专利名称：一种太阳能光谱高温选择性吸收膜及其制造方法
技术领域：
本发明属于薄膜技术与薄膜材料领域，具体涉及了一种太阳能光谱高温选择性吸 收膜及其制造方法。
背景技术：
根据吸收太阳光的原理和涂层的构造不同，太阳能光谱高温选择性吸收涂 层主要分为半导体涂层、光干涉涂层、多孔涂层和金属陶瓷涂层四类。常见的半导体 材料有硅(Si)、锗(Ge)、黑铬(CrxOy)、黑镍(NiS-ZnS)、氧化铜黑(CuxOy)和氧化铁 (Fe3O4)等；光干涉涂层是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、金属底材或底层薄膜组成，如 AI2O3-Mox-AI2O3(AMA)三层膜、A1N-A1/A1八层膜等；多孔涂层是通过控制涂层表面的形貌 和结构，使表面不连续性的尺寸与可见光谱峰值相当，从而对可见光起陷阱作用，对长波辐 射具有很好反射作用；金属陶瓷层是根据有效的媒质理论，利用在母体中细分散的金属粒 子，对可见光的不同波长级光子产生多次散射和内反射而将其吸收，金属粒子和氧化物的 共析涂层，如 A1-A1203、Mo-A1203、Mo-SiO2, Ti-TiO2, W-A1203> Ni_Al203、Co-Al2O3、Au-Al2O3 等 涂层。现有的太阳能光谱高温选择性多为四层结构，第一层为基材，第二层为为金属光 反射层，第三层为光吸收层，第四层为光减反射，这四层结构依次叠加，由于反射层多为单 一的金属Mo、Ni、Cu或Fe导致其与基材以及吸收层之间的结合性不够好，同时这种结构的 吸收膜的红外反射率较低，导致发射率增加，因此实用性有待加强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层间的结合性好、实用性加强的太阳能光谱高温选择 性吸收膜。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种太阳能光谱高温选择性吸收 膜，包括基材，以及由内至外依次设置在基材上的反射层、吸收层和减反层，所述的反射层 为Fe-Mo合金，所述的吸收层为Mo-Al2O3合金，所述的减反层为Al2O3，所述的吸收层包括三 层，由里层到表层Mo的原子百分比含量逐步降低，里层的Mo含量为80-90%，中间层的Mo 含量为50-60 %，表层的Mo含量为20-40 %。所述反射层的厚度为100-200nm。所述吸收层的厚度为150-200nm。所述减反层 的厚度为30-80nm。本发明的另外一个目的在于提供一种太阳能光谱高温选择性吸收膜的制造方法， 依照该方法制得的吸收膜具有结合力强、高吸收率和低发射率的优点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种太阳能光谱高温选择性吸收膜 的制造方法，实现步骤如下a)、对基材的表面进行抛光、去污和清洗，将基材置于溅射炉的中心并使其旋转；b)、关闭溅射炉，抽真空，向溅射炉内充入氩气，并在基材上施加偏压，先对基材进行等离子清洗，之后开启Fe靶和Mo靶，在基材上溅射形成Fe-Mo合金反射层。C)、同时向溅射炉内冲入氧气和氩气，关闭Fe靶，开启Mo靶和Al靶对基材进行离 子轰击，在反射层表面溅射形成Mo-Al2O3合金吸收层；d)、同时向溅射炉内冲入氧气和氩气，关闭Fe靶和Mo靶，开启Al靶对基材进行离 子轰击，在吸收层表面溅射得到Al2O3减反层。所述步骤b)的工艺条件如下Fe靶的电流为35A，电压为411V，Mo靶的电流为 40A,电压为450V，基材上的基体偏压为270-300V，溅射炉的真空度为0. lOPa，沉积时间设 置为 8-10mino所述步骤c)的工艺条件如下真空度为0.16-0. 2Pa，基材上的基体偏压为 200-250V，沉积时间为 10-15min。所述步骤d)的工艺条件如下A1靶的电流为38A，电压为320V，真空度为0. 25Pa, 沉积时间为5-8min。