CN103625032A

CN103625032A - 一种中高温太阳能光热选择性吸收涂层

Info

Publication number: CN103625032A
Application number: CN201210308290.7A
Authority: CN
Inventors: 李刚; 孙龙
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明涉及一种太阳能选择性吸收涂层。该涂层沉积在金属基底上，涂层从基底表面向上依次为：粘结过渡层、红外高反射层、高金属含量的金属陶瓷复合薄膜、低金属含量的金属陶瓷复合薄膜、减反射薄膜。本发明所采用的红外高反射层为金属化合物薄膜，该化合物薄膜在红外波段具有高反射率，在太阳光波段具有高的吸收率，同时该化合物薄膜具有高的硬度和抗氧化特性。该金属化合物薄膜所采用的金属与粘结过渡层、金属陶瓷复合薄膜所采用的金属为同一种金属，减少了材料之间的相互污染问题，涂层制备简单。该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率大于95%，半球发射率小于10%；同时该涂层具有良好的热稳定性。

Description

一种中高温太阳能光热选择性吸收涂层

技术领域

本发明涉及一种新型太阳能光热选择性吸收涂层，是当前太阳能槽式光热发电、太阳能空调、海水淡化等太阳能光热利用中的关键技术之一。属于太阳能光热利用技术领域。

背景技术

当前太阳能的中高温光热利用越来越受到人们的重视，其利用方式包括太阳能光热发电、太阳能海水淡化、太阳能加热与干燥、太阳能空调等。而槽式太阳能光热发电是太阳能中高温光热利用的典型代表，在国外已经开始商业化应用，而国内正处于起步阶段，商业化应用前景广阔。而中高温太阳能光热选择性吸收涂层是槽式太阳能光热发电核心部件——太阳能集热管的关键技术。太阳能光热选择性吸收涂层具有在0.3-2.5μm高吸收，在2.5-25μm高反射特性，是直接将太阳光转变成热能，同时又防止辐射损耗的功能性薄膜。为提高太阳能热利用效率，太阳能利用正从中低温（80-300℃）向中高温（300-600℃）发展。

目前已研究和发展的中高温太阳能光热选择性吸收涂层，红外反射层主要采用Au、Cu、Mo等具有高反射率的高温相对稳定金属材料，随工作温度提高和使用时间延长，在高温下易发生扩散和氧化，从而使得发生率升高；其吸收层为难熔金属粒子团簇弥散于陶瓷介质层内的金属陶瓷薄膜，选用的难熔金属材料主要由W、Mo、Au、SS、Pt等，同样难熔金属粒子团簇在高温下易发生氧化、扩散等，从而造成选择性吸收涂层长期在高温下服役其吸收性能下降，甚至失效；此外，一般的太阳能选择性吸收涂层为三种以上材料组成，对于涂层制造设备和制备工艺都提出了较为严格的要求。为此我们提出了一种新型中高温太阳能光热选择性吸收涂层，该涂层制备仅需要两种靶材，在保证高温下高吸收率和的发射率的同时，大大简化了制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中高温应用太阳能光热选择性吸收涂层，它适用于450℃以内各种太阳能光热转换系统，如太阳能光热发电、太阳能空调、太阳能干燥和加热以及海水淡化等。

本发明所涉及的中高温太阳能光热选择性吸收涂层，由吸热基底表面到顶部依次由五层膜组成，涂层的结构具体如下：

基底材料为铜或不锈钢材料。

第一层为粘结过渡层，由2-20nm厚的金属Ti薄膜组成;

第二层为红外反射层，由80-200nm厚的TiN薄膜构成，同时起到阻挡材料散层和阻氢作用；

第三层为高金属含量吸收层，其成分由金属钛颗粒和绝缘介质层组成，该绝缘介质层采用Al₂O₃或SiO₂。该层的厚度为8nm-120nm，金属钛的体积含量为30%-60%；

第四层为低金属含量吸收层，其成分仍由金属钛颗粒和绝缘介质层组成，该绝缘介质层仍采用Al₂O₃或SiO₂。该层的厚度为20nm-150nm，金属钛的体积含量为10%-30%；

第五层为30-200nm厚的减反射层，该减反射层采用Al₂O₃或SiO₂。

本发明所涉及的中高温太阳能光热选择性吸收涂层采用磁控溅射方法制备。

该涂层具有高的吸收率高、低的发射率以及良好的热稳定性，制备工艺简便，适合于工业批量化生产。

本发明优点：

本发明涉及一种新型太阳能选择性吸收涂层，本发明中红外反射层采用TiN薄膜，TiN薄膜在红外波段具有高的反射率，同时在可见波段具有较高的吸收，TiN薄膜又具有高的硬度和抗氧化特性，具有较高的高温稳定性，可以起到抗扩散和阻氢作用；粘结层和金属陶瓷复合薄膜中的金属均采用金属钛，而金属陶瓷薄膜和减反射薄膜中的陶瓷介质材料均采用Al₂O₃或SiO₂，整个涂层在制备过程中仅采用两种靶材，制备工艺简单，避免了采用多种靶材时相互之间的污染问题。

