专利名称：太阳能选择性吸收膜的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种太阳能选择性吸收膜，特别是关于一种提高吸收率且不增加其反射率的太阳能选择性吸收膜。
背景技术：
太阳能是今日备受瞩目的环保能源，它能提供源源不断的能源，其来源受地域限制较小，是一种取之不尽的能源。太阳能是一种非常清洁的能源，不会引起污染，更不会耗尽自然资源或导致全球温室效应，是近几十年来研究希望能加以利用的环保再生能源。
在使用太阳能时，首先需要将太阳光的辐射能吸收，如借由太阳能选择性吸收膜大量吸收太阳的辐射能，并降低本身黑体辐射散逸损失，接着进行光—热转换，使其成为日常使用的能源。为了能让太阳光的辐射获得充分的应用，除了让太阳光聚焦以提高单位面积的能量密度外，更需要有效提高太阳能选择性吸收膜的吸收率及降低反射率，让太阳光的辐射能都能有效率地被吸收利用。
一般太阳选择性吸收膜的结构是由底部的反射层、辐射吸收层及顶部的抗反射层构成。太阳选择性吸收膜整体对太阳辐射的吸收率受到众多因素影响，例如底部反射层的材质与粗糙度，辐射吸收层的光学性质、厚度、材料种类与堆栈数以及抗反射层的厚度与光学性质等。要提高太阳能选择性吸收膜的吸收率，在合理厚度范围中，增加如以金属—陶瓷复合膜层堆栈制作的辐射吸收层的厚度即可达到。
然而，增加金属—陶瓷吸收层的厚度除了增加吸收率外，也提高该层的反射率。如此一来，在提高吸收率的同时，也牺牲了薄膜金属—陶瓷吸收层的低反射率优点。此外，增加加金属—陶瓷吸收层的厚度会让制作该层的时间延长并且需要更多的材料制作，导致制作的时间与成本增加。因此，如何在提高太阳选择性吸收膜的吸收率时，不会损失其低反射率的优点，并维持成本效益，是制作太阳选择性吸收膜时必须考虑的。
发明内容
为克服上述现有技术的问题，本发明提供一种可提高吸收率、不会增加反射率的太阳能选择性吸收膜。
本发明的另一目的在于提供一种太阳能选择性吸收膜，不需要增加金属—陶瓷复合式吸收层的厚度，即可提高吸收率。
本发明的再一目的在于提供一种太阳能选择性吸收膜，在较短的制作时间即可制成拥有相同或较佳吸收率的太阳能选择性吸收膜。
本发明的又一目的在于提供一种太阳能选择性吸收膜，使用较少的材料即可达到增加吸收率的效果。
为达上述目的，本发明提供的太阳能选择性吸收膜包括反射层、形成在该反射层上的辐射吸收层、形成在该辐射吸收层上的抗反射层以及形成在该抗反射层上的金属薄层。其中，辐射吸收层可以是金属一陶瓷复合式吸收层。金属薄层是借由溅镀、物理气相沉积(PVD)蒸镀或电化学沉积方式覆镀在抗反射层上，其厚度不超过20纳米，厚度最好是小于10纳米。
本发明的太阳能选择性吸收膜的吸收率高，且不会增加其反射率，在不增加金属—陶瓷复合式吸收层的厚度的同时，即可提高该膜的吸收率。本发明的太阳能选择性吸收膜具有制作时间短、使用材料少等特点，使用较少的材料即可达到增加吸收率的效果。
图1是本发明的结构剖面图。
图2是本发明实施例1中，太阳能选择性吸收膜在铜金属溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
图3是本发明实施例2中，太阳能选择性吸收膜在银金属溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
图4是本发明实施例3中，太阳能选择性吸收膜在钨金属溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
图5是本发明实施例4中，太阳能选择性吸收膜在钛金属溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
图6为本发明实施例5中，太阳能选择性吸收膜在铝金属溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
图7为本发明实施例6中，太阳能选择性吸收膜在钽金属溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
图8是本发明实施例7中，太阳能选择性吸收膜在不锈钢溅镀前与溅镀后的反射率对光谱波长关系图。