本发明的有益效果是采用了 Fe-Mo合金作为反射层，增强了基材与吸收层之间 的结合力，而且具有好的红外反射性能和防扩散功能，且具有更加优异的红外反射效果，利 于降低发射率，Mo-Al2O3合金的吸收层为Mo含量逐步降低的三层结构，形成多界面吸收层， 使得太阳光谱的紫外、可见和红外光经过多次反射、折射、干涉和吸收后，97%以上的辐射 被涂层吸收，转化成热量，Al2O3减反层能进一步提高膜层的吸收率，本发明的太阳能光谱高 温选择性吸收膜具有耐高温、抗氧化性能强，化学惰性和微观结构稳定的特性。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的太阳能选择性吸收涂层的剖面示意图；图2是制备吸收膜所使用的三靶溅射设备的剖面示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参照图1所示，一种太阳能光谱高温选择性吸收膜，包括基材1，所述基材1可为金 属、塑料或陶瓷材质，作为一种具体实施例，特选用不锈钢金属管，在基材1上设置有反射 层2，反射层2上设置有吸收层3，吸收层3上设置有减反层4，三层依次溅射叠加，所述的反 射层2为Fe-Mo合金，所述的减反层为Al2O3，所述的吸收层3为Mo-Al2O3合金，包括高金属 含量层、中金属含量层和低金属含量层共三层，由里层到表层Mo的原子百分比含量逐步降 低，其中里层Mo含量为80 %，中间层Mo含量为50 %，表层Mo含量为20 %。作为另一种实施例，吸收层3中三层Mo的原子百分比含量分别为里层Mo含量为 90%，中间层Mo含量为60%，表层Mo含量为40%。作为又一种实施例，吸收层3中三层Mo的原子百分比含量分别为里层Mo含量为 80 %，中间层Mo含量为50-60 %，表层Mo含量为20-40 %。本发明各层的厚度分别如下反射层的厚度为100-200nm，通过沉积这样厚度的 反射层，可使光反射得到加强；吸收层的厚度为150-200nm，这样可加强对太阳能的吸收； 减反层的厚度为30-80nm，这个范围的厚度虽可使光辐射透过，但可通过内部吸收及相位补偿干涉促进对太阳能的吸收。参照图2所示，本发明吸收膜可使用三靶溅射设备来制备，该设备包括密闭的溅 射炉7，溅射炉7内的侧壁上均勻分布有三个圆柱形的靶电极，即Fe靶8、Mo靶9和Al靶 10，任意两个靶电极的轴线呈60°的夹角，三个靶电极分别且选择性地与电源相接作为阴 极，溅射炉与电源连接形成阳极接地，溅射炉7的壁面上设置有两个进气管，溅射炉7的中 心设置有绕溅射炉中心轴旋转的旋转工架11，用于放置基材1，基材1可以在旋转工架11 的环形轨道上转动的同时实现自身旋转，便于均勻镀膜，在靶电极和基材之间设置不同电 压，从进气管5和进气管6中可分别通入氩气和氧气。作为本发明制造方法的第一实施例，工艺流程如下a)、对作为基材的不锈钢金属管表面进行抛光、去污、丙酮超声清洗以及酒精漂 洗，然后将基材置于旋转工架11上，基材在旋转工架11上公转的同时保持自转。b)、关闭溅射炉，抽真空，当真空度达到一定要求后，从进气管5向溅射炉7内充入 氩气，并在基材上施加偏压，先对基材进行等离子清洗。之后开启Fe靶8和Mo靶9，当氩离 子轰击靶材的表面时，Fe和Mo金属原子及原子团被溅射出来，溅射形成Mo含量为50-60% 的Fe-Mo合金反射层。本阶段的工艺条件可设置如下；Fe靶8的电流为35A，电压为411V ； Mo靶9的电流为40A，电压为450V ；基体偏压为270V ；真空度为0. 10Pa，沉积时间为lOmin。c)、从进气管5向溅射炉7内充入氩气，同时从进气管6向溅射炉7内充入氧气。 关闭Fe靶，开启Mo靶、和Al靶，在Fe-Mo合金的反射层2表面溅射一层Mo-Al2O3金属，形成 梯度吸收层3，此时，Mo金属不与氧气反应，而Al与氧气反应生成Al2O3，两种物质共同沉积 在基材上形成Mo-Al2O3薄膜，Mo金属的含量通过设置靶电流、电压、氧气分压进行控制，薄 膜的厚度通过控制溅射速率和时间进行控制，控制氧气的流量可以控制氧化物的生成量， 通入过量的氧气全部反应生成氧化物沉积到基材上，从而完成复合涂层的制备。本阶段溅 射炉7内的真空度控制在0. 16Pa，基体偏压设置为200V，沉积时间为lOmin。d)、同时向溅射炉内充入氧气和氩气，关闭Fe靶和Mo靶，开启Al靶对基材进行离 子轰击，采用与上述相同的方法溅射得到一层完全透明的Al2O3薄膜。