专利名称：一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系的制作方法
技术领域：
本专利涉及太阳能集热器吸热膜、光热转化材料领域，具体是指一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系及其制备方法。
背景技术：
随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年接收的太阳辐射能总量为lX1018kW.h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项，我国政府在《政府工作报告》也早已明确提出要积极发展新能源，其中太阳能的利用尤其占据着突出地位。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小(每平方米约一千瓦)，而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。太阳能的利用主要有光热转化、光电转化、光化学转换这三种形式。相比于太阳能光伏产业和光化学转换的高昂成本与低的能量转换效率，太阳能热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉、可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。在太阳能热利用装置中，关键是要将太阳辐射能转换成热能，实现这种转换的器件称为太阳能集热器。
当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器和太阳能热发电。其中，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。目前，世界太阳能市场平板式和真空管式太阳能热水器系统并存，但所占市场份额不同。平板集热器由于有着光热转换速率快、热效率高、采光面积大、结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强等特点，具有和建筑完美一体化结合等一系列的优势，在欧、美、澳等发达国家其市场占有率达到90%以上。而在我国，却截然相反，以真空管集热器为主，真空管占86%。1990年后中国逐渐成为太阳能热水器的生产与使用大国，2010年年产量约为4900万m2，其中，真空管集热器面积为4600万m2，增长15%。而平板集热器面积仅为300万m2，但增长率为50%，有着很大的发展潜力。尤其是在太阳能集热器与建筑一体化的住宅方面，平板集热器可作为大面积屋顶集热模块，成为建筑的一个构件，既降低了成本，又提高了建筑的整体性和美观性，也为整个建筑的节能减排发挥作用。无论哪种形式和结构的太阳能集热器，都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收部件，该部件吸收热辐射的性能对集热器的热性能起着至关重要的作用。表征吸收热辐射能的物理量是吸收比和热发射比，前者表征吸收太阳辐射能的能力，后者表征自身温度下发射辐射能的能力。[0007]众所周知，太阳辐射具有一个很宽的波段分布，但是其辐射能主要集中在可见光和近红外波段范围(0.3 2.5 μ m)。因此，为了提高太阳集热器的热效率，我们要求吸收部件在波长0.3 2.5μπι的太阳光谱范围内具有较高的吸收比(通常用α表示)。而对于一个实际应用中的受热体，其热辐射能量集中在波长为3.0 30.0 μ m的红外光谱范围内，为了减少热损失，防止吸收的短波能量又以长波形式辐射掉，就要在热辐射波段内保持尽可能低的热发射比(通常用ε表示)。根据普朗克黑体辐射定律和基尔霍夫定律，处于热平衡时，任何物体对黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。因此，要使物体在热辐射波段内保持尽可能低的热发射比，即相当于使物体在热辐射波段内保持尽可能低的吸收率。概括起来，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太阳辐射的同时，尽可能减小其辐射热损失，通俗地讲，就是要“进的多，出的少”。具有这种选择性吸收效果的薄膜的称为“太阳能选择性吸收膜”或“太阳能选择性吸收涂层”。显而易见，该涂层两个重要的性能参数α、ε对提高集热器的光热转换效率起着至关重要的作用。目前市场上常见的集热器吸收膜外观颜色大都呈黑色或蓝色，颜色非常单调。随着平板集热器在建筑一体化太阳能热利用方面的应用，如，集热器可作为屋顶的一部分、也可与阳台、外墙有机结合，与建筑浑然一体，为整个建筑的节能减排发挥作用，其市场前景越来越广阔。