一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法

本发明属于新能源及节能，具体为一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法。

背景技术：

1、如今随着人民对美好生活的向往，家庭和工业建筑在制冷上的需求不断增加，而空调等制冷设备也加速了化石燃料的消耗和全球变暖进程。此外，如太阳能电池等电子器件在高温下也会降低效率和寿命。由于外太空的环境温度极低，仅为大约3 k，辐射冷却就是把制冷对象携带的热量以热辐射的形式排放到外太空。辐射冷却作为一种能解决温室效应的被动制冷方式，在如今获得了广泛的关注。

2、辐射冷却的基本原理是基于大气层在波长8~13 μm范围内的透过率很高，通过大气窗口（即波长8~13 μm范围）向外太空散热。而日间辐射冷却技术需要同时在太阳光谱250~2500 nm 范围达到高反射以及在8~13 μm光谱范围达到高吸收（辐射）。

3、辐射冷却所使用的材料，需要在8~13μm内有高吸收率，常用的材料有氧化物、氮化物和高分子聚合物等。高分子聚合物如聚氟乙烯（pvf）、聚氯乙烯（pvc）等，具有工艺成熟、成本低、易于大规模制备等优点，缺点是使用寿命较短。无机物辐射冷却材料如二氧化硅、氮氧化硅等，优点是工艺成熟、易于大规模制备，相比有机物更加坚固、寿命长。

4、目前的辐射冷却薄膜结构分为很多种。超表面结构是在表面通过光刻、刻蚀、纳米压印等方式增强或优化材料的反射与吸收光谱。微纳颗粒和微纳孔洞结构通常是微纳尺度的颗粒和孔洞结构在材料内随机分布，与体材料相比，微纳颗粒和微纳孔洞结构可以通过改变颗粒和孔洞的尺度、密度等因素，形成理想的结构以提高材料的辐射冷却性能。

5、由于8~13 μm波长的光谱范围非常宽，不同材料的折射率 n、消光系数 k值在此范围内变化很大，导致在此波段高吸收膜的设计难度很大。此外，由于在8~13 μm范围达到高吸收通常需要较厚的膜层，而厚度的增加也会使太阳光谱的吸收率增加，因此给日间辐射冷却器件在太阳光谱反射率的设计和优化造成了很大的难度。本发明试图克服以上困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法。本发明通过对特定工艺条件下制备的金属与介质薄膜进行精确表征，获得可靠的薄膜材料光学常数，进而优化设计并制作出性能优异的辐射冷却薄膜器件。在设计中，通过改变多层膜的材料、层数以及厚度等参数，优化薄膜在太阳光谱波段的反射率以及大气窗口波段的辐射率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明提供了一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其由衬底及衬底上方依次镀制的金属反射层、介质粘合层和选择性干涉吸收层构成；所述选择性干涉吸收层由非规整厚度的高折射率材料膜层、低折射率材料膜层交替堆叠而得。

4、上述器件在功能设计上，金属反射层采用合适的金属材料，用于实现薄膜器件在250~2500 nm波段高反射；选择性干涉吸收层采用氧化物介质材料，用于实现薄膜器件在8~13 μm波段高辐射率；介质粘合层，用于提高选择性干涉吸收层和金属反射层之间的结合力。

5、可选地，所述衬底材料为si或者玻璃。

6、可选地，所述金属反射层材料为ag、al、cu中的任一种，厚度在100~200 nm之间。

7、可选地，所述介质粘合层材料为al2o3，厚度在50~100nm之间。

8、可选地，所述选择性干涉吸收层中，高折射率材料为ta2o5、hfo2或al2o3中的任一种，低折射率材料为sio2；低折射率材料膜层厚度在50~1000 nm之间，高折射率材料膜层厚度在100~500 nm之间。

9、本发明还提供一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件的制备方法，包括以下步骤：

10、1.选取合适的金属和氧化物介质薄膜材料，采用特定薄膜生长工艺条件，在衬底上分别制备金属薄膜和氧化物介质薄膜；

11、2．获取所述特定工艺条件制备的金属薄膜和氧化物介质薄膜在太阳光谱区250~2500 nm）及大气窗口光谱区（8~13 μm）的光学常数；

12、3.根据所述光学常数，优化设计具有日间辐射冷却功能的薄膜器件膜系；

13、4.根据所述薄膜器件膜系，采用所述特定薄膜生长工艺条件，制备辐射冷却薄膜器件。

14、可选地，所述特定薄膜生长工艺条件采用电子束蒸发或电阻热蒸发工艺，氧化物介质膜层镀制时均采用离子束辅助。

15、和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、1. 通过对特定工艺条件下制备的金属与介质薄膜进行精确表征，获得可靠的薄膜材料光学常数，基于此优化设计并制作出辐射冷却薄膜器件，可使器件具有更薄的膜层厚度以及更高的辐射冷却效率。

17、2. 相比传统的辐射冷却薄膜器件，本发明通过在金属反射层与选择性干涉吸收层之间增加介质粘合层，可提升薄膜器件力学性能，具有高环境可靠性、长寿命等优点。

18、3. 本发明辐射冷却薄膜器件采用金属与氧化物介质薄膜材料，工艺可操作性强，同时具有低成本、易于推广等优点。

技术特征：

1.一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其特征在于，其由衬底及衬底上方依次镀制的金属反射层、介质粘合层和选择性干涉吸收层构成；所述选择性干涉吸收层由非规整厚度的高折射率材料膜层、低折射率材料膜层交替堆叠而得。

2.根据权利要求1所述的多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其特征在于，衬底材料为si或者玻璃。

3. 根据权利要求1所述的多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其特征在于，金属反射层材料为ag、al或cu中的任一种，厚度在100~200 nm之间。

4. 根据权利要求1所述的多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其特征在于，介质粘合层材料为al2o3，厚度在50~100 nm之间。

5. 根据权利要求1所述的多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其特征在于，高折射率材料为ta2o5、hfo2或al2o3中的任一种，高折射率材料膜层厚度在100~500 nm之间；所述低折射率材料为sio2，低折射率材料膜层厚度在50~1000 nm之间。

6.根据权利要求1所述的多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其特征在于，选择性干涉吸收层为6~9层膜结构。

7.一种根据权利要求1所述的多层膜结构的辐射冷却薄膜器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，特定薄膜生长工艺采用电子束蒸发或电阻热蒸发工艺，氧化物介质膜层镀制时均采用离子束辅助。

技术总结
本发明属于新能源及节能技术领域，具体为一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法。该辐射冷却薄膜器件由衬底及衬底上方依次镀制的金属反射层、介质粘合层和选择性干涉吸收层构成；金属反射层用于实现薄膜器件在250~2500 nm波段高反射；选择性干涉吸收层为非规整厚度的高、低折射率膜层交替堆叠，用于实现薄膜器件在8~13μm波段高辐射率；介质粘合层用于提高选择性干涉吸收层和金属反射层之间结合力；本发明通过对特定工艺条件下制备的金属与介质薄膜进行精确表征，获得可靠的薄膜材料光学常数，进而优化设计并制作出性能优异的辐射冷却薄膜器件。本发明辐射冷却薄膜器件具有结构简单，工艺可操作性强、效率高等优点。

技术研发人员：张钰山,刘保剑,段微波,张昊天,蔡清元,杨雨婷,余德明,孙晓洁,李常海,彭磊,孔珊珊,郑玉祥
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8