專利名稱：一種菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層及其制備方法，尤其是關(guān)于一種 菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽(yáng)能熱利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是世界公認(rèn)的潛力巨大的清潔能源，將太陽(yáng)能作為一種能源和動(dòng)力加以 利用，人類已經(jīng)有300多年的歷史。近年來(lái)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著常規(guī)化石能源的 日見(jiàn)枯竭，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染而又來(lái)源巨大的能源，逐漸成為新能源研發(fā)的重點(diǎn)， 世界各國(guó)對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用投入了大量的人力和物力。
目前世界上太陽(yáng)能發(fā)電分為光伏發(fā)電和聚熱發(fā)電兩種方式。經(jīng)過(guò)世界上各國(guó)的持 續(xù)研究，光伏發(fā)電已經(jīng)形成成熟技術(shù)，而聚熱發(fā)電還處于起步階段。但是光伏發(fā)電成本高、 轉(zhuǎn)化率低、存儲(chǔ)條件苛刻；太陽(yáng)能熱發(fā)電就是通過(guò)聚光集熱器聚焦太陽(yáng)直射光，將太陽(yáng)能聚 集起來(lái)產(chǎn)生高溫?zé)崮?，加熱真空集熱管里面的工質(zhì)，產(chǎn)生高溫，再通過(guò)換熱設(shè)備加熱水產(chǎn)生 高溫高壓的蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。目前熱發(fā)電形式主要有塔式，碟式，槽式三種， 但是這三種形式的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)都有著不同的缺點(diǎn)(1)塔式太陽(yáng)能制作成本高，尤 其是跟蹤系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求比較高，每提高一點(diǎn)的跟蹤精度，其成本成倍的提高；(2)碟式 太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸收器容易損壞，壽命短；(3)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)集熱面積小，集 熱溫度低，很難普及至民用建設(shè)?；拭魈?yáng)能股份有限公司創(chuàng)造出了一種低成本、高聚光 率、占地小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的熱發(fā)電方式一一菲涅爾熱發(fā)電技術(shù)。
皇明太陽(yáng)能股份有限公司CN101660117B公開(kāi)了一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其 制備方法，但其僅適用于中低溫度環(huán)境；發(fā)明專利CN1056159A公開(kāi)了一種AlNxOy選擇性吸 收涂層，但該涂層以Al作為吸收層中金屬成分，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。因此，如何選擇耐高溫 材料，設(shè)計(jì)合理的涂層結(jié)構(gòu)，適用非真空環(huán)境，成為亟待解決的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層。
本發(fā)明另一目的是提供菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層的制備方法。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂 層，選取不銹鋼作為基體材料，所述涂層從基體至表面依次為阻擋層、紅外反射層、吸收層、 減反層。
所述阻擋層是由不銹鋼基體經(jīng)熱處理生成的氧化物膜構(gòu)成，厚度為5(T200nm。
所述紅外反射層由Mo-N1-SS合金膜構(gòu)成，其中Mo、N1、SS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為 90%: 5%: 5%, Mo-N1-SS 合金膜的厚度為 50 250nm。
