专利名称：一种太阳能中高温选择性吸热涂层的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能热利用技术领域，特别涉及利用磁控溅射沉积技术制备的高稳定性的太阳能中高温选择性吸热涂层。
背景技术：
太阳能选择性吸热涂层在太阳光谱范围(O. 3^2. 5微米)具有较高的吸收率α，在红外趋于(2 50微米)具有低的发射率ε，它能把低能量密度的太阳能转换成高能量密度的热能，把太阳能收集起来，提高太阳能光热转换效率。太阳能吸热涂层被应用到太阳能集热设备上，分为低温，中温和高温利用涂层。工作温度越高，其热转化效率也就越高，太阳能热利用朝中高温方向发展是必然的趋势。当今我国在中低温太阳能吸热涂层的制备方面已经具备成熟的技术。Α1/Α1Ν渐变涂层和 SS-AlN干涉吸收涂层已经在真空管太阳能热水器领域大面积推广使用。但是在中高温热利用领域，我国在涂层制备方面技术仍不成熟，研制具有高温稳定性能的太阳能吸热涂层是太阳能热利用领域工作者努力的方向。根据吸收太阳光的原理和膜层结构的不同，选择性吸收膜层的基本类型有半导体膜层；干涉膜层；多层渐变膜层；金属陶瓷膜层；多孔膜层。其中的金属陶瓷膜层复合膜层，具有良好的热稳定性，主要应用在中高温领域。
发明内容
本发明提供了一种在大气环境中具有高稳定性的太阳能中高温选择性吸热涂层。
本发明涂层涂布在太阳能集热元件的基底上，涂层自基底向上包括红外反射层，吸收层，介质减反层。底层的红外反射层是铝合金(MxAlh),其中M选自Si、Cr、Ni中的一种，χ的变化范围为O. 25、. 65，其作用是反射红外光谱，降低涂层的热发射率。所述吸收层是铝合金填充的铝合金的氮化物或氧化物或氮氧化物，，采取两层或两层以上叠加而成，各层分别选自(MxAVx) -MxAl1^xN, (MxAlh) -MxAl1^xO, (MxAVx) I—MxAlhON三种薄膜中的一种、两种或三种，其中下标I代表该种Al合金在吸收层中的填充因子。从红外反射层向上各层的Al合金在吸收层中的填充因子依次降低，依次从高吸收层过渡到低吸收层，实现渐变吸收。各单层吸收层的厚度在l(Tl20nm之间。(MxAVx) -MxAl1^xN吸收层的制备采用MxAVx合金靶与N2反应共溅射；(MxAVx)-MxAl1^xO吸收层，其特征在于采用MxAlh合金靶与O2反应共溅射；(MxAlh) ΛΑ1ι-χ0Ν吸收层的制备采用MxAlh合金靶在氮氧混合气氛中反应共溅射。较低流量的反应气体得到高吸收层，y值为O. 2^0. 6 ;较高流量反应气体流量得到低吸收层，y值为O. 05、. 2。介质减反层采用A1N，SiO2, Si3N4, Al2O3中的一种，其厚度在2(Tl00nm之间。本发明涂层制备时采用磁控溅射技术，在清洗后的玻璃或不锈钢基片上制备选择性吸热涂层。基底金属红外反射层厚度不小于70nm。并通过改变反应气体流量制备高吸收层和低吸收层，同时通过溅射时间调节各层厚度。最后在吸收层上溅射沉积2(Tl00nm的减反层。本发明涂层具有较高的热稳定性，非常适合用太阳能中高温利用。此外，该发明涂层制备工艺简单，成本适中。
图I为本发明所述太阳能吸热涂层结构示意图。底层表面为基底1，金属反射层2，高吸收层3，中吸收层4，低吸收层5以及表面减反层6，其中3，4和5共同组成吸收层。图2为本发明实施例I太阳能吸热涂层在空气环境中热处理前后的反射光谱对比图，实线为热处理前的反射光谱图，虚线为热处理后的反射光谱图。 图3为本发明实施例I选择性吸热涂层的扫描电镜图像。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明。实施例I膜层的制备采用磁控溅射的方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝靶，铬铝(Cra3Ala7)合金靶。在制备的过程中保持铬铝靶功率不变，改变反应气体流量实现组分比例I的改变。首先在玻璃基底上采用非反应溅射沉积一层厚度约IOOnm的Cra3Ala7合金红外闻反层。