具体实施例方式
本发明的太阳能选择性吸收膜的结构如图1所示，它主要包括基材上的反射层1、形成在反射层1上吸收太阳辐射能的辐射吸收层2(如堆栈数层不同含率不同金属—陶瓷复合式吸收层)以及形成在辐射吸收层2上的抗反射层3。本发明的太阳能选择性吸收膜还在抗反射层3上形成金属薄层4，可提高本发明的太阳能选择性吸收膜的吸收率达到约2至5％。
金属薄层4是厚度小于20纳米的薄层，其消光系数在波长400至1200纳米的平均值大于1。在此厚度的金属薄层可增加其下的太阳能选择性吸收膜的吸收率，且不会增加反射率。如果金属薄层的厚度超过20纳米，则会形成金属反射层，反而会减少进入太阳能选择性吸收膜的太阳辐射量。
金属薄层4的材料并无限制，只要厚度小于20纳米的金属薄层都有增进太阳能选择性吸收膜吸收率的效果。例如铜、银、钨、钛、铝、钽及不锈钢等金属都具有此效果。金属薄层的覆镀方式可由溅镀实现，或物理气相沉积(PVD)蒸镀、电化学沉积等实现金属薄层的制作，或者其它可实现的制作金属薄层的方法，都可用于将本发明的金属薄层覆镀在太阳能选择性吸收膜的抗反射层上。
以下通过具体实施例，进一步详细叙述本发明的特点及功效。
实施例1使用2毫米厚的玻璃，其长度7公分且其宽度为2公分，镀上200纳米厚的铜膜为反射层。接着制作辐射吸收层，它是采用不锈钢靶材(3英时)及铝靶材(3英时)在氮气下进行反应性共溅镀，形成堆栈数层的金属—陶瓷复合吸收层。所使用不锈钢为SUS304，其主成分中铬含量为18％至20％及镍含量8％至10％。抗反射层是以铝靶在氮气反应的溅镀，在金属—陶瓷复合吸收层上形成抗反射层堆栈制作完成。不同含率下的金属—陶瓷复合吸收层单层及抗反射层的分别厚度均约40纳米。测量此时太阳能选择性吸收膜的反射率图谱如图2所示，进行后续吸收率的计算。
接着将溅镀反应腔中气体抽出至气压为3×10-5托耳(torr)，再通入氩气(流量55sccm)使气压维持在0.15托耳，使用铜靶材溅镀在抗反射层上形成薄金属层，薄金属层厚度约0.6纳米。所完成的太阳能选择性吸收膜的放射率使用放射率测量仪(Emissometer，65℃)进行测量。吸收率则先使用分光光谱仪UV-4001(Hitachi)测量波长300至2500纳米的反射率，如图2所示。
接着，以式(1)所示的方程式由反射率计算太阳能选择性吸收膜的吸收率。其中，IAM1.5为AM1.5条件下的国际太阳光谱辐射标准强度公布值。
=1-∫305nm2450nmr(λi)×(IAM1.5(λi))dλ∫305nm2450nmIAM1.5(λi)dλ---(1)]]>计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
实施例2太阳能选择性吸收膜的制造方法与实施例1相类似，不同处为金属薄层是由银构成，厚度约0.4纳米。所得的反射率图谱如图3所示，计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
实施例3
太阳能选择性吸收膜的制造方法与实施例1相类似，不同处为金属薄层是由钨构成，厚度约2.5纳米。所得的反射率图谱如图4所示，计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
实施例4太阳能选择性吸收膜的制造方法与实施例1相类似，不同处为金属薄层是由钛构成，厚度约5纳米。所得的反射率图谱如图5所示，计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
实施例5太阳能选择性吸收膜的制造方法与实施例1相类似，不同处为金属薄层是由铝构成，厚度约3.8纳米。所得的反射率图谱如图6所示，计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
实施例6太阳能选择性吸收膜的制造方法与实施例1相类似，不同处为金属薄层是由钽构成，厚度约2.5纳米。所得的反射率图谱如图7所示，计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