而人们对建筑美观化、个性化的需求，使得吸收膜外观颜色方面的因素也受到越来越多的关注和重视。因此，制备适合工业化生产的高吸收率、低发射率，而且外观颜色丰富多彩、可调节的吸收膜，既满足集热器在建筑一体化太阳能热利用方面的基本需求，又能满足人们日益强烈的个性化需求，因此更具优势和前景。中国专利公开号CN101240944A及CN201196495Y所公开的TiNxOy薄膜在加上了二氧化硅SiO2减反膜后，吸收率可达到96%，发射率低于4%，但其外观颜色并不可调节；而专利公开号CN1594644A虽提到利用Ti的各种价态化合物的颜色差别来调节薄膜的颜色，但一方面其所公开各种颜色的TiNxOy薄膜中吸收率最大的只有94%，发射率最低的高达7%，光热转换性能不佳，另一方面Ti的化合物价态在溅射工艺中难以控制，不适合在工业化生产中应用。本专利的目的就是 公开一种具有高太阳能吸收率、低红外发射率，同时还能简单方便地调节颜色的太阳能选择性吸收膜系，以满足现有及建筑一体化市场对高性能太阳能选择性吸收膜系的外观与颜色多样化的需求。
发明内容本专利公开了一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系。旨在提供一种制备方法适合工业化生产的高吸收率、低发射率，且耐候性强、使用寿命长，同时外观颜色丰富、可调节的吸收膜，可起到装饰作用，特别适合于太阳能热利用在建筑一体化产品方面的商业化应用，满足太阳能热水器、太阳能空调等光热产品的美观、多样和个性化需求。该颜色可调节的太阳能选择性吸收膜系结构如附
图1所示，在衬底I上依次为氮氧化钛薄膜2、二氧化钛薄膜3、氮化硅薄膜4以及二氧化硅薄膜5，其中:所述的衬底I是Cu箔片、Al箔片、Al箔片、Ni箔片或不锈钢箔片上沉积一层Cu薄膜，或在Al箔片、Ni箔片、不锈钢箔片或Cu箔片上沉积一层红外高反射的Ag薄膜；优选的，采用Cu箔片上沉积一层红外高反射的Ag薄膜；[0014]所述的氮氧化钛TiNxOy薄膜2中，T1、N、O三种元素的原子比范围为T1: N: 0=1:0.5 1: 0.5 2，厚度为 40nm 200nm ；所述的二氧化钛薄膜3厚度为Onm 60nm ;所述的氮化娃薄膜4厚度为20nm IOOnm ；所述的二氧化娃薄膜5厚度为50nm 150nm。本专利的吸收膜系以TiNxOy薄膜作为吸收层，以Ti02、Si3N4、Si02三种薄膜作为颜色调节层、减反层和保护层。由于三种材料的折射率依次递减，因此具有很好的渐变减反效果，提高了膜系的吸收率。同时，利用干涉原理，可通过调节TiNx0y、Ti02、Si3N4、Si02四种薄膜的厚度，调节膜系的外观颜色。具体物理原理如下:为了减少表面的反射光，通常需要对其进行减反膜系的设计。反射率的计算可以采用特征矩阵法，对于单层减反膜:
权利要求1.一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系，其特征在于:在衬底(I)上依次为氮氧化钛薄膜(2)、二氧化钛薄膜(3)、氮化硅薄膜(4)以及二氧化硅薄膜(5)，其中: 所述的衬底(I)是Cu箔片，Al箔片，Al箔片、Ni箔片或不锈钢箔片上沉积一层Cu薄膜，或是在Al箔片、Ni箔片、不锈钢箔片或Cu箔片上沉积一层红外高反射的Ag薄膜； 所述的氮氧化钛TiNxOy薄膜(2)的厚度为40nm 200nm ； 所述的二氧化钛薄膜(3)厚度为Onm 60nm ； 所述的氮化娃薄膜(4)厚度为20nm IOOnm ； 所述的二氧化娃薄膜(5)·厚度为50nm 150nm。
专利摘要本专利公开了一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系。该颜色可调节的太阳能选择性吸收膜系自下而上依次包括镀制在金属衬底上的氮氧化钛薄膜、二氧化钛薄膜、氮化硅薄膜以及二氧化硅薄膜。本专利的吸收膜系对太阳能的吸收率大于96%，发射率小于4%，具有光热转换效率高和集热效率高以及颜色可调的特点。本专利的吸收膜系具有在保持良好吸收率和发射率的前提下，调节外观颜色的特点，丰富多彩的外观颜色可更好地实现太阳能集热产品与建筑一体化，满足太阳能热水器、太阳能空调等光热产品的美观、多样和个性化需求。本专利的吸收膜系可直接通过工业化磁控溅射制备方法在大面积衬底上连续镀制，易于实现大规模工业化生产。
文档编号C23C14/06GK203132188SQ20122065316
公开日2013年8月14日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者陆卫, 陈飞良, 王少伟, 俞立明, 刘星星, 简明, 郭少令, 陈效双, 王晓芳 申请人:中国科学院上海技术物理研究所