所述吸收層包括厚度均為2(Tl00nm的第一亞吸收層和第二亞吸收層；兩個(gè)亞吸收層結(jié)構(gòu)，均為N1-SiO2膜；所述第一亞吸收層Ni體積百分比為30 70%，第二亞吸收層Ni 體積百分比為20 40% ；
所述減反層為厚度均為2(T60nm的雙減反層，依次為第一減反層TiO2和第二減反層 Si02。
一種菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下步驟
步驟1、將不銹鋼基體在空氣中熱處理后在其表面得到氧化物膜作為阻擋層；
步驟2、以Ar氣為反應(yīng)氣體，通過(guò)Mo-N1-SS合金靶，采用直流磁控濺射法制備紅外反射層Mo-N1-SS合金膜；
步驟3、以Ar和O2混合氣體作為反應(yīng)氣體，通過(guò)Ni靶和Si革巴，采用直流磁控濺射法制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜；
調(diào)整Ni靶電流，采用中頻磁控濺射法制備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜；
步驟4、以Ar和O2混合氣體作為反應(yīng)氣體，通過(guò)Ni靶，采用直流磁控濺射法制備 TiO2減反膜；
通過(guò)Si靶，采用直流磁控濺射法，以Ar和O2混合氣體作為反應(yīng)氣體，制備SiO2減反膜。
所述步驟I中熱處理溫度為50(T700°C，時(shí)間為l(T30min。
所述步驟2中濺射前將真空抽至3X10_3Pa以下，Mo N1:SS合金靶的電流為 O. 5 O. 8A，濺射電壓為350-450V，濺射氣壓為1. 5 3. 5 X IO^1Pa0
所述步驟3中制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜時(shí)，濺射前將真空抽至3X 10_3Pa以下，Ni靶、Si革巴電流分別為O. 6 O. 8Α，0· 5 O. 8Α，濺射電壓均為300-400V ；
調(diào)整Ni靶電流為O. 3^0. 5Α制備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜。
所述步驟4中制備TiO2減反膜時(shí)，濺射前將真空抽至3 X IO-3Pa以下，Ti靶電流為 O. 3 O. 5Α，濺射電壓為280-320V，濺射氣壓為3. 5 4. 5 X KT1Pa ；
制備SiO2減反膜時(shí)，濺射前將真空抽至3Χ 10_3Pa以下，Ti靶電流為O. 4^0. 7A，濺射電壓為290-350V，濺射氣壓為3. 5 4. 5 X IO^1Pa0
本發(fā)明的有益效果
1、氧化物膜作為阻擋層能夠防止高溫時(shí)金屬粒子擴(kuò)散，改變了吸收層的金屬體積分?jǐn)?shù)，從而影響了涂層的光學(xué)性能。
2、采用高熔點(diǎn)的Mo-N1-SS合金膜為紅外反射層具有較好的高溫穩(wěn)定性，且由于 Mo-N1-SS合金膜中的Ni與吸收層中Ni粒子，高溫下動(dòng)態(tài)平衡，從而可以 阻止由Ni金屬粒子的擴(kuò)散引起吸收層金屬體積分?jǐn)?shù)的改變，因此能顯著提高涂層的高溫穩(wěn)定性；
3、Ti02/Si02雙減反層的存在使得該層的水接觸角度小于15度，滿足了自清潔所要求的角度條件，可以提高材料的自清潔性能，適用于菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電鍍膜鋼管；
4、本發(fā)明所述涂層厚度在500nm以下，在空氣中，550°C，熱處理200h，涂層的光學(xué)性能幾乎不變，具有非真空高溫穩(wěn)定性；
5、本發(fā)明所述涂層在太陽(yáng)能光譜范圍內(nèi)(0.3 2.5μπι)具有高的吸收率a (O. 92 O. 97)，在紅外區(qū)域(2. 5 50 μ m)有很低的發(fā)射率ε (O. 07 O. 14);
6、該涂層制備工藝簡(jiǎn)單，且均選用常規(guī)材料，便于選擇和控制，靶材利用率高，適于大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)示意圖中1、阻擋層；2、紅外反射層；
3、吸收層；31、第一亞吸收層；32、第二亞吸收層；
4、減反層；41、第一減反層；42、第二減反層。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
如圖1所示，本發(fā)明菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層從底層至表面依次 為阻擋層1、紅外反射層2、吸收層3、減反層4。
