射损失，而我们对高反射膜的选择通常有两种:介质高反射膜或者金属高反射膜。若使用介质高反射膜，由于介质膜本身的特性限制，其反射带宽远不能达到400?ISOOnm的标准，且入射角增大时反射率降低，光能损失严重，显然这是不可取的；若使用现有的金属高反射膜，则长时间后，高反射膜可能会被高温氧化腐蚀，造成光能损失，使得聚集的效率降低，故在聚焦式太阳能采集系统的实际应用中，既能做到带宽足够宽，又能耐高温耐腐蚀性的高反射膜成为制约其发展的一个关口。主要的技术问题是:在金属高反射膜中，各膜层的粘附性和致密性有限，空气和水汽容易进入到金属膜层内，在高温及高温高湿环境下金属膜层容易被氧化腐蚀，于此同时由制备过程引入的颗粒异物造成膜层缺陷会加剧腐蚀的生成，这不仅使得金属膜的反射率降低，损失光能，而且腐蚀剥落的膜层还可能会积聚阻挡在光路的通道口上，进一步降低光能的收集效率，甚至会使器件在高温和残余的膜的应力的作用下变形破裂。
[0004]申请公布号为CN103322696A (申请号为201310166506.5)的中国发明专利申请公
开了一种三次聚焦太阳能接收装置，包括聚焦反射镜、槽式反射面、聚焦装置和接收器，其中，所述聚焦反射镜和聚焦装置分别通过底座框架固定在地面上，所述槽式反射面通过支撑架安装于聚焦装置的正上方，所述接收器安装于槽式反射面的下方且位于聚焦装置内；太阳光依次通过所述聚焦反射镜、槽式反射面反射至所述聚焦装置内的接收器实现三次聚焦。虽然该技术方案在一定程度上可实现聚焦集热或光电，提高了系统接收效率，但是，其聚焦反射镜仍采用现有技术，聚焦反射镜上的反射膜仍存在上述技术问题。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种高反射膜，反射率高,并且耐高温耐腐蚀。
[0006]一种高反射膜，所述的高反射膜包括依次设置在基板上的基底层、高反层和保护层；
[0007]所述的基底层与所述基板紧贴；
[0008]所述的高反层包括银铜合金层；[0009]所述的保护层包括依次设置的Al2O3层、SiO2层和Ti3O5层，其中，所述Al2O3层紧贴所述高反层。
[0010]作为高反射膜，一般反射率为90%以上。
[0011]本发明中银铜合金层，与纯铝材料相比，其成膜后的反射率更高，与纯银材料相t匕，其机械性能、硬度及耐温性能更好，但是银铜合金层的附着力有限，Al2O3层与银铜合金层有很高的附着力，在保护层中与银铜合金层紧贴设置Al2O3层，可提高保护层与银铜合金层之间的附着力，提闻闻反射I旲的致密性，从而进一步提闻闻反射I旲的耐腐蚀耐闻温性能。SiO2层和Ti3O5层不仅能使膜层更致密保护性更强，而且通过调节SiO2层和Ti3O5层的厚度能调整设计带宽内的反射率变化，以达到最好的反射效果。
[0012]所述的基底层至少包括Al2O3层，基底层中的Al2O3层与保护层中的Al2O3层为两个独立的膜层，互不相关。
[0013]反射镜，包括基板以及设置在所述基板上的高反射膜。
[0014]当所述的基板为玻璃基板时，所述的基底层包括依次设置的Ti3O5层、SiO2层和Al2O3层，其中，所述的Ti3O5层与所述基板紧贴，所述的Al2O3层与所述高反层紧贴。基底层中Al2O3层能够提高基底层与高反层(即银铜合金层)之间的附着力，同时，基底层中SiO2层和Ti3O5层不仅能使膜层更致密保护性更强，而且通过调节SiO2层和Ti3O5层的厚度能调整设计带宽内的反射率变化，以达到最好的反射效果。即采用玻璃基板时，反射镜的两面均可实现高反射率。
[0015]当所述的基板为金属基板时，所述的基底层包括Al2O3层，Al2O3层能够很好地提高金属基板与高反层(即银铜合金层)之间的附着力，使得高反射膜更致密保护性更强。
[0016]作为优选，所述的银铜合金层由重量百分含量20%?40%的铜和重量百分含量60%?80%的银混合制成，该银铜合金层反射率高，机械性能、硬度及耐温性能均较好。
