一种耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能选择性吸收涂层领域，具体地，涉及一种耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术：

能源工业是评价一个国家的国民经济的重要指标，对于社会、人民生活质量的提高有着重要的作用。随着能源工业的兴起，环境污染也随之出现。因此，亟需寻找一种符合时代和环境要求的新型能源。

在当前社会，人们已经寻求到并开始利用的清洁能源有风能、水能、地热能、核能、太阳能等等。由于考虑到核能的安全性存在很大的缺陷，因此核能的利用受到了极大的阻碍。而风能和水能虽然利用广泛，但其也会受天气的影响。太阳能作为一种用之不竭，取之不竭的时代新型能源具有非常大的应用潜能，而且用途适合普通人民的需求，对于推动国民经济具有非常大的作用。据数据分析，全国各地太阳年辖射总量高达3340～8400mj/m²，虽然地球表面能接受如此客观的能量，但人类对太阳能的利用效率却非常低。因此，提高太阳能的利用效率可以间接性提高国民经济。

太阳能选择性吸收涂层是太阳能集热器的关键部位，选择良好的吸收涂层是提高太阳能利用效率的前提，优化选择性吸收涂层的结构是提高太阳能利用效率的关键。根据温度来分类，太阳能选择性吸收涂层可分为低温、中温、和高温选择性吸收涂层，其中低温选择性吸收涂层应用于太阳能热水器，中温太阳能选择性吸收涂层应用于大型太阳能热水器，高温选择性吸收涂层应用于太阳能发电装置上。

为了提高太阳能的利用效率，亟需研发一种耐高温选择性吸收涂层及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，本发明提供的太阳能选择性吸收涂层在高温的苛刻环境下依然能够保持较好的吸收率和较低的发射率，还具有较长的使用寿命。

本发明的另一目的在于提供上述涂层的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述耐高温太阳能选择性吸收涂层在太阳能热水器中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，所述耐高温太阳能选择性吸收涂层由基体到涂层表面依次设置有红外反射层、吸收层和减反层，所述吸收层包括高金属体积分数复合层hmvf和低金属体积分数复合层lmvf，所述复合层由mosi2层和si3n4层交替沉积而得，所述高金属体积分数复合层hmvf的mosi2填充系数为40~60%，所述低金属体积分数复合层lmvf的mosi2填充系数为10~20%。

本发明将吸收层设计为金属渐变型涂层的目的在于提高其对波长的吸收效率，从而提高太阳能的利用效率。

优选地，所述高金属体积分数复合层hmvf中，单层mosi2层的厚度为5~15nm，单层si3n4层的厚度为15~25nm。

优选地，所述低金属体积分数复合层中，单层mosi2层的厚度为2-6nm，单层si3n4层的厚度为20~30nm。

优选地，所述吸收层总厚度为60~250nm。

优选地，使用ag作为红外反射层；所述红外反射层的厚度为80~120nm。基体由于受热而发射出红外或远红外波长的光线，能量的散发对太阳能的利用会大大的削减。选用ag作为红外反射层，由于金属的特性，ag红外反射层在红外波长或远红外波长外具有非常高的反射率，可减少基体受热而发射出来的红外波长的光线。此特征对于提高太阳能利用效率具有极其重要的作用。

优选地，使用si3n4作为减反层，所述减反层的厚度为40~60nm。减反层的设计对于涂层的吸收率和使用寿命在一定程度上得到改善，si3n4是一种耐高温的陶瓷材料，对于提高涂层的抗高温能力有着显著的效果。此外，si3n4具有较大的禁带宽度，对于可见光波长和较长波长则会透过减反层达到吸收层。因此si3n4在本发明设计的涂层中还具有增透的作用，对于提高太阳能的利用效率也有极其重要作用。

在本发明中，优选地，所述耐高温太阳能选择性吸收涂层的结构为ag/mosi2-si3n4（hmvl）/mosi2-si3n4（lmvl）/si3n4。

本发明同时保护上述耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，所述方法如下：

采用物理气相沉积法依次在基体表面沉积红外反射层、高金属体积分数复合层hmvf、低金属体积分数复合层lmvf和减反层。

优选地，所述物理气相沉积法为磁控溅射法。

上述耐高温太阳能选择性吸收涂层在太阳能热水器中的应用也在本发明的保护范围之内。

本发明还提供了所述太阳能选择性吸收涂层的高温氧化性能的测试方法，具体的老化测试条件如下：真空度为0.2pa，升温速率为3℃/min，老化时间为10h、60h、200h、300h。

经过长时间老化测试，结果表明，本发明提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层的吸收率和发射率并没有明显地改变。这明本发明提供的太阳能选择性吸收涂层具有较好的抗高温氧化性能，在长时间高温氧化后保持良好的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层为多层纳米复合结构，其在高温的苛刻环境下依然能够保持良好的稳定性、较好的吸收率和较低的发射率；该太阳能选择性吸收涂层在700℃真空高温300多小时退火后依然保持良好的光学性能，吸收率和发射率分别达到0.94和0.04；另外，本发明提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层还具有较长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层结构示意图，其中（1）为ag红外反射层；（2）为mosi2-si3n4高金属填充层；（3）为mosi2-si3n4低金属填充层；（4）为si3n4减反层；

图2本实施例提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层经过700^oc真空高温老化300小时后的反射光谱图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。

