一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，涂层从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层。所述吸收层的材料为碳化钛和稀土钇的复合物，厚度为50?90 nm，该复合物中稀土钇原子百分比为0.5?3%。所述减反射层为氧化铝，厚度为50?90 nm。本发明制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.88，发射率≤0.13；该涂层具有很好的高温稳定性，可长期在800 oC的真空环境下使用。本发明提供的涂层具有可见?红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点，由于稀土钇的加入，该涂层具有微孔形结构，极大的提高了吸收率。该涂层制备工艺简单，操作方便，易于控制，在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
【专利说明】
一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层，尤其涉及一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能热发电和真空镀膜技术领域。
【背景技术】
[0002]能源是国民经济的命脉，在社会的可持续发展过程中起着举足轻重的作用。太阳能作为可再生能源，以其分布广泛、清洁、永久等特点成为最理想的替代能源，得到世界各国的广泛重视与研究，其中太阳能发电是研究的重中之重。选择性吸热涂层的作用是尽可能多地吸收太阳能，将其转化为热能而被利用，与此同时尽可能减少因热辐射而产生的热损失，即需要提高太阳能吸收率和降低热发射率。由于太阳能热利用的需求日益增加，新型中高温金属陶瓷光谱选择吸收涂层已经成为目前研究的热点。性能优异的太阳能吸收涂层具有高的可见光吸收率、低的红外光发射率，能把能量密度低的太阳能转化为能量密度高的热能，提高太阳能热利用的效率。根据光谱选择吸收涂层的作用机理可知，金属陶瓷光谱选择性吸收涂层是太阳能热利用的核心材料，如何高效率地将吸收的太阳辐射能以热的形式传递是太阳能热利用的关键问题之一。
[0003]近年来，研究人员已经开发了许多性能优良的太阳能吸收涂层，如Α1-Α1Ν、Μο-Si02、W-Al203、Cr-Cr203、N1-Al203、Mo-Al203、Cr-Al203、Co-WC、W-N1-Al203、Ag-Al203、Mo-Si3N4、Al-N1-Al203、W-N1-YSZ等。其中Mo-S12 和Mo-AhO3 体系已被意大利Angelanton1-ENEA公司和德国Siemens公司成功商业化推广。该涂层在工作温度580 °(:下具有优异的光学性能和良好的长期热稳定性。对于太阳能热发电而言，高的工作温度将极大提高光热发电效率。但是在高的工作温度下，作为填充粒子的金属或金属合金在高温下易发生扩散、氧化、团聚等现象，由此导致吸收涂层光学性能的衰减。因此，开发在更高温度(大于600 0C)下具有优异热稳定性和光学性能的高温太阳能吸收涂层具有重要的学术意义和实用价值。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的基于传统太阳能吸收涂层存在的问题以及碳化钛高温陶瓷潜在的光谱选择性的特点而提供一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层。
[0005]本发明的另一目的是提供上述含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
[0006]为解决本发明的技术问题采用如下技术方案:
一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;所述的吸收层材料为碳化钛和稀土钇的复合物，所述的减反射层材料为氧化招。
[0007]所述吸收层复合物的厚度为50-90nm。
[0008]所述吸收层复合物中稀土钇原子百分比为0.5-3%。
[0009]所述减反射层的厚度为50-90nm。
[0010]所述吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.5-3nm。
[0011]所述的吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备;所述的减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
[0012]上述含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤:
(1)吸热体基底的处理:将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
(2)吸收层的制备:采用纯度为99.99%的碳化钛和稀土钇作为磁控溅射靶材;采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化钛采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4-10W/cm—2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.5-3 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和稀土乾的复合物，厚度为50-90 nm；
(3 )减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-10 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50-90 nm。溅射过程中吸热体基底温度为20-100 0C;
(4)涂层高温处理:将所制备的涂层在真空环境下，500-900 °(:温度下真空处理2-10小时，最终制备出本发明所述的含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层。
[0013]所述吸收层溅射过程中吸热体基底温度为20-100°C。
[0014]所述减反射层溅射过程中吸热体基底温度为20-100°C。
[0015]本发明的太阳能选择性吸收涂层，以碳化钛和稀土钇复合物为吸收层，氧化铝为减反射层，经过高温真空拟合制备，极大的丰富了碳化钛陶瓷和稀土钇在太阳能产业中的应用。本发明的太阳能选择性涂层由图2可知，该涂层在紫外可见近红外光谱范围内具有低的反射率，在红外光谱范围内具有高的反射率，在大气质量因子AMl.5条件下，吸收率多0.88，发射率<0.13;由于高温真空处理，该涂层形成了微孔形结构，该结构极大的提高了太阳光吸收率和高温稳定性。在高真空度下，经800°C长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化，表明该涂层具有优异的高温稳定性能。本发明涂层结构简单，从而简化了工艺，操作方便，缩短生产周期，降低成本，本发明在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
【附图说明】
[0016]图1为本发明含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的结构图；
图2为本发明含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过具体实施例对本发明一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的制备及性能作进一步说明。
[0018]实施例1
一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为I.5nm，吸收层材料为碳化钛和稀土钇的复合物，吸收层复合物的厚度为75nm。吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备;吸收层复合物中稀土钇原子百分比为0.98%。减反射层材料为氧化铝，减反射层的厚度为80 nm，减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
[0019]上述含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂的制备方法，包括如下技术工艺:
(I)吸热体基底的处理:选用粗糙度值为1.5 nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗15分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
[0020](2)吸收层的制备:采用纯度99.99%碳化钛和稀土钇作为磁控溅射靶材;碳化钛靶材采用直流磁控溅射，稀土钇靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至3.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为8.7 W/cm—2，稀土钇靶材的溅射功率密度为1.1 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和稀土钇的复合物，其厚度为75 nm。溅射过程中吸热体基底温度为250C。
[0021 ] (3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在6.14 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为80 nm。溅射过程中吸热体基底温度为25 0C0
[0022](4)涂层高温处理:将所制备的涂层在真空环境下800 °C温度下真空拟合处理5小时。最终制备出本发明所述的含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层。