[0017]高反射膜中的初始膜层结构选用特定的初始设计，当所述的基板为玻璃基板时，所述的基底层中Ti3O5层的光学厚度为十六分之一波长,所述的基底层中SiO2层的光学厚度为八分之一波长，所述的基底层中Al2O3层的光学厚度为十六分之一波长，所述的高反层中的银铜合金层的光学厚度为四十分之一波长，所述的保护层中Al2O3层的光学厚度为十六分之一波长，所述的保护层中SiO2层的光学厚度为八分之一波长，所述的保护层中Ti3O5层的光学厚度为十六分之一波长。
[0018]当所述的基板为金属基板时，所述的基底层中Al2O3层的光学厚度为十六分之一波长，所述的高反层中的银铜合金层的光学厚度为四十分之一波长，所述的保护层中Al2O3层的光学厚度为十六分之一波长，所述的保护层中SiO2层的光学厚度为八分之一波长，所述的保护层中Ti3O5层的光学厚度为十六分之一波长。
[0019]因此，高反射膜中各膜层的具体厚度可在上述初始设计结构的理论上优化得到。
[0020]进一步优选，当所述的基板为玻璃基板时，所述的基底层中Ti3O5层的厚度为23?25nm，所述的基底层中SiO2层的厚度为37?41nm，所述的基底层中Al2O3层的厚度为20?23.5nm，所述的高反层中的银铜合金层的厚度为240?260nm，所述的保护层中Al2O3层的厚度为20?23nm，所述的保护层中SiO2层的厚度为49.5?51.5nm，所述的保护层中Ti3O5层的厚度为16?18nm。
[0021]更进一步优选，所述的基底层中Ti3O5层的厚度为24.15nm，所述的基底层中SiO2层的厚度为39.4nm，所述的基底层中Al2O3层的厚度为21.21nm，所述的高反层中的银铜合金层的厚度为250nm，所述的保护层中Al2O3层的厚度为21.21nm,所述的保护层中SiO2层的厚度为50.6nm，所述的保护层中Ti3O5层的厚度为17.lnm。在400?1800nm波段上O度及45度的膜反射率的效果均能达到97%以上，反射效果优异。
[0022]进一步优选，当所述的基板为金属基板时，所述的基底层中Al2O3层的厚度为20?23.5nm，所述的高反层中的银铜合金层的厚度为240?260nm，所述的保护层中Al2O3层的厚度为20?23nm，所述的保护层中SiO2层的厚度为49.5?51.5nm，所述的保护层中Ti3O5层的厚度为16?18nm。
[0023]更进一步优选，所述的基底层中Al2O3层的厚度为21.21nm，所述的高反层中的银铜合金层的厚度为250nm，所述的保护层中Al2O3层的厚度为21.21nm，所述的保护层中SiO2层的厚度为50.6nm，所述的保护层中Ti3O5层的厚度为17.lnm。在400?1800nm波段上O度及45度的膜反射率的效果均能达到97%以上，反射效果优异。
[0024]本发明还提供了一种高反射膜的制备方法，制备简单，并且有利于形成粘附性、致密性好的高反射膜，使其具有优异的反射性能以及良好的耐高温耐腐蚀。
[0025]一种高反射膜的制备方法，包括以下步骤:
[0026]将基板放入镀膜机的真空室中，先在基板上镀一层基底层，再在基板上镀一层高反层，然后在基板上镀一层保护层，得到高反射膜，在基板镀有高反射膜。
[0027]在制备的工艺上，为了使高反射膜到达在高温中难以氧化腐蚀目的，需尽可能地提高膜层的粘附性及致密性，以隔绝空气和水汽的进入，因此，作为优选，在镀高反层(银铜合金层)时，需将蒸发速率提高至8?15nm/秒。在镀基底层与保护层时，需加离子源辅助，离子源产生的高能粒子不仅使材料分子在离子区获得加速的能量，而且对已经淀积的膜层产生溅射，克服了淀积时产生的阴影效应，使膜的密度接近于大块材料。
[0028]作为优选，所述的离子源的参数为:
[0029]镀Al2O3层时，离子束电压为800?1000V，离子束电流为800?1000mA，离子加速电压为300?500V ；
[0030]镀SiO2层时，离子束电压为800?1000V，离子束电流为800?1000mA，离子加速电压为300?500V ；