本发明所涉及的太阳能选择性吸收涂层，适用于450℃以内的中高温太阳能集热管。在大气质量因子AM1.5条件下，本发明涂层吸收率大于95%，半球发射率小于10%，该涂层具有良好的热稳定性，可长期在450℃内的真空环境下使用。本发明在太阳能热利用领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明涂层剖面层结构示意图。图中：1、基底材料不锈钢(SS 316L或304)，2、连接层金属钛(Ti)，3、TiN红外反射层，4、高金属含量Ti/Al₂O₃或Ti/SiO₂陶瓷复合涂层，5、低金属含量Ti/Al₂O₃或Ti/SiO₂陶瓷复合涂层，6、Al₂O₃或SiO₂减反射膜。

具体实施方式

一种中高温太阳能光热选择性吸收涂层，涂布在基底上，从基底表面向上依次为粘结层、红外反射层、高金属含量吸收层、低金属含量吸收层、介质减反射层；

粘结层为金属Ti薄膜层；

红外反射层为TiN薄膜层，同时起到扩散阻挡层和渗氢阻挡层作用；

高金属含量吸收层是由金属钛颗粒和绝缘介质组成，所述高金属含量是指金属钛于吸收层中的体积含量为30%-60%；绝缘介质层采用Al2O3或SiO2；

低金属含量吸收层是由金属钛颗粒和绝缘介质组成，所述低金属含量是指金属钛于吸收层中的体积含量为15%-30%；绝缘介质层采用Al2O3或SiO2；

介质减反射层为Al2O3或SiO2。

基底材料为不锈钢或铜等材料。

第一层为粘结层，由2-20nm厚的金属Ti薄膜组成；

第二层为红外反射层，由80-200nm厚的TiN薄膜构成；

第三层为高金属含量吸收层，其成分由金属钛颗粒和绝缘介质层组成，该绝缘介质层采用Al₂O₃或SiO₂。该层的厚度为8nm-80nm，金属钛的体积含量为30%-60%；

第四层为低金属含量吸收层，其成分仍由金属钛颗粒和绝缘介质层组成，该绝缘介质层仍采用Al₂O₃或SiO₂。该层的厚度为20nm-80nm，金属钛的体积含量为15%-30%；

第五层为30-90nm厚的减反射层，该减反射层采用Al₂O₃或SiO₂。

所述高金属含量吸收层和低金属含量吸收层是采用磁控溅射沉积方法制备的，其由金属钛和绝缘介质采用共溅射或交替沉积多亚层方法制备，每一亚层厚度在1-10nm以内；所述绝缘介质为Al2O3或SiO2材料。

本发明涉及一种利用磁控溅射制备的、能在450℃内稳定工作的太阳能选择性吸收涂层。该涂层沉积可沉积在不锈钢、铜、铝等金属基底上，涂层从基底表面向上依次为：粘结过渡层、红外高反射层、高金属含量的金属陶瓷复合薄膜、低金属含量的金属陶瓷复合薄膜、减反射薄膜。与传统的太阳能选择性吸收涂层不同，本发明所涉及的选择性吸收涂层所采用的红外高反射层为金属化合物薄膜，而不是传统的金属薄膜，该化合物薄膜在红外波段具有高反射率，在太阳光波段具有高的吸收率，同时该化合物薄膜具有高的硬度和抗氧化特性。该金属化合物薄膜所采用的金属与粘结过渡层、金属陶瓷复合薄膜所采用的金属为同一种金属，减少了使用多种材料之间的相互污染问题，使得涂层制备简单，对于简化工业化镀膜生产线具有重要意义。

