專利名稱：一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能選擇性吸收涂層主要由三部分組成最靠近基材的是紅外高反射金屬層，向 外依次為吸收層和減反層，金屬層選用良導(dǎo)電性金屬材料如鋁、銅、銀等金屬。吸收層 由若干層金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜組成，為納米級(jí)金屬粒子均布在介質(zhì)材料中，其光學(xué) 特性可以控制在金屬和介質(zhì)的中間狀態(tài)，靠近金屬底層的吸收層亞層具有高的折射率和 消光系數(shù)，隨著各吸收亞層中金屬含量的降低，其折射率和消光系數(shù)也逐漸減小。減反 層采用低折射率和低消光系數(shù)材料，盡可能減小對(duì)光的反射，獲得優(yōu)良的選擇性吸收性 能。因此，制備一種優(yōu)良的選擇性吸收涂層關(guān)鍵在于選擇具有較佳的太陽(yáng)光譜選擇性的 材料。
發(fā)明專利CN1056159A描述了一種AlNxOy選擇性吸收涂層，以單靶鋁為陰極，通過(guò) 調(diào)整N2和02混合氣體流量來(lái)改變薄膜材料中Al的含量，該涂層太陽(yáng)吸收比 a=0.90~0.94， s=0.07~0.12。該涂層用Al作為吸收層中的金屬成分，因Al原子容易遷移 和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成吸收層組分變化，涂層光學(xué)性能發(fā)生衰變，僅能在真空環(huán)境中使 用。
發(fā)明專利CN1360084A涉及到一種太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層，該涂層是在N2+02 氣氛中濺射而成的鋁氮氧+鈦氮氧一鋁鈦，減反層為鋁氮氧+鈦氮氧膜。鈦靶與鋁靶作為 其濺射用靶材。
DE3522427A1涉及到一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層是利用磁控濺射技術(shù)制 備鈦氮氧TiNO薄膜材料，通過(guò)調(diào)控N2和02的流量來(lái)調(diào)節(jié)薄膜中金屬含量，從而得到 不同的電學(xué)、物化性能，可適用于不同用途。該發(fā)明專利中選用金屬鈦制備吸收涂層中 的金屬，成本相對(duì)較高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及制備 方法，本發(fā)明之涂層在制備工藝方面易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡(jiǎn)單，適用于中低溫度環(huán)境條件下的 真空或者空氣中，涂層性能穩(wěn)定。
4為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是 一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，依次主要 由紅外高反射金屬層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層、減反射層組成，所述吸收層由金屬一介質(zhì)復(fù) 合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜用式表示為SS-Ox—AlNy0z，所述金屬一介 質(zhì)復(fù)合材料薄膜表由金屬SS分子團(tuán)、SS與O結(jié)合形成的少量氧化物、及介質(zhì)AlNyOz組成。
所述的減反射層介質(zhì)材料薄膜用式表示為AlNiOj。
所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料中各物質(zhì)的摩爾百分含量為Al為22~35摩爾Y。，N為15~33 摩爾％， O為16 55摩爾％， Fe為6~16摩爾％， Cr為1~4摩爾％，其余為Ni及雜質(zhì)成分。
所述的擴(kuò)散阻擋層的材料可以任意選擇，如A1或A1N，用于阻止紅外高反射層金屬與 吸收層之間金屬原子相互擴(kuò)散和遷移，優(yōu)選厚度為20~25nm。
所述的紅外高反射金屬層采用具有較低發(fā)射比e的金屬薄膜材料，如鋁、銅、銀等， 其厚度為100 300nrn。
所述的介質(zhì)材料薄膜AlN,Oj中各物質(zhì)的摩爾百分含量為Al為48 55摩爾％， N為 6~20摩爾％， O為25~41摩爾％。
所述的減反射層介質(zhì)材料薄膜AlNiOj的厚度為40 80nm。
所述的吸收層是由2~4個(gè)不同金屬含量的吸收層亞層組成，所述吸收層的厚度為 70-160nm。
所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料的金屬材料制備所需靶材為不銹鋼靶材。優(yōu)選為奧氏體不銹 鋼靶材。例如1Crl8Ni9Ti，其主要成分及重量百分比分別為Cr《17%~19%，Ni《8. 0%~11. 0°/0， C《0. 12%， Si《1.00%， Mn《2. 00%， P《0. 035% ， S《0. 030%，其余為Fe和偶存成分。