实施例1

一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，其制备方法如下：

（1）将不锈钢基体使用丙酮和无水乙醇在超声波清洗器各超声10min，再用干燥洁净的压缩空气吹干。

（2）将预处理后的基体均匀固定在支架上，间距20mm，装入真空室内，工件支架转速为5rpm。

（3）抽本底真空至5×10^-3pa并加热至500℃，通入ar气使得腔室压强为1.0pa，调整偏压为800v进行溅射清洗5min，随后降温至300℃。

（4）然后开启ag磁控靶材，调整ar气压保持在0.9pa，开启直流电源并调整溅射功率为20w，沉积速率为5nm/min，在不锈钢基体表面沉积一层厚度为100nm的ag红外反射层。

（5）关闭ag靶材，交替沉积mosi2和si3n4层三个周期。其中mosi2层在ar气，压强为0.9pa下由mo磁靶材和si磁控靶材溅射而得。mo靶材采用直流电源，溅射功率为30w；si靶材采用射频电源，溅射功率为90w，所述的mosi2单层厚度为12nm。si3n4层在n2气压强为0.9pa下沉积，si射频溅射功率为90w，所述的si3n4单层厚度为15nm。

（6）在高金属体积分数纳米复合层表面，交替沉积mosi2和si3n4层两个周期。其中mosi2层在ar气，压强为0.9pa下由mo磁靶材和si磁控靶材溅射而得。mo靶材采用直流电源，溅射功率为30w；si靶材采用射频电源，溅射功率为90w，所述的mosi2单层厚度为3nm。si3n4层在n2气压强为0.9pa下沉积，si射频溅射功率为90w，所述的si3n4单层厚度为25nm。

（7）关闭mo靶材和直流电源，调整n2气压为0.9pa,射频电源功率为89w，在吸收层表面沉积一层厚度为50nm的si3n4减反层。

（8）关闭si靶材和射频电源，待温度降至室温取出样品。

图1为本实施例提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层结构示意图，其中（1）为ag红外反射层；（2）为mosi2-si3n4高金属填充层；（3）为mosi2-si3n4低金属填充层；（4）为si3n4减反层。

图2为本实施例提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层经过700℃真空高温老化300小时后的反射光谱图，经过理论计算可以发现吸收率和发射率分别达到0.94和0.04，具有良好的选择性吸收特性。

本发明还对上述太阳能选择性吸收涂层进行了高温老化测试，具体如下：

ⅰ在真空环境下进行10h、700℃的高温退火

(1)将样品用丙酮和乙醇在超声波清洗机上各超声10min，用干净的压缩空气吹干。

(2)将预处理后的样品放进真空管式炉中，并抽至真空10^-2pa。

(3)通入ar气，调整气压为0.2pa，并通流10min后加热。

(4)调整升温速率为3℃/min，加热至700℃并保持10h。

(5)待温度降到室温后取出。

根据以上的退火老化测试，光学测试结果表明，吸收率为0.96，发射率为0.03。与退火前的吸收率和发射率并没有明显的变化，说明本发明提供的涂层可在700℃保持良好稳定性。

ⅱ在真空环境下进行60h、700℃的高温退火

(1)将样品用丙酮和乙醇在超声波清洗机上各超声10min，用干净的压缩空气吹干。

(2)将预处理后的样品放进真空管式炉中，并抽至真空10^-2pa。

(3)通入ar气，调整气压为0.2pa，并通流10min后加热。

(4)调整升温速率为3℃/min，加热至700℃并保持60h。

(5)待温度降到室温后取出。

根据以上的退火老化测试，光学测试结果表明，吸收率为0.96，发射率为0.04。与退火前的吸收率和发射率也没有明显的变化，说明本发明提供的涂层具有非常好的稳定性。

ⅲ在真空环境下进行200h、700℃的高温退火

(1)将样品用丙酮和乙醇在超声波清洗机上各超声10min，用干净的压缩空气吹干。

(2)将预处理后的样品放进真空管式炉中，并抽至真空10^-2pa。

(3)通入ar气，调整气压为0.2pa，并通流10min后加热。

(4)调整升温速率为3℃/min，加热至600℃并保持200h。

(5)待温度降到室温后取出。

根据以上的退火老化测试，光学测试结果表明，吸收率为0.95，发射率为0.04。与退火前的吸收率和发射率也没有明显的变化，说明本发明提供的涂层具有较好的使用寿命。

ⅳ在真空环境下进行300h、700℃的高温退火

(1)将样品用丙酮和乙醇在超声波清洗机上各超声10min，用干净的压缩空气吹干。

(2)将预处理后的样品放进真空管式炉中，并抽至真空10^-2pa。

(3)通入ar气，调整气压为0.2pa，并通流10min后加热。

(4)调整升温速率为3℃/min，加热至600℃并保持300h。

(5)待温度降到室温后取出。

根据以上的退火老化测试，光学测试结果表明，吸收率为0.94，发射率为0.04。与退火前的吸收率和发射率也没有明显的变化，说明本发明提供的涂层具有非常好的稳定性以及较长的使用寿命，可应用于实际生活中。

综上，本发明提供的太阳能选择性吸收涂层在700℃的高温环境下依然保持良好的稳定性。经过长时间高温老化测试，其吸收率和发射率并没有明显的改变。这表明本发明提供的太阳能选择性吸收涂层具有非常大的应用潜能，有望实现在热水器上的应用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。