所述阻擋層由不銹鋼基體熱處理生成的氧化物膜構(gòu)成，厚度為5(T200nm。所述紅 外反射層由Mo-N1-SS合金膜構(gòu)成，其中Mo-N1-SS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為90%:5%:5%，Mo-N1-SS 合金薄膜的厚度為5(T250nm。所述吸收層包括兩個(gè)亞吸收層結(jié)構(gòu)，依次為第一亞吸收層31 和第二亞吸收層32 ;兩個(gè)亞吸收層結(jié)構(gòu)，均為N1-SiO2膜。所述第一亞吸收層Ni體積百分 比為30 70%，第二亞吸收層Ni體積百分比為20 40% ;第一亞吸收層和第二亞吸收層的厚度 均為2(Tl00nm。所述減反層為雙減反層,依次為第一減反層TiO2和第二減反層SiO2 ;第一 減反層41和第二減反層42的厚度均為2(T60nm。
實(shí)施例1
步驟I阻擋層I的制備
將不銹鋼基體在空氣中600°C熱處理20min后在其表面得到一層致密的氧化物 膜，氧化物膜的厚度為IOOnm;
步驟2紅外反射層2的制備
采用直流磁控濺射法制備紅外反射層Mo-N1-SS合金膜，以Ar氣為反應(yīng)氣體，按 照Mo Ni SS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為90%:5%:5%，通過(guò)Mo-N1-SS合金靶，濺射前將真空抽至 3 X KT3Pa以下，通入惰性氣體Ar，調(diào)整Mo-N1-SS合金靶的電流為O. 7A，濺射電壓為400V， 濺射氣壓為2 X KT1Pa ;所得Mo-N1-SS合金薄膜的厚度為IOOnm ；
步驟3吸收層3的制備
采用Ni靶和Si靶共濺射，制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜時(shí)，濺射前將真空抽至 3 X KT3Pa以下，通入惰性氣體Ar和O2作為反應(yīng)氣體，調(diào)整Ni靶、Si革巴電流分別為O. 7A， O. 6A，濺射電壓分別為350V，分別采用直流和中頻磁控濺射制備；調(diào)整Ni靶電流為O. 4A制 備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜；第一亞吸收層Ni體積百分比為50%，第二亞吸收層Ni體積 百分比為30% ;兩個(gè)亞吸收層的厚度均為60nm ；
步驟4減反層4的制備
制備第一減反層TiO2減反膜，濺射前將真空抽至3 X IO-3Pa以下，通入惰性氣體Ar 和O2作為反應(yīng)氣體，依次調(diào)整Ti靶電流為O. 4A，濺射電壓為300V，濺射氣壓為4 X KT1Pa制 備TiO2減反膜，制備厚度40nm ；
制備第二減反層SiO2減反膜，濺射前將真空抽至3X 10_3Pa以下，通入惰性氣體Ar 和O2作為反應(yīng)氣體，依次調(diào)整Ti靶電流為O. 6A，濺射電壓為320V，濺射氣壓為4 X KT1Pa制備SiO2減反膜；制備厚度40nm。
檢測(cè)結(jié)果實(shí)施例1制得的涂層400nm，在太陽(yáng)能光譜范圍內(nèi)(O. 3^2. 5 μ m)吸收率a =0.93，在紅外區(qū)域(2. 5 50 μ m)的發(fā)射率ε =0. 06，在大氣中，550°C，200h退火處理， 其顏色無(wú)變化，光學(xué)性能a=0. 934，ε =0. 07，高溫發(fā)射率幾乎不發(fā)生變化，且該Ti02/Si02雙減反層的水接觸角為10度，滿足了自清潔所要求的角度條件。
實(shí)施例2
步驟I阻擋層I的制備
將不銹鋼基體在空氣中500°C熱處理IOmin后在其表面得到一層致密的氧化物膜，氧化物膜的厚度為50nm ；
步驟2紅外反射層2的制備
采用直流磁控濺射法制備紅外反射層Mo-N1-SS合金膜，以Ar氣為反應(yīng)氣體，按照Mo Ni SS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為90%:5%:5%，通過(guò)Mo-N1-SS合金靶，濺射前將真空抽至 3 X KT3Pa以下，通入惰性氣體Ar，調(diào)整Mo-N1-SS合金靶的電流為O. 5A，濺射電壓為350V， 濺射氣壓為1. 5 X KT1Pa ;所得Mo-N1-SS合金薄膜的厚度為50nm ；
步驟3吸收層3的制備
采用Ni靶和Si靶共濺射，制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜時(shí)，濺射前將真空抽至 3 X KT3Pa以下，通入惰性氣體Ar和O2作為反應(yīng)氣體，調(diào)整Ni靶、Si革巴電流分別為O. 6A， O. 5A，濺射電壓分別為300V，分別采用直流和中頻磁控濺射制備；調(diào)整Ni靶電流為O. 3A制備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜；第一亞吸收層Ni體積百分比為30%，第二亞吸收層Ni體積百分比為20% ;兩個(gè)亞吸收層的厚度均為20nm ；