接着通入N2反应灘射制备弟一层吸收层(Cr。. 3Α1α 7) ο.45_CrQ. 3A10.7N，厚度约为IOOnm0再接着同时通入N2和O2制备第二层吸收层(Cr0.3A10.7)0.25—Cr0.3A10.70N,该层厚度约为65nm。关闭N2,只通入O2制备最后一层吸收层(Cr3Ala7) Q. 18-CrQ.3AlQ.70,厚度约为30nm。后关闭铬铝合金靶，开启铝靶，反应溅射制备减反层Al2O3,该层厚度约为40nm。将涂层至于400摄氏度大气环境中老化70小时后自然冷却。测试结果表明吸收率为O. 96，发射率为O. 04，涂层具有良好的热稳定性。如图I所不，本实施例涂层结构为从基底到表面依次为基底I，红外反射层2,闻吸收层3，中吸收层4，低吸收层5以及减反层6。图2为热处理前后涂层反射光谱的对照，实线为热处理前的反射光谱图，虚线为热处理后的反射光谱图。图3为制备的吸热涂层退火后的扫描电镜图像，图中显示涂层结构非常致密，表现出非常好的热稳定性。实施例2膜层制备采用磁控溅射方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝靶，铬铝(Cra25Ala75)合金靶。在制备的过程中保持铬铝靶功率不变，改变反应气体流量实现组分比例I的改变。首先在玻璃基底上采用非反应溅射沉积一层厚度约70nm的Cra25Ala75合金红外高反层。接着通入N2反应溅射制备第一层高吸收层(Cra25Ala75)a2-Cra25Ala75N,厚度约为10nm，接着增加N2流量，制备厚度约为30nm的低吸收层(Cra25Ala 75) 0.05_Cr0.25Al0.75N。最后关闭铬铝合金靶，开启铝靶制备厚度约为20nm的介质减反层A1N。测试结果表明，涂层的吸收率为O. 94，常温下发射率为O. 05。
实施例3膜层制备采用磁控溅射方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝靶，镍铝(Nia65Ala35)合金靶。在制备的过程中保持镍铝靶功率不变，改变反应气体流量实现组分比例的改变。首先在玻璃基底上采用非反应溅射沉积一层厚度约150nm的Nia65Ala35合金红外高反层，接着通入N2反应溅射制备第一层高吸收层(Nia 65A10.35) ο. 6—Ni0. 65A1o. 35N,厚度约为55nm，接着增加N2流量，制备厚度约为120nm的低吸收层(Nia65Ala35) 0.2—Nia65Al0.35N。最后关闭镍铝合金靶，开启铝靶制备厚度约为IOOnm的介质减反层A1N。测试结果表明，涂层的吸收率为O. 95，常温下发射率为O. 07。实施例4膜层制备采用磁控溅射方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝靶，镍铝(Nia34Ala66)合金靶。在制备的过程中保持镍铝靶功率不变，改变反应气体流量实现组分比例的改变。首先在不锈钢基底上采用非反应溅射沉积一层厚度约73nm的Nia 34Α1α66合金红外高反层。接着通入O2反应溅射制备第一层高吸收层(Nia34Ala66)a45-Nia34Ala6fw，厚度 约为50nm，接着增加O2流量，制备厚度约为25nm的低吸收层(Nia34Ala66) Cll5-Nia34Ala66t^最后关闭镍铝合金靶，开启铝靶制备厚度约为21nm的介质减反层A1203。测试结果表明，涂层的吸收率为O. 93，常温下发射率为O. 04。实施例5膜层制备采用磁控溅射方式。溅射室安装有两个阴极靶，分别是铝靶，硅铝(Sia45Ala55)合金靶。在制备的过程中保持硅铝靶功率不变，改变反应气体流量实现组分比例的改变。首先在玻璃基底上采用非反应溅射沉积一层厚度约148nm的Sia45Ala55合金红外高反层。接着通入N2和O2反应溅射制备第一层高吸收层(Sia 45A10.55)0.39—Si0.45A10.550N，厚度约为120nm,接着增加流量，制备厚度约为52nm的低吸收层(Sia45Ala 55) O. 10—Sia45Ala550N。最后关闭硅铝合金靶，启动铝靶制备厚度约为IOOnm的介质减反层A1N。测试结果表明，涂层的吸收率为O. 94，常温下发射率为O. 08。
