一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制作方法

本实用新型属太阳能光热转换利用技术领域，涉及一种中高温太阳能选择性吸收涂层。

背景技术：

太阳能选择性吸收涂层是在可见-近红外波段（300-2500nm）具有高吸收率，在红外波段（2500-20000nm）具有低发射率的功能薄膜，是用于太阳能集热器，提高光热转换效率的关键。随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热器的应用范围从低温应用(≤200℃)向中温应用(200℃-400℃) 和高温应用(≥400℃)发展，以不断满足海水淡化、太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。对于太阳能集热器使用的太阳能选择性吸收涂层也要求具备高温热稳定性，适应中高温环境的服役条件。

目前市场上出现的选择性吸收涂层中吸收层材料主要有AlN-Al(NiOx、 TiN)、Al(Mo、W、Ni、Co)-Al2O3、Al2O3-Mo-Al2O3、NiCrNxOy，TiNxOy等，其中NiCrNxOy、TiNxOy使用较多。中国专利公开号CN1584445A中采用成分渐变NiCrNxOy，太阳光谱吸收率最高为92％，辐射率最低为10％，α/ε最大9.2；中国专利公开号CN101240944A、CN201196495Y中，通过精确调控氮氧比，获得吸收率96％，辐射率4％的基于多层梯度TiNxOy吸收的选择性涂层，α/ε(80℃)最大24，主要适合200℃以下的低温应用。在中高温条件下，由于其红外发射率随温度上升明显升高，导致集热器热损失明显上升，热效率显著下降。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有中高温太阳能选择性涂热效率低的问题，提供一种中高温太阳能选择性吸收涂层。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种中高温太阳能选择性吸收涂层，包括现有金属基底，其特征在于：在金属基底上，从下到上还分别有三层：红外反射层、吸收层和减反射层；

所述的红外反射层为Al、Au、Ag或Ni任一种金属的涂层，厚度为30-50nm；

所述的吸收层自下而上依次包括TiN膜和TiCrN膜，TiN膜的厚度为80-100nm，TiCrN膜的厚度为50-80nm；

所述减反射层自下而上依次包括Cr2O3膜、AlN膜和Al2O3膜，Cr2O3膜的厚度为30-50nm，AlN膜的厚度为50-70nm，Al2O3膜的厚度为20-60nm。

其中，在300-2500nm范围内，Cr2O3膜的折射率为2.29-2.61，AlN膜折射率为2.00-2.25，Al2O3膜的折射率为1.58-1.79。

TiN膜和TiCrN膜在中高温环境中热稳定性良好，TiN膜和TiCrN膜作为吸收层，两种薄膜的热膨胀系数相近，使其在中高温环境中界面应力小，提高了涂层的附着力和中高温环境中性能的稳定性；

减反射层采用Cr2O3膜、AlN膜和Al2O3膜依次叠加组成，薄膜的折射率依次递减，具有更加优异的减反效果；

中高温太阳能选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性。吸收-反射过渡区陡峭，选择性吸收涂层的中高温(200℃-400℃)发射率ε＜4％，吸收率α＞92％，α/ε高于现有商业产品，适用于低倍聚焦的中高温太阳能集热器。

本实用新型的有益效果：1.本实用新型制得的涂层，具有吸收效率高、发射率低、热稳定性好的特点；2.太阳光谱吸收率α与发射率ε(T)之比高，适合200℃以上的中高温应用；3.制作工艺简便。

附图说明

图1是一种中高温太阳能选择性吸收涂层的结构示意图；

图2是一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制备流程示意图。

具体实施例

结合图1，一种中高温太阳能选择性吸收涂层，包括金属基底，在金属基底上，从下到上还分别有三层：红外反射层、吸收层和减反射层；红外反射层为Al、Au、Ag或Ni任一种金属的涂层，厚度为30-50nm；吸收层自下而上依次包括TiN膜和TiCrN膜，TiN膜的厚度为80-100nm，TiCrN膜的厚度为50-80nm；减反射层自下而上依次包括Cr2O3膜、AlN膜和Al2O3膜，Cr2O3膜的厚度为30-50nm，AlN膜的厚度为50-70nm，Al2O3膜的厚度为20-60nm。其中，在300-2500nm范围内，Cr2O3膜的折射率为2.29-2.61，AlN膜折射率为2.00-2.25，Al2O3膜的折射率为1.58-1.79。