本發(fā)明提供的另一個(gè)技術(shù)方案是制備太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的方法，包括以下步驟
(1) 在基材上沉積紅外高反射金屬層基材為玻璃或經(jīng)拋光處理的金屬表面；
(2) 沉積擴(kuò)散阻擋層如A1或A1N;
(3) 沉積吸收層吸收層為2~4層具有不同金屬含量的吸收亞層結(jié)構(gòu)；在濺射氣體氬 氣中，通入氮氧混合氣，氮氧摩爾比在100: 0~80: 20之間，以鋁靶和不銹鋼靶為陰極， 采用真空鍍膜技術(shù)，反應(yīng)濺射沉積金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜；鋁靶與不銹鋼靶同時(shí)濺射， 鋁耙反應(yīng)濺射生成介質(zhì)AlNyOz，不銹鋼靶濺射生成金屬SS分子團(tuán)，通過(guò)控制氮氧混合氣的
進(jìn)入量以及氧氣在混合氣中的量，使不銹鋼靶部分發(fā)生反應(yīng)濺射生成少量的SS氧化物；
通過(guò)調(diào)整不銹鋼陰極的濺射功率，使得吸收亞層中的金屬含量沿著遠(yuǎn)離基材的方向減少；
(4) 沉積減反射層在氮?dú)馀c氧氣以摩爾比100: 0~80: 20混合的氣氛中，以金屬鋁為
陰極，采用真空鍍膜技術(shù)反應(yīng)濺射沉積AlNiOj薄膜。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明之涂層在制備工藝方面易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡(jiǎn)單，適用于中 低溫度環(huán)境條件下的真空或者空氣中，涂層性能穩(wěn)定。涂層的太陽(yáng)吸收比大于0.92，涂層 發(fā)射比小于等于0.08。
圖1為太陽(yáng)能選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)示意圖2為鍍膜機(jī)的真空室示意圖。
圖3為AlNjOj膜層X(jué)PS全譜。
圖4為SS-Ox—AlNyOz膜層X(jué)PS全譜及Fe2p的窄譜。
圖5為Cu/Al/SS廠Oxl—AlNy!0z!/SS2-0x2—AlNy20z2/AlNi0j選擇性吸收涂層反射比譜值的
圖6 Cu/Al/SS「0xl—AlNyl0zl/SS2-0x2—AlNy20z2/ SS3-0x3—AlNy3Oz3 / SS4-0x4—AlNy40z4 /AlNiOj選擇性吸收涂層反射比譜值的測(cè)量值。
參見(jiàn)圖l，在基材或工件6上依次沉積紅外高反射金屬層1、擴(kuò)散阻擋層2、吸收層3 和減反射層4。
參見(jiàn)圖3和圖4，采用X射線光電子能譜(XPS)分析減反層及吸收亞層薄膜材料中的 化學(xué)成分及含量。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。 實(shí)施例1
在玻璃管上沉積Cu/Al/SS「0xl_AlNyl0zl/SS2-0x2—AlNy20z2/AlNj0j選擇性吸收涂層 在圖2所示的圓柱磁控濺射鍍膜機(jī)真空室中，工件6為玻璃管，能夠自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，當(dāng) 真空度達(dá)l(^Pa時(shí)，從氬氣進(jìn)氣管7充入純氬氣，工作壓強(qiáng)在0.20Pa， Cu耙ll直流濺射 沉積Cu金屬層，功率為16KW，時(shí)間6分鐘，用美國(guó)Veeco公司的Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試其 厚度為150nm;接著直流濺射Al靶，沉積Al膜作為擴(kuò)散阻擋層，功率12KW,時(shí)間30秒， 用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試Al膜厚度為22nm;接著調(diào)整氬氣流量，使工作壓強(qiáng)為0. 40Pa， 按照氮氧摩爾比近似為97: 3， &流量為129SCCM， 02流量為4SCCM，經(jīng)充分混合后從另一 個(gè)氣管8充入到真空室內(nèi)；Al靶9直流濺射功率為12KW， SS靶10直流濺射功率8. 5KW, 濺射5分鐘，沉積第一吸收亞層SSrC^—AlNyiC^，用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試其厚度為膜 厚45nm;接著調(diào)整N2流量為104SCCM， 02流量為3. 2SCCM， Al靶濺射功率不變，SS耙功率為4kw，濺射7分鐘，沉積第二吸收亞層SS2-Ox2—AlNy2Oz2，用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè) 試其厚度為65nm。最后在N2流量為84SCCM， 02流量為2. 6SCCM，壓強(qiáng)為0. 40 Pa的氣氛 中，Al靶濺射沉積AlNiOj介質(zhì)薄膜，功率IOKW，時(shí)間為15分鐘，用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè) 試其厚度為65nm。SS靶材選用1Crl8Ni9Ti，其主要成分及重量百分比分別為Cr《17%~19%， Ni《8. 0%~11. 0%， C《0. 12%， Si《1.00%， Mn《2. 00%， P《0. 035% ， S《0. 030%,其余為 Fe和偶存成分。
