一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法与流程

本发明涉及一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，用于太阳能集热器，属于太阳能热利用和热发电技术领域。

背景技术：

太阳能选择性吸收涂层是一种重要的能源材料，该涂层的光热转换性能直接决定太阳能热利用效率。目前成功商业化的太阳能选择性吸收涂层是利用磁控溅射制备的双层渐变吸收金属陶瓷选择性涂层，该涂层同时利用金属-电介质吸收和光干涉吸收原理提高涂层吸收效率，具有良好的吸收性能。但其会面临高温下原子扩散、涂层脱落等问题，且利用磁控溅射制备条件较为严格，需要较精确控制各层的厚度，限制了其在高温热发电中的应用。所以探索生产条件宽松、工艺简单且能制备出性能良好太阳能选择性吸收涂层的方法显得尤为重要。

涂层的结构不同，其吸收太阳光的机理也不同。金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层是微米或纳米金属颗粒均匀分布在介电陶瓷中的复合材料，其吸收机理是过渡性金属的带间跃迁和金属颗粒与陶瓷基体之间的共振吸收作用。纹理表面，是利用物理或化学手段在涂层表面制备出特殊的纹理，这些特殊文理在微观上的不平整性类似于光学陷阱，当波长较短的太阳光波通过陷阱时，在陷阱内经过多次反射吸收，从而提高涂层吸收率。利用多尺度金属颗粒和陶瓷材料复合，可简单有效地在涂层表面获得特殊纹理结构，从而得到纹理表面-金属电介质复合的双机理吸收涂层。

光致发光材料，该材料最早应用于太阳能电池领域，该材料能吸收近红外光获得能量发生能级跃迁而激发出电池可吸收的可见光，显著提高了太阳能电池的光吸收率，进而提高了光—电转换效率。将光致发光材料沉积在金属陶瓷选择性吸收涂层上，通过光致发光材料，将涂层不能吸收波段的光转换为涂层可吸收的太阳光，因此可实现涂层在较宽频率太阳光谱的吸收。由于无需对光致发光层厚度进行精确控制，降低了制备涂层的工艺难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工艺较为简单、成本较低，性能良好的金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层具有优良光学性能同时具备较好的热稳定性。

本发明采用的技术方案为：一种太阳能选择性吸收涂层，所述涂层由基底到表面依次设置为高红外反射层、多尺度金属陶瓷吸收层、光致发光层；

所述基底为高红外反射层，即为高红外反射特性金属片或管；

所述多尺度金属陶瓷吸收层的金属相由一种或多种粒径为纳米～粒径为微米的金属颗粒组成，陶瓷相由一种或多种陶瓷复合组成；

所述光致发光层位于涂层最上层，由稀土掺杂铌酸钾钠基陶瓷((K,Na)NbO₃)材料组成。

作为优选，所述基底为抛光高红外反射金属片或管。

作为优选，所述多尺度金属陶瓷吸收层金属相的金属包括但不限于Mo、Ni、W、Fe、Al，陶瓷相的陶瓷包括但不限于SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiN。

作为优选，所述光致发光层所掺杂稀土元素包括但不限于Er、Tm、Yb。

上述太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)制备多尺度金属陶瓷浆料；

2)用涂覆法将制得的金属陶瓷浆料沉积在高红外反射金属基底上，形成吸收层；

3)待其烘干后用激光熔覆法将其后处理，以其达到冶金结合；

4)制备稀土掺杂铌酸钾钠基陶瓷靶材作为光致发光层；

5)用磁控溅射法将光致发光层沉积在吸收层上，得到太阳能选择性吸收涂层。

有益效果：1、立意上的创新——首次研究光致发光/单层金属陶瓷吸收涂层；针对太阳能吸收涂层高温光热转换性能不稳定的问题，首次提出光致发光型铁电陶瓷/金属陶瓷复合涂层，研究光致发光—光吸收耦合效应。2、思路上的创新——多种太阳能吸收原理相结合的思想；基于新结构涂层，探索多尺度金属及陶瓷基体成分对金属陶瓷太阳能选择吸收性涂层吸收率和发射率的影响，获得光热转换效率优异且温度稳定性良好的新型吸收涂层；3、方法上的创新——涂覆法、激光熔覆技术的探索及结构功能一体化的研究；在此基础之上，利用涂覆法制备低成本中高温吸收层，针对涂层高温力学性能差的问题，利用激光熔覆技术对吸收层进行后处理，首次提出复合法(涂覆法—激光熔覆技术)制备吸收层。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明制备的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种太阳能选择性吸收涂层，所述涂层由基底到表面依次设置为高红外反射层1、多尺度金属陶瓷吸收层2、光致发光层3；所述高红外反射层1为抛光不锈钢片，所述多尺度金属陶瓷吸收层2的金属相由一种或多种粒径为纳米～粒径为微米的金属颗粒组成，金属包括但不限于Mo、Ni、W、Fe、Al，陶瓷相由一种或多种陶瓷复合组成，陶瓷包括但不限于SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiN。所述光致发光层3位于涂层最上层，由稀土掺杂铌酸钾钠基陶瓷((K,Na)NbO₃)材料组成，所掺杂稀土元素包括但不限于Er、Tm、Yb。

如图2所示，上述太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将粒径为纳米与微米的金属颗粒(Mo、Ni等)和陶瓷粉体(Al₂O₃、SiO₂等)按一定质量比例混合放入容器中，与异丙醇、乙二醇、丙三醇等有机溶剂一起经高能球磨30min制成均匀浆料，将其烘干得到金属陶瓷粉体。

第二步：将金属陶瓷粉体放入容器，加入松油醇、聚乙二醇等，经磁力搅拌30min制成均匀浓稠浆料，将其均匀涂覆在抛光不锈钢基片，后放入180℃烘箱干燥。

第三步：将所制样品放入工作台，设置合适的熔覆参数(激光功率、扫描速度、光斑形状、光斑直径等)，待激光自动扫描结束后等待一小段时间使样品冷却。

第四步：熔覆过后的样品使用合适目数的砂纸打磨，使其表面具有合适的粗糙度。

第五步：稀土掺杂铌酸钾钠基陶瓷靶材的制备

1)称取一定质量比例的KNbO₃、NaNbO₃、稀土元素(Er、Tm、Yb等)放入球磨罐，加入适量乙醇，使用高能球磨机球磨60min使物料细化和充分混合；

2)采用压块预烧，将球磨后的浆料干燥，倒入模具，用压片机将其压制成片，放入马弗炉，设置温度为450℃，预烧180min；

3)将预烧好的样品粉碎，先用研钵粗磨，然后用球磨机精磨；

4)将磨细的粉料加入胶黏剂、蒸馏水，混合后再研磨均匀，然后打碎，筛选出合适粉料进行压片；

5)选择合适大小的承烧板，放置样品，设置烧结温度为1100℃，烧结3h，然后随炉冷却；

第六步：使用磁控溅射镀膜机，将第五步所制靶材、一～四步所制样片，放入镀膜室，抽真空至5×10³Pa以下，通入氩气，调整合适功率，设置镀膜时间，后观察镀膜直至镀膜结束。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。