结合图2，一种中高温太阳能选择性吸收涂层，具体实施步骤如下：

实施例1

（1）选用厚度为0.3mm的铜箔片；

（2）金属基片表面的清洗：把铜箔片放入超声波清洗机内，先用丙酮超声20min，再用酒精超声20min，最后用去离子水超声20min，用高压N2吹干；

（3）取出铜箔片，放入磁控溅射设备中沉积红外反射层Al薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Al靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：80W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；沉积厚度：30nm，得涂覆有红外反射层Al薄膜的铜箔片；

（4）磁控溅射设备中沉积吸收层TiN薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Ti靶（4N）；本底真空≤8×10^-4 Pa；工作压强：4.5×10^-1 Pa；溅射功率：100W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体N2流量：8sccm；沉积厚度：100nm，得涂覆有吸收层TiN薄膜的铜箔片；

（5）磁控溅射设备中沉积吸收层TiCrN薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：TiCr合金靶（4N，Ti：Cr（at%）=4:1）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：100W；溅射工艺气体Ar流量： 30sccm；反应气体N2流量：10sccm；沉积厚度：60nm，得涂覆有吸收层TiCrN薄膜的铜箔片；

（6）磁控溅射设备中沉积减反射层Cr2O3薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Cr靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：75W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体O2流量：8sccm；沉积厚度：40nm，得涂覆有减反射层Cr2O3薄膜的铜箔片；

（7）磁控溅射设备中沉积减反射层AlN薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Al靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；

溅射功率：80W；溅射工艺气体Ar流量： 30sccm；反应气体N2流量：10sccm；

沉积厚度：60nm，得涂覆有减反射层AlN薄膜的铜箔片；

（8）磁控溅射设备中沉积Al2O3薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Al靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：70W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体O2流量：6sccm；沉积厚度：50nm，得涂覆有沉积Al2O3薄膜的铜箔片即为一种中高温太阳能选择性吸收涂层。

实施例2

（1）选用厚度为0.2mm的铝箔片；

（2）金属基片表面的清洗：把铝箔片放入超声波清洗机内，先用丙酮超声20min，再用酒精超声20min，最后用去离子水超声20min，用高压N2吹干；

（3）取出铝箔片，放入磁控溅射设备中沉积红外反射层Ag薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Ag靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：80W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；沉积厚度：25nm，得涂覆有红外反射层Ag薄膜的铝箔片；

（4）磁控溅射设备中沉积吸收层TiN薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Ti靶（4N）；本底真空≤8×10^-4 Pa；工作压强：4.5×10^-1 Pa；溅射功率：900W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体N2流量：8sccm；沉积厚度：110nm，得涂覆有吸收层TiN薄膜的铝箔片；

（5）磁控溅射设备中沉积吸收层TiCrN薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：TiCr合金靶（4N，Ti：Cr（at%）=3:2）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：110W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体N2流量：12sccm；沉积厚度：70nm，得涂覆有吸收层TiCrN薄膜的铝箔片；

（6）磁控溅射设备中沉积减反射层Cr2O3薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Cr靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：80W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体O2流量：8sccm；沉积厚度：45nm，得涂覆有减反射层Cr2O3薄膜的铝箔片；

（7）磁控溅射设备中沉积减反射层AlN薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Al靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：100W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体N2流量：9sccm；沉积厚度：50nm，得涂覆有减反射层AlN薄膜的铝箔片；

（8）磁控溅射设备中沉积Al2O3薄膜，制备工艺参数如下：

靶材：Al靶（4N）；本底真空≤9×10^-4 Pa；工作压强：5×10^-1 Pa；溅射功率：80W；溅射工艺气体Ar流量：30sccm；反应气体O2流量：7sccm；沉积厚度：60nm，得涂覆有沉积Al2O3薄膜的铝箔片即为一种中高温太阳能选择性吸收涂层。