[0031]镀Ti3O5层时，离子束电压为1100?1300V，离子束电流为800?1000mA，离子加速电压为500?800V。
[0032]为了减少异物对膜层造成的缺陷，作为优选，所述的基板在镀高反射膜之前，需要超声波清洗，并在清洗后I小时内放入镀膜机的真空室中，将真空室的气压调整至5X IO-4?3X 10_3Pa。并且用离子源在充氧的条件下轰击镀膜基板已达到清洁基板表面的目的，之后依次按上述膜层材料及厚度蒸镀，事实上前述高反层的高蒸发速率和基底层及保护层的离子源辅助对粘附性差的材料颗粒及异物也起到很强的去除作用。
[0033]作为优选，所述的镀膜机可采用光驰0TFC1300DBI多层真空镀膜机。
[0034]作为优选，清洗、转运及镀膜的环境需为千级超净室；镀膜机内护板的清洁周期为4?6炉/次；清洗用水更换周期为50?100篮/次。
[0035]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0036]针对现有金属高反射膜无法耐高温耐腐蚀的问题，由于其膜层的材料、设计及工艺无法使各膜层稳定性及致密性达到一定高度，使得空气及水汽能进入到高反层上，在高温或者高温高湿环境下，与高反层发生剧烈的氧化反应造成腐蚀甚至膜脱落，显然，这是太阳能聚焦系统的一个致命限制。
[0037]本发明的高反射膜，基板为金属基板时，能够单面反射，基板为玻璃材料时能同时实现内反射和外反射，并且反射效率在400?1800nm波长范围内O?45°的光线入射角度上达到平均值97%以上，从而扩展了其应用的范围。
[0038]本发明反射镜中高反射膜设计在镀膜工艺的保证下，能使保护层、高反层和基底层的膜粘附性和致密性达到很好的效果，基本杜绝了空气和水汽的进入；从而达到很好的耐热耐腐蚀效果:300°C高温环境1000小时试验以及85°C 85%高温高湿环境1000小时试验前后反射率变化在±1%以内且无腐蚀产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为一次反射聚焦系统的结构原理示意图；
[0040]图2为两次反射聚焦系统的结构原理示意图；
[0041]图3为采用玻璃基板的反射镜的结构示意图；
[0042]图4为采用金属基板的反射镜的结构示意图；
[0043]图5为采用玻璃基板的反射镜的工作示意图；
[0044]图6为采用玻璃基板的反射镜的O度及45度测试光谱图；
[0045]图7为头戴显示系统的结构原理示意图。
【具体实施方式】
[0046]如图1所示,为一次反射聚焦系统结构原理示意图，一次反射聚焦系统包括太阳能电池板I以及用于将太阳光反射到太阳能电池板I的反射镜，反射镜为圆弧形，太阳能电池板I位于圆弧的中心，反射镜包括圆弧形基板3以及镀在圆弧形基板3上的高反射膜2，高反射膜2位于圆弧形基板3上朝向太阳能电池板I的一侧。一次反射聚焦系统是由一个镀有高反射膜2的圆弧形基板3和一个太阳能电池板I组成，当太阳光照射到反射镜后聚焦到太阳能电池板I上，通过吸收太阳光，将太阳光经光电效应或化学效应转化成电能；由于一次反射聚焦系统的太阳能电池板I在聚焦器件(即反射镜)的上方，容易造成其放置及布线均比较困难，而且老化的速度会加快，因此，现行的方式很多都采用图2所示的两次反射聚焦系统，如图2所示，两次反射聚焦系统包括太阳能电池板1、中间带开口的圆弧形反射镜以及置于圆弧形反射镜的圆弧中心的半球形反射镜，圆弧形反射镜包括圆弧形基板3和镀在圆弧形基板3上的高反射膜2，高反射膜2位于圆弧形基板3朝向半球形反射镜的一侦牝半球形反射镜包括半球形基板4以及设置在半球形基板4的球面上的高反射膜5，开口位于圆弧形反射镜的中部，并与半球形反射镜相对，太阳能电池板I位于圆弧形反射镜的开口，并与半球形反射镜相对。太阳光先照射到圆弧形反射镜上，然后经圆弧形反射镜第一次汇聚，经圆弧形反射镜的高反射膜2反射到半球形反射镜上，经半球形反射镜第二次汇聚，再由半球形反射镜的高反射膜5反射，之后穿过圆弧形反射镜的开口，汇聚到太阳能电池板I上，最后经太阳能电池板I收集转化，这就能很好的解决了上述问题。