以下实施例为本发明的实施方法，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。

实施例：

结合图1所示的涂层剖面层，涂层制备工艺流程为：（1）使用磁控溅射系统，选用99.8%的Ti靶材、99.99%的Al₂O₃靶材;基体使用316L不锈钢。沉积开始前，将真空室本底真空抽至5×10-4Pa。（2）充入工作气体Ar，调节流量使得真空度稳定于溅射气压0.5Pa,开启Ti靶的中频电源,调节溅射电流为6.0A,占空比为50.0%,偏压电源功率为70w,占空比为30%,制备了10nm的金属Ti作为过渡粘结层。（3）调节N₂气流量为20sccm,再通过调节Ar气流量，使真空度为定于0.5Pa，开启中频电源，溅射电流为10A,占空比为50%，同样偏压电源功率为70w,占空比为30%，溅射120nm的TiN薄膜，作为红外高反射层；（3）关闭N₂,调节Ar流量和O₂流量至溅射气压2.0Pa，其中O₂气流量为200sccm,开启射频电源，调节射频输出功率至2.5KW,溅射Al₂O₃薄膜；开启金属Ti靶的中频电源，调节溅射电流为4A,利用基体的公转，依次通过两个靶材上方，从而沉积成Ti/Al₂O₃交替的亚层结构。其中，第三层即高钛掺杂层，总厚度为8.4nm，钛的体积含量为43.0%（钛的粒径由亚层的厚度决定，亚层的厚度可在1-10nm，而其粒径与亚层的厚度相当），每个周期中Ti的厚度为1.8nm，Al₂O₃的厚度为2.4nm，共两个周期；第四层即低钛掺杂层，总厚度为60.2nm，钛的体积含量为27%，共沉积Ti/Al₂O₃9个周期，每个周期中Ti的厚度为1.8nm（钛的粒径由亚层的厚度决定，亚层的厚度可在1-10nm，而其粒径与亚层的厚度相当），Al₂O₃的厚度为4.87nm。（4）关闭中频电源，继续进行Al₂O₃溅射，制备了46.9nm厚的Al₂O₃减反射层。

制备完成之后，使用Lamada 950紫外/可见/近红外分光光度计和TJ270-300红外分光光度计分别对对涂层在太阳光谱范围内（0.3~3um）和红外辐射波段（2.5~25um）的反射率进行了测试,经过计算得到本实施例涂层的吸收率为95.2%；半球发射率为10.8%。

在大气状态下，经过450℃48小时的恒温处理后，涂层无脱落和龟裂现象，且膜层的吸收率和发射率未发生变化。

从本实施例可以看到，本发明所涉及的太阳能涂层具有高吸收比和低发射率、高温热稳定性好、生产技术简单，易于组织大规模的生产；例如：附着于基底上之后，其可用于中高温太阳能集热管的表面选择性吸收涂层。具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种中高温太阳能光热选择性吸收涂层，制备于金属基底上，从基底表面向上依次为叠合的粘结过渡层、红外反射层、高金属含量吸收层、低金属含量吸收层、减反射层，其特征在于：所述吸收涂层由吸热基底表面到顶部依次由五层膜组成，第一层为粘结过渡层，由金属Ti薄膜组成;第二层为红外反射层，由TiN薄膜构成；第三层为高金属含量吸收层，其成分由金属钛颗粒亚层和绝缘介质亚层依次交替组成，该绝缘介质层采用Al₂O₃或SiO₂，金属钛的体积含量为30％-60％；第四层为低金属含量吸收层，其成分仍其成分由金属钛颗粒亚层和绝缘介质亚层依次交替组成，该绝缘介质层仍采用Al₂O₃或SiO₂，金属钛的体积含量为10％-30％；第五层为减反射层，该减反射层采用Al₂O₃或SiO₂。

2.如权利要求1所述的中高温太阳能光热选择性吸收涂层，其特征在于：基底材料为铝、铜或不锈钢材料，涂层沉积在金属基底上。

3.如权利要求1所述的中高温太阳能光热选择性吸收涂层，其特征在于：第一层为粘结过渡层，由2-20nm厚的金属Ti薄膜组成;第二层为红外反射层，由80-200nm厚的TiN薄膜构成，同时起到阻挡材料散层和阻氢作用；第三层为高金属含量吸收层，其成分由金属钛颗粒亚层和绝缘介质亚层依次交替组成，该绝缘介质层采用Al₂O₃或SiO₂材料；该层的厚度为8nm-120nm，金属钛的体积含量为30％-60％；第四层为低金属含量吸收层，其成分仍其成分由金属钛颗粒亚层和绝缘介质亚层依次交替组成，该绝缘介质层仍采用Al₂O₃或SiO₂材料；该层的厚度为20nm-150nm，金属钛的体积含量为10％-30％；第五层为30-200nm厚的减反射层，该减反射层采用Al₂O₃或SiO₂材料。

4.如权利要求1、2或3所述的中高温太阳能光热选择性吸收涂层，其特征在于：所述高金属含量吸收层和低金属含量吸收层是采用磁控溅射沉积方法制备的，其由金属钛和绝缘介质采用共溅射或交替沉积多亚层方法制备，每一亚层厚度在1-10nm以内；所述绝缘介质为Al₂O₃或SiO₂材料。