使用X射線光電子能譜分析AlNiOj薄膜各物質(zhì)的摩爾百分含量，見(jiàn)圖3，結(jié)果為Al 為54摩爾y。，N為16摩爾％， 0為30摩爾％。使用X射線光電子能譜分析SS2-Ox—AlNy20z2 薄膜中各物質(zhì)的摩爾百分含量，見(jiàn)圖4，結(jié)果為八1為24摩爾％， N為17摩爾M， 0為 46摩爾％， Fe為10摩爾％， Cr為2摩爾％， Ni為1摩爾％，其余為雜質(zhì)成分。
使用UV3101PC、 UV-VIS-NIR分光光度計(jì)(0.3-2.6um)，測(cè)太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在 0. 3-2. 6um太陽(yáng)能光譜范圍內(nèi)的反射比譜值，結(jié)果見(jiàn)圖5，經(jīng)計(jì)算得到太陽(yáng)吸收比a =0. 95， 使用TJ270-30紅外分光光度計(jì)(2. 5-25um)，測(cè)量制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在2. 5-25um 紅外光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，計(jì)算得到涂層發(fā)射比e=0.06。
實(shí)施例2
以拋光的不銹鋼片作為基材，沉積Cu/A1/ SS廠Oxl—AlNylOzl/ SSr0x2—AlNy20z2/ SS廠Ox3—AlNy30z3/ SS4-Ox4—AlNy4Oz4/AlNiOj選擇性吸收涂層
如圖2所示的圓柱磁控濺射鍍膜機(jī)真空室中，基材不銹鋼片固定在工件6上，當(dāng)真空 度達(dá)10—spa時(shí)，從氬氣進(jìn)氣管7充入純氬氣，工作壓強(qiáng)在0. 20Pa， Cu靶l(wèi)l直流濺射沉積 Cu金屬層，時(shí)間6分鐘，功率16KW，用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試其厚度為150nm;接著Al靶 直流濺射沉積Al膜作為擴(kuò)散阻擋層，功率12KW，時(shí)間30秒，用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試其 厚度為22nm;然后調(diào)整氬氣流量使工作壓強(qiáng)保持0. 40Pa，按照氮氧摩爾比近似為85: 15， N2流量為68SCCM， 02流量為12SCCM。經(jīng)充分混合后從另一個(gè)氣管8充入到真空室內(nèi)，Al 靶9直流濺射功率16KW， SS靶10直流濺射功率8. 4KW，濺射2分鐘沉積第一吸收亞層 SS廣Ox!—AlNy!C^，膜厚用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試為28nra;接著調(diào)整N2流量為62SCCM, 02流量為10. 9SCCM， SS靶功率為6. lkw，濺射沉積第二吸收亞層SS2-Ox2—AIN^C^,時(shí) 間為3分鐘，用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試其厚度為32nm。接著調(diào)整N2流量為57SCCM, 02流 量為IOSCCM，SS靶功率為4.3kw，濺射時(shí)間為4分40秒，沉積第三吸收亞層
7SS3-Ox3—AlNy30z3，膜厚36nm。然后調(diào)整N2流量為45SCCM， 02流量為7. 9SCCM， SS靶 功率為2.5kw，時(shí)間5分鐘，沉積第四吸收亞層SS4-Ox4—AlNy40z4，用Dektak 6M臺(tái)階儀 測(cè)試膜厚為22nm。最后在N2流量為855SCCM， 02流量為15SCCM， Al靶濺射功率16KW，時(shí) 間12分鐘，沉積AlNiOj介質(zhì)膜，厚度用Dektak 6M臺(tái)階儀測(cè)試為62nm。 SS靶材選用奧氏 體不銹鋼。
使用UV3101PC、 UV-VIS-NIR分光光度計(jì)(0. 3~2. 6 y m)，測(cè)太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在 0.3-2.6um太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的反射比譜值，結(jié)果見(jiàn)圖6，經(jīng)計(jì)算得到太陽(yáng)吸收比a =0. 960， 使用TJ270-30紅外分光光度計(jì)(2. 5~25nm)，測(cè)量涂層在2. 5 25 w m紅外光譜范圍內(nèi)的 反射比譜值R，計(jì)算得到涂層發(fā)射比￡=0.08。