[0047]如图3所示，为采用玻璃基板的反射镜，包括玻璃基板6以及依次设置在玻璃基板6上的基底层、高反层和保护层，由基底层、高反层和保护层构成高反射膜2 ;基底层与玻璃基板6紧贴，基底层包括依次设置的Ti3O5层7、SiO2层8和Al2O3层9，其中，Ti3O5层7与玻璃基板6紧贴；高反层包括银铜合金层10，银铜合金层10由重量百分含量30%的铜和重量百分含量70%的银混合而成；保护层包括依次设置的Al2O3层11、SiO2层12和Ti3O5层13，其中，Al2O3层11紧贴银铜合金层10。即从玻璃基板6上沿其厚度方向(远离玻璃基板6的方向)依次设置有Ti3O5层7、SiO2层8、Al2O3层9、银铜合金层10、Al2O3层11、SiO2层12和Ti3O5层13，各层的具体厚度分别如表1所示:
[0048]表1
[0049]
【权利要求】
1.一种高反射膜，其特征在于，所述的高反射膜包括依次设置在基板上的基底层、高反层和保护层； 所述的基底层与所述基板紧贴； 所述的高反层包括银铜合金层； 所述的保护层包括依次设置的Al2O3层、SiO2层和Ti3O5层，其中，所述Al2O3层紧贴所述高反层。
2.根据权利要求1所述的高反射膜，其特征在于，所述的基板为玻璃基板，所述的基底层包括依次设置的Ti3O5层、SiO2层和Al2O3层，其中，所述的Ti3O5层与所述基板紧贴，所述的Al2O3层与所述高反层紧贴。
3.根据权利要求2所述的高反射膜，其特征在于，所述的基板为玻璃基板，所述的基底层中Ti3O5层的厚度为23?25nm，所述的基底层中SiO2层的厚度为37?41nm，所述的基底层中Al2O3层的厚度为20?23.5nm，所述的高反层中的银铜合金层的厚度为240?260nm，所述的保护层中Al2O3层的厚度为20?23nm，所述的保护层中SiO2层的厚度为49.5?51.5nm,所述的保护层中Ti3O5层的厚度为16?18nm。
4.根据权利要求1所述的高反射膜，其特征在于，所述的基板为金属基板，所述的基底层包括Al2O3层。
5.根据权利要求4所述的高反射膜，其特征在于，所述的基板为金属基板，所述的基底层中Al2O3层的厚度为21.21nm，所述的高反层中的银铜合金层的厚度为250nm，所述的保护层中Al2O3层的厚度为21.21nm，所述的保护层中SiO2层的厚度为50.6nm，所述的保护层中Ti3O5层的厚度为17.1nm0
6.根据权利要求1所述的高反射膜，其特征在于，所述的银铜合金层由重量百分含量20%?40%的铜和重量百分含量60%?80%的银混合而成。
7.根据权利要求1?6任一项所述的高反射膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 将基板放入镀膜机的真空室中，先在基板上镀一层基底层，再在基板上镀一层高反层，然后在基板上镀一层保护层，得到高反射膜。
8.根据权利要求7所述的高反射膜的制备方法，其特征在于，在镀高反层时，将蒸发速率提高至8?15nm/秒。
9.根据权利要求7所述的高反射膜的制备方法，其特征在于，在镀基底层与保护层时，加离子源辅助。
10.根据权利要求9所述的高反射膜的制备方法，其特征在于，所述的离子源的参数为: 锻Al2O3层时，尚子束电压为800?1000V,尚子束电流为800?1000mA,尚子加速电压为 300 ?500V ； 镀SiO2层时，离子束电压为800?1000V，离子束电流为800?1000mA，离子加速电压为 300 ?500V ； 镀Ti3O5层时，离子束电压为1100?1300V，离子束电流为800?1000mA，离子加速电压为500?800V。
【文档编号】G02B5/08GK103728684SQ201410004352
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】杨晓华, 艾曼灵, 金波, 郑臻荣, 陶占辉 申请人:杭州科汀光学技术有限公司