步驟4減反層4的制備
制備第一減反層TiO2減反膜，濺射前將真空抽至3 X IO-3Pa以下，通入惰性氣體Ar 和O2作為反應(yīng)氣體，依次調(diào)整Ti靶電流為O. 3A，濺射電壓為280V，濺射氣壓為3. 5 X KT1Pa 制備TiO2減反膜，制備厚度20nm ；
制備第二減反層SiO2減反膜，濺射前將真空抽至3X 10_3Pa以下，通入惰性氣體Ar 和O2作為反應(yīng)氣體，依次調(diào)整Ti靶電流為O. 4A，濺射電壓為290V，濺射氣壓為3. 5 X KT1Pa 制備SiO2減反膜；制備厚度20nm。
檢測(cè)結(jié)果實(shí)施例2制得的涂層460nm，在太陽(yáng)能光譜范圍內(nèi)(O. 3 2. 5 μ m)吸收率 a=0. 95，在紅外區(qū)域(2. 5飛Ομπι)的發(fā)射率ε =0. 09，在大氣中，550°C，200h退火處理，其顏色無(wú)變化，光學(xué)性能a=0. 96，ε =0. 095，高溫發(fā)射率幾乎不發(fā)生變化，且該Ti02/Si02雙減反層的水接觸角為11度，滿足了自清潔所要求的角度條件。
實(shí)施例3
步驟I阻擋層I的制備
將不銹鋼基體在空氣中`700°C熱處理30min后在其表面得到一層致密的氧化物膜，氧化物膜的厚度為200nm ；
步驟2紅外反射層2的制備
采用直流磁控濺射法制備紅外反射層Mo-N1-SS合金膜，以Ar氣為反應(yīng)氣體，按照Mo Ni SS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為90%:5%:5%，通過(guò)Mo-N1-SS合金靶，濺射前將真空抽至 3 X KT3Pa以下，通入惰性氣體Ar，調(diào)整Mo-N1-SS合金靶的電流為O. 8A，濺射電壓為450V，濺射氣壓為3. 5 X KT1Pa ’所得Mo-N1-SS合金薄膜的厚度為250nm ；
步驟3吸收層3的制備
采用Ni靶和Si靶共濺射，制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜時(shí)，濺射前將真空抽至 3 X KT3Pa以下，通入惰性氣體Ar和O2作為反應(yīng)氣體，調(diào)整Ni靶、Si革巴電流分別為O. 8A，O.8A，濺射電壓分別為400V，分別采用直流和中頻磁控濺射制備；調(diào)整Ni靶電流為O. 5A制備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜；第一亞吸收層Ni體積百分比為70%，第二亞吸收層Ni體積百分比為40% ;兩個(gè)亞吸收層的厚度均為IOOnm ；
步驟4減反層4的制備
制備第一減反層TiO2減反膜，濺射前將真空抽至3 X IO-3Pa以下，通入惰性氣體Ar 和O2作為反應(yīng)氣體，依次調(diào)整Ti靶電流為O. 5A，濺射電壓為320V，濺射氣壓為4. 5 X KT1Pa 制備TiO2減反膜，制備厚度60nm ；
制備第二減反層SiO2減反膜，濺射前將真空抽至3X 10_3Pa以下，通入惰性氣體Ar 和O2作為反應(yīng)氣體，依次調(diào)整Ti靶電流為O. 7A，濺射電壓為350V，濺射氣壓為4. 5 X KT1Pa 制備SiO2減反膜；制備厚度60nm。
檢測(cè)結(jié)果實(shí)施例3制得的涂層490nm，在太陽(yáng)能光譜范圍內(nèi)(O. 3 2. 5μπι)吸收率 a=0. 92，在紅外區(qū)域(2. 5飛Ομπι)的發(fā)射率ε =0. 06，在大氣中，550°C，200h退火處理，其顏色無(wú)變化，光學(xué)性能a=0. 93，ε =0. 06,高溫發(fā)射率幾乎不發(fā)生變化，且該Ti02/Si02雙減反層的水接觸角為8度，滿足了自清潔所要求的角度條件。
雖然，上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù) 的范圍。
權(quán)利要求