以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在 本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，依次主要由紅外高反射金屬層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層、減反射層組成，其特征在于所述吸收層由金屬-介質(zhì)復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬-介質(zhì)復(fù)合材料薄膜用式表示為SS-Ox-AlNyOz，所述金屬-介質(zhì)復(fù)合材料薄膜由金屬SS分子團(tuán)、SS與O結(jié)合形成的少量氧化物、及介質(zhì)AlNyOz組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的減反射層介 質(zhì)材料薄膜用式表示為AlNiOj。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述金屬一介質(zhì)復(fù) 合材料中各物質(zhì)的摩爾百分含量為Al為22 35摩爾％， N為15~33摩爾％， O為16~55 摩爾％, Fe為6~16摩爾％， Cr為1 4摩爾％，其余為Ni及雜質(zhì)成分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的擴(kuò)散阻擋層的材料為Al或A1N，其厚度為20~25nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的紅外高反射 金屬層采用具有較低發(fā)射比e的金屬薄膜材料Cu或者Al，其厚度為100 300rnn。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的介質(zhì)材料薄 膜AlNiOj中各物質(zhì)的摩爾百分含量為Al為48~55摩爾％， N為6~20摩爾％， O為25~41 摩爾％。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的減反射層介 質(zhì)材料薄膜AlNi0j的厚度為40~80nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的吸 收層是由2-4個(gè)不同金屬含量的吸收層亞層組成，所述吸收層的厚度為70 160nrn。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料的金屬材料制備所需靶材為奧氏體不銹鋼靶材。
10. 制備權(quán)利要求6所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的方法，包括以下的步驟(1) 在基材上沉積紅外高反射金屬層基材為玻璃或經(jīng)拋光處理的金屬表面；(2) 沉積擴(kuò)散阻擋層如A1或A1N;(3) 沉積吸收層吸收層為2~4層具有不同金屬含量的吸收亞層結(jié)構(gòu)；在濺射氣體氬 氣中，通入氮氧混合氣，氮氧摩爾比在100: 0~80: 20之間，以鋁靶和不銹鋼靶為陰極， 采用真空鍍膜技術(shù)，反應(yīng)濺射沉積金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜；鋁靶與不銹鋼靶同時(shí)濺射，鋁靶反應(yīng)濺射生成介質(zhì)AlNy0z，不銹鋼靶濺射生成金屬SS分子團(tuán)，通過(guò)控制氮氧混合氣的進(jìn)入量以及氧氣在混合氣中的量，使不銹鋼靶部分發(fā)生反應(yīng)濺射生成少量的SS氧化物； 通過(guò)調(diào)整不銹鋼陰極的濺射功率，使得吸收亞層中的金屬含量沿著遠(yuǎn)離基材的方向減少；(4)沉積減反射層在氮?dú)馀c氧氣以摩爾比100: 0~80: 20混合的氣氛中，以金屬鋁為 陰極，采用真空鍍膜技術(shù)反應(yīng)濺射沉積AlN,Oj薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，依次主要由紅外高反射金屬層，擴(kuò)散阻擋層、吸收層、減反射層組成，所述吸收層由金屬—介質(zhì)復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬—介質(zhì)復(fù)合材料薄膜用式表示為SS-O<sub>x</sub>—AlN<sub>y</sub>O<sub>z</sub>，所述金屬—介質(zhì)復(fù)合材料薄膜表由金屬SS分子團(tuán)、SS與O結(jié)合形成的微量氧化物、及介質(zhì)AlN<sub>y</sub>O<sub>z</sub>組成。所述的減反射層介質(zhì)材料薄膜用式表示為AlN<sub>i</sub>O<sub>j</sub>。本發(fā)明的涂層在制備工藝方面易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡(jiǎn)單。該涂層適用于中低溫度環(huán)境條件下真空或空氣中使用，涂層性能穩(wěn)定。并且涂層的太陽(yáng)吸收比α大于0.92，涂層發(fā)射比小于等于0.08。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101660117SQ20091017604
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者劉建民, 王智建, 都娜麗 申請(qǐng)人:皇明太陽(yáng)能集團(tuán)有限公司