实施例7太阳能选择性吸收膜的制造方法与实施例1相类似，不同处为金属薄层是由不锈钢构成，厚度约2.5纳米。所得的反射率图谱如图8所示，计算所得的吸收率与测量所得的放射率如下表1所示。
一般太阳辐射在600至800纳米具有最多的能量强度。太阳能选择性吸收膜需在对太阳的辐射光谱具有良好选择吸收性，最好能够安全吸收在主要能量区600至800纳米的太阳辐射能量。参考实施例1至实施例7得到的反射率图谱图2至图8，可发现本发明的太阳能选择性吸收膜针对600至800纳米的反射率都趋近于0，可见此波长范围的辐射都被吸收而会不会被反射。由图2至图8观察到，在太阳光谱强度较强的辐射波长下相对于原始吸收膜都有较低的反射率，可知本发明的太阳能选择性吸收膜针对能量强度较大的短波长辐射波段具有极佳的吸收效果。根据图2至图8及式(I)计算的吸收率则如表1所示。
表1.太阳能选择性吸收膜在金属薄层溅镀前与溅镀后的吸收率与反射率
由表1可发现，实施例1至实施例7的太阳能选择性吸收膜在金属薄层溅镀后的吸收率都大于溅镀前的吸收率，增加比率在约2％至约5％之间，可见本发明具有金属薄层的太阳能选择性吸收膜的确能提高吸收率。在金属薄层溅镀前与溅镀后的反射率并无变化，可见本发明具有金属薄层的太阳能选择性吸收膜并不会影响低反射率的优点。
再者，本发明的金属薄层只需小于20纳米的厚度即可增加吸收率约2％至5％，所需增加的吸收膜整体厚度低于单纯用增加金属—陶瓷复合吸收层厚度达到相同吸收率所需增加的厚度。在提高吸收率时，本发明的太阳能选择性吸收膜可以节省制作时整体材料需求，并且因所需增加厚度较薄降低了所需制作的时间，因此本发明的太阳能选择性吸收膜能以较低成本获得吸收率的增加，并且无损于低放射率的优点。
权利要求
1.一种提高吸收率的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该太阳能选择性吸收膜包括反射层；形成在该反射层上的辐射吸收层；形成在该辐射吸收层上的抗反射层；以及形成在该抗反射层上的金属薄层。
2.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层的厚度小于20纳米。
3.如权利要求2所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层的厚度小于10纳米。
4.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层的消光系数在波长400至1200纳米的平均值大于1。
5.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层是由铜、银、钨、钛、铝、钽和不锈钢组成的物质组中选择的一种物质制成。
6.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层是经由溅镀制成的。
7.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层是经由物理气相沉积蒸镀制成的。
8.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该金属薄层是经由电镀制成的。
9.如权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于，该辐射吸收层是金属-陶瓷复合式吸收层。
全文摘要
本发明的太阳能选择性吸收膜包括反射层、形成在该反射层上的辐射吸收层、形成在该辐射吸收层上的抗反射层以及形成在该抗反射层上的金属薄层；本发明的太阳能选择性吸收膜的吸收率高，且不会增加其反射率，在不增加金属—陶瓷复合式吸收层的厚度的同时，即可提高该膜的吸收率。本发明的太阳能选择性吸收膜具有制作时间短、使用材料少等特点，使用较少的材料即可达到增加吸收率的效果。
文档编号F24J2/48GK1948553SQ20051011294
公开日2007年4月18日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者张礼凯, 唐震宸, 李天源 申请人:财团法人工业技术研究院