[0023]该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下:在大气质量因子AMl.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.10；在高真空度下，经8000C长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
[0024]实施例2
一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.5 nm，吸收层材料为碳化钛和稀土钇的复合物，吸收层复合物的厚度为50nm。吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备;吸收层复合物中稀土钇原子百分比为0.5%。减反射层材料为氧化铝，减反射层的厚度为90 nm，减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
[0025]上述含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂的制备方法，包括如下技术工艺:
(I)吸热体基底的处理:选用粗糙度值为0.5 nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗10分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
[0026](2)吸收层的制备:采用纯度99.99%碳化钛和稀土钇作为磁控溅射靶材;碳化钛靶材采用直流磁控溅射，稀土钇靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至1.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为10 W/cm—2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.5 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为100 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和稀土钇的复合物，其厚度为50 nm。溅射过程中吸热体基底温度为200C。
[0027](3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为90 nm。溅射过程中吸热体基底温度为
20°Co
[0028](4)涂层高温处理:将所制备的涂层在真空环境下900 °C温度下真空拟合处理2小时。最终制备出本发明所述的含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层。
[0029]该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下:在大气质量因子AMl.5条件下，涂层吸收率为0.88，发射率为0.10；在高真空度下，经800 0C长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
[0030]实施例3
一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为3.0nm，吸收层材料为碳化钛和稀土钇的复合物，吸收层复合物的厚度为90 nm。吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备;吸收层复合物中稀土钇原子百分比为3%。减反射层材料为氧化铝，减反射层的厚度为50 nm，减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
[0031 ]上述含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂的制备方法，包括如下技术工艺:
(I)吸热体基底的处理:选用粗糙度值为3.0 nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
[0032](2)吸收层的制备:采用纯度99.99%碳化钛和稀土钇作为磁控溅射靶材;碳化钛靶材采用直流磁控溅射，稀土钇靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至7.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4.0W/cm—2，稀土钇靶材的溅射功率密度为3 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和稀土钇的复合物，其厚度为90 nm。溅射过程中吸热体基底温度为1000C。
[0033](3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在lOW/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50 nm。溅射过程中吸热体基底温度为100Co
[0034](4)涂层高温处理:将所制备的涂层在真空环境下500 °C温度下真空拟合处理10小时。最终制备出本发明所述的含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层。
[0035]该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下:在大气质量因子AMl.5条件下，涂层吸收率为0.88，发射率为0.12；在高真空度下，经800 0C长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
【主权项】
1.一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;所述的吸收层材料为碳化钛和稀土钇的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。2.根据权利要求1所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述吸收层复合物的厚度为50-90 nm03.根据权利要求1或2所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述吸收层复合物中稀土钇原子百分比为0.5-3%。4.根据权利要求1或2所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述减反射层的厚度为50-90 nm05.根据权利要求3所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述减反射层的厚度为50-90 nm06.根据权利要求1或5所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.5-3 nm。7.根据权利要求6所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述的吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备;所述的减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。8.根据上述任一权利要求所述的一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤: (1)吸热体基底的处理:将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存； (2)吸收层的制备:采用纯度为99.99%的碳化钛和稀土钇作为磁控溅射靶材;采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化钛采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4-10W/cm—2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.5-3 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和稀土乾的复合物，厚度为50-90 nm，派射过程中吸热体基底温度为20-100 0C; (3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-10 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50-90 nm;溅射过程中吸热体基底温度为20-100 0C; (4)涂层高温:将所制备的涂层在真空环境下，500-900°(:温度下真空处理2-10小时，最终制备出本发明所述的含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层。9.根据权利要求8所述一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于:所述吸收层溅射过程中吸热体基底温度为20-100 °C。10.根据权利要求8所述一种含稀土钇高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于:所述减反射层溅射过程中吸热体基底温度为20-100 °C。
【文档编号】C23C14/08GK105970176SQ201610418437
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】高祥虎, 刘刚, 郭志明, 耿庆芬, 马鹏军, 王爱勤
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所