本阶段Al靶的电流 为38A，电压为320V，真空度为0. 25Pa，沉积时间为8min。作为本发明制造方法的第二实施例，工艺流程如下a)、对作为基材的不锈钢金属管表面进行抛光、去污、丙酮超声清洗以及酒精漂 洗，然后将基材置于旋转工架11上，基材在旋转工架11上公转的同时保持自转。b)、关闭溅射炉，抽真空，当真空度达到一定要求后，从进气管5向溅射炉7内充入 氩气，并在基材上施加偏压，先对基材进行等离子清洗。之后开启Fe靶8和Mo靶9，当氩离 子轰击靶材的表面时，Fe和Mo金属原子及原子团被溅射出来，溅射形成Mo含量为50-60% 的Fe-Mo合金反射层。本阶段的工艺条件可设置如下Fe靶8的电流为35A，电压为411V ； Mo靶9的电流为40A，电压为450V ；基体偏压为300V ；真空度为0. lOPa，沉积时间为8min。c)、从进气管5向溅射炉7内充入氩气，同时从进气管6向溅射炉7内充入氧气。 关闭Fe靶，开启Mo靶、和Al靶，在Fe-Mo合金的反射层2表面溅射一层Mo-Al2O3金属，形成 梯度吸收层3，此时，Mo金属不与氧气反应，而Al与氧气反应生成Al2O3，两种物质共同沉积 在基材上形成Mo-Al2O3薄膜，Mo金属的含量通过设置靶电流、电压、氧气分压进行控制，薄 膜的厚度通过控制溅射速率和时间进行控制，控制氧气的流量可以控制氧化物的生成量，通入过量的氧气全部反应生成氧化物沉积到基材上，从而完成复合涂层的制备。本阶段溅 射炉7内的真空度控制在0. 2Pa，基体偏压设置为250V，沉积时间设置为15min。d)、同时向溅射炉内充入氧气和氩气，关闭Fe靶和Mo靶，开启A1靶对基材进行离 子轰击，采用与上述相同的方法溅射得到一层完全透明的A1203薄膜。本阶段A1靶的电流 为38A，电压为320V，真空度为0. 25Pa，沉积时间为5min。作为本发明制造方法的第三实施例，工艺流程如下a)、对作为基材的不锈钢金属管表面进行抛光、去污、丙酮超声清洗以及酒精漂 洗，然后将基材置于旋转工架11上，基材在旋转工架11上公转的同时保持自转。b)、关闭溅射炉，抽真空，当真空度达到一定要求后，从进气管5向溅射炉7内充入 氩气，并在基材上施加偏压，先对基材进行等离子清洗。之后开启Fe靶8和Mo靶9，当氩离 子轰击靶材的表面时，Fe和Mo金属原子及原子团被溅射出来，溅射形成Mo含量为50-60% 的Fe-Mo合金反射层。本阶段的工艺条件可设置如下Fe靶8的电流为35A，电压为411V ； Mo靶9的电流为40A，电压为450V ；基体偏压为285V ；真空度为0. 10Pa，沉积时间为9min。c)、从进气管5向溅射炉7内充入氩气，同时从进气管6向溅射炉7内充入氧气。 关闭Fe靶，开启Mo靶、和A1靶，在Fe-Mo合金的反射层2表面溅射一层Mo_A1203金属，形成 梯度吸收层3，此时，Mo金属不与氧气反应，而A1与氧气反应生成A1203，两种物质共同沉积 在基材上形成Mo-A1203薄膜，Mo金属的含量通过设置靶电流、电压、氧气分压进行控制，薄 膜的厚度通过控制溅射速率和时间进行控制，控制氧气的流量可以控制氧化物的生成量， 通入过量的氧气全部反应生成氧化物沉积到基材上，从而完成复合涂层的制备。本阶段溅 射炉7内的真空度控制在0. 18Pa，基体偏压设置为225V，沉积时间为12. 5min。d)、同时向溅射炉内充入氧气和氩气，关闭Fe靶和Mo靶，开启A1靶对基材进行离 子轰击，采用与上述相同的方法溅射得到一层完全透明的A1203薄膜。本阶段A1靶的电流 为38A，电压为320V，真空度为0. 25Pa，沉积时间6. 5min。本发明具有对太阳光谱优异的选择吸收特性，测得其在200-2500nm的平均吸收 率彡97%;发射率(室温)。在空气中和真空条件下分别进行退火，测试了不同温度 和时间的热稳定性，结果如下在空气中退火，温度为750°C、时间2小时，其热稳定性不变。在真空中退火，温度为600°C、时间3小时，其吸收率和发射率均保持稳定。在空气中退火，温度为500°C、时间48小时，其光学性质也无明显地退化现象。本发明的吸收膜采用Fe-Mo合金作为反射层，增强了基材与吸收膜之间的结合 力，且具有更加优异的红外反射效果，利于降低发射率。