1.一種菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層，其特征在于，選取不銹鋼作為基體材料，所述涂層從基體至表面依次為阻擋層、紅外反射層、吸收層、減反層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述阻擋層是由不銹鋼基體經(jīng)熱處理生成的氧化物膜構(gòu)成，厚度為5(T200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述紅外反射層由Mo-N1-SS合金膜構(gòu)成，其中Mo、N1、SS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為90%:5%:5%，Mo-N1-SS合金膜的厚度為5(T250nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述吸收層包括厚度均為2(Tl00nm的第一亞吸收層和第二亞吸收層；兩個(gè)亞吸收層均為N1-SiO2膜； 所述第一亞吸收層Ni體積百分比為30 70%，第二亞吸收層Ni體積百分比為20 40%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述減反層為厚度均為2(T60nm的雙減反層，依次為第一減反層TiO2和第二減反層Si02。
6.一種權(quán)利要求1-5中所述的菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1、將不銹鋼基體在空氣中熱處理后在其表面得到氧化物膜作為阻擋層； 步驟2、以Ar氣為反應(yīng)氣體，通過(guò)Mo-N1-SS合金靶，采用直流磁控濺射法制備紅外反射層Mo-N1-SS合金膜； 步驟3、以Ar和O2混合氣體作為反應(yīng)氣體，通過(guò)Ni靶和Si靶，采用直流磁控濺射法制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜； 調(diào)整Ni靶電流，采用中頻磁控濺射法制備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜； 步驟4、以Ar和O2混合氣體作為反應(yīng)氣體，通過(guò)Ni靶，采用直流磁控濺射法制備TiO2減反膜； 通過(guò)Si靶，采用直流磁控濺射法，以Ar和O2混合氣體作為反應(yīng)氣體，制備SiO2減反膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I中熱處理溫度為50(T700°C，時(shí)間為 10 30min。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中濺射前將真空抽至3X 10 以下，Mo-N1-SS合金靶的電流為O. 5 O. 8A，濺射電壓為350-450V，濺射氣壓為1. 5 3. 5 X IO^1Pa0
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3中制備第一亞吸收層N1-SiO2薄膜時(shí)，濺射前將真空抽至3X KT3Pa以下，Ni靶、Si革巴電流分別為O. 6 O. 8A，O.5 O. 8A，濺射電壓均為300-400V ； 調(diào)整Ni靶電流為O. 3^0. 5A制備第二亞吸收層N1-SiO2薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟4中制備TiO2減反膜時(shí)，濺射前將真空抽至3X 10_3Pa以下，Ti靶電流為O. 3^0. 5A，濺射電壓為280-320V，濺射氣壓為 3. 5 4. 5 X IO^1Pa ； 制備3102減反膜時(shí)，濺射前將真空抽至3X 10_3Pa以下，Ti靶電流為O. 4^0. 7A，濺射電壓為290-350V，濺射氣壓為3. 5 4. 5X10^^。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電用選擇性吸收涂層及其制備方法，選取不銹鋼作為基體材料，所述涂層從基體至表面依次為阻擋層、紅外反射層、吸收層、減反層。所述阻擋層由不銹鋼基體熱處理生成的氧化物膜構(gòu)成。所述紅外反射層由Mo-Ni-SS合金膜構(gòu)成。所述吸收層包括均為Ni-SiO2膜的兩個(gè)亞吸收層結(jié)構(gòu)，依次為第一亞吸收層和第二亞吸收層。所述減反層為雙減反層，依次為第一減反層TiO2和第二減反層SiO2。該涂層制備工藝簡(jiǎn)單，且均選用常規(guī)材料，便于選擇和控制，靶材利用率高，適于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/06GK103032978SQ20121058181
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者崔銀芳, 尹萬(wàn)里, 張敏, 王軒, 孫守建 申請(qǐng)人:北京市太陽(yáng)能研究所集團(tuán)有限公司