权利要求
1.一种太阳能中高温选择性吸热涂层，涂布在太阳能元件的基底上，涂层自基底向上包括红外反射层、吸收层、介质减反层，其特征在于所述红外反射层为铝合金层MxAlh,其中M选自Si、Cr、Ni中的ー种；所述吸收层是铝合金填充的铝合金的氮化物或氧化物或氮氧化物，吸收层采取两层或两层以上叠加而成，从红外反射层向上各层的Al合金在吸收层中的填充因子依次降低，各层分别选自不同X和y的(MxAVx)y—MxAlhN, (MxAl1^x)-MxAl1^xO,(MxAlh) -MxAl1^xON三种薄膜中的ー种、两种或三种，其中下标y代表该种Al合金在吸收层中的填充因子。
2.如权利要求I所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，所述太阳能红外反射层为MxAlh合金层，X的变化范围为0. 25、. 65，采用MxAlh合金靶溅射制备。
3.如权利要求I所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，吸收层的三种薄膜(MxAl1^)y — MxAVxN, (MxAl1^x) -MxAl1^xO, (MxAl1^x) -MxAl1^xON,均由高填充因子和低填充因子组成，高填充因子为高吸收层，低填充因子为低吸收层。
4.如权利要求I所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，所述(MxAlh),-MxAlhN吸收层，采用MxAVx合金靶与N2反应共溅射制备，X的变化范围为0. 25、. 65，y的变化范围为0. 02、. 6。
5.如权利要求I所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，所述(MxAlh)Y-MxAlhO吸收层，采用MxAlh合金靶与O2反应共溅射，X的变化范围为0. 25、. 65，y的变化范围为0. 02^0. 6。
6.如权利要求I所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，所述(MxAlh)Y-MxAlhON吸收层采用MxAlh合金靶在氮氧混合气氛中反应溅射，X的变化范围为0.25 0. 65，y的变化范围为0. 02 0. 6。
7.如权利要求I所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，所述(MxAlh)-MxAVxN, (MxAl1^x) -MxAl1^xON, (MxAU y— MxAVxO 三种薄膜的厚度分别在 10 120nm 之间。
8.如权利要求4-7之任一所述的太阳能中高温选择性吸热涂层，其特征在于，所述高吸收层和低吸收层通过调整反应气体N2或O2或氮氧混合气氛的流量实现，高吸收层I值为0.2 0. 6 ;低吸收层y值为0. 05 0. 2。
全文摘要
本发明提供了一种在大气环境中具有高稳定性的太阳能中高温选择性吸热涂层。涂布在太阳能集热元件的基底上，涂层自基底向上包括红外反射层、吸收层、介质减反层，其特征在于所述的红外反射层为铝合金层MxAl1-x，其中M选自Si、Cr、Ni三种中的一种；吸收层是铝合金填充的铝合金的氮化物或氧化物或氮氧化物，采取两层或两层以上叠加而成，从红外反射层向上各层的Al合金在吸收层中的填充因子依次降低，选自不同x和y的(MxAl1-x)y—MxAl1-xN,(MxAl1-x)y—MxAl1-xO，(MxAl1-x)y—MxAl1-xON三种薄膜中的一种、两种或三种，其中下标y代表该种Al合金在吸收层中的填充因子。该涂层具有较高的热稳定性，非常适合用太阳能中高温利用。此外，该发明涂层制备工艺简单，成本适中。
文档编号F24J2/48GK102734956SQ20121021439
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者侯乃升, 吕锡山, 徐刚, 熊斌 申请人:四川中科百博太阳能科技有限公司