根据各膜层的折射率和消光系数不 同，不但将反射层、吸收层和减反层设计成梯度膜层，而且进一步将Mo-A1203吸收层设计成 三层的梯度结构，使得太阳光谱的紫外、可见和红外光(200-2500nm)经过多次反射、折射、 干涉和吸收后，97%以上的辐射被涂层吸收，转化成热量，获得一种结合力强、高吸收率、低 发射率的太阳能选择性吸收涂层。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于 本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。
权利要求
一种太阳能光谱高温选择性吸收膜，包括基材，以及由内至外依次设置在基材上的反射层、吸收层和减反层，其特征在于所述的反射层为Fe-Mo合金，所述的吸收层为Mo-Al2O3合金，所述的减反层为Al2O3，所述的吸收层包括三层，由里层到表层Mo的原子百分比含量逐步降低，里层的Mo含量为80-90％，中间层的Mo含量为50-60％，表层的Mo含量为20-40％。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱高温选择性吸收膜，其特征在于，所述反射 层的厚度为100-200nm。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱高温选择性吸收膜，其特征在于，所述吸收 层的厚度为150-200nm。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能光谱高温选择性吸收膜，其特征在于，所述减反 层的厚度为30-80nm。
5.一种如权利要求1所述太阳能光谱高温选择性吸收膜的制造方法，其特征在于，实 现步骤如下a)、对基材的表面进行抛光、去污和清洗，将基材置于溅射炉的中心并使其旋转；b)、关闭溅射炉，抽真空，向溅射炉内充入氩气，并在基材上施加偏压，先对基材进行等 离子清洗，之后开启Fe靶和Mo靶，在基材上溅射形成Fe-Mo合金反射层；c)、同时向溅射炉内冲入氧气和氩气，关闭Fe靶，开启Mo靶和Al靶对基材进行离子轰 击，在反射层表面溅射形成Mo-Al2O3合金吸收层；d)、同时向溅射炉内冲入氧气和氩气，关闭Fe靶和Mo靶，开启Al靶对基材进行离子轰 击，在吸收层表面溅射得到Al2O3减反层。
6.根据权利要求5所述太阳能光谱高温选择性吸收膜的制造方法，其特征在于，所述 步骤b)的工艺条件如下Fe靶的电流为35A，电压为41IV，Mo靶的电流为40A，电压为450V， 基材上的基体偏压为270-300V，溅射炉的真空度为0. lOPa，沉积时间设置为8-lOmin。
7.根据权利要求5所述太阳能光谱高温选择性吸收膜的制造方法，其特征在于，所述 步骤c)的工艺条件如下真空度为0. 16-0. 2Pa，基材上的基体偏压为200-250V，沉积时间 为 10_15min。
8.根据权利要求5所述太阳能光谱高温选择性吸收膜的制造方法，其特征在于，所述 步骤d)的工艺条件如下A1靶的电流为38A，电压为320V，真空度为0. 25Pa，沉积时间为 5-8min。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能光谱高温选择性吸收膜，包括基材，以及由内至外依次设置在基材上的反射层、吸收层和减反层，所述的反射层为Fe-Mo合金，所述的吸收层为Mo-Al2O3合金，所述的减反层为Al2O3，所述的吸收层包括三层，由里层到表层Mo的原子百分比含量逐步降低；还公开了其制造方法，步骤如下对基材的表面进行处理，先对基材溅射形成Fe-Mo合金反射层，然后溅射形成Mo-Al2O3合金吸收层，最后溅射得到Al2O3薄膜。本发明的吸收膜具有优异的红外反射效果，利于降低发射率，实用性大大增强。
文档编号C23C14/34GK101871103SQ20091003741
公开日2010年10月27日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者周拥仔, 彭启成, 李皓桢, 贺冬枚, 赵华平, 陈玉琴 申请人:东莞市康达机电工程有限公司