專利名稱：一種太陽能選擇性吸收涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于太陽能領(lǐng)域，具體涉及ー種太陽能選擇性吸收涂層。
背景技術(shù)：
太陽能選擇性吸收涂層沉積在太陽集熱管上，太陽集熱管的光熱轉(zhuǎn)換效率為
η- He -、〃びひ;4-’/;_Μ/Γ/。式中B是外玻璃管的透光率(一般采用O. 91)，α是涂層的太陽
吸收比，Seff是集熱管有效熱發(fā)射比，由涂層熱發(fā)射比ε和外玻璃管熱發(fā)射比決定。由材料在紅外區(qū)的折射率和消光系數(shù)決定。σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(5.67X10_8W/m2*K4)， T1和T2分別是集熱管的內(nèi)管和外管溫度(K)，C是聚光系數(shù)，I是太陽光的總輻射功率(W/
m2)。太陽吸收比α用公式《(め=￡^ )[1-4沒メ)]ぬ/]·⑷ぬ在波長0.3-2. 5μπι
計算得到，式中Θ是入射角，λ是波長，Α(λ)是太陽輻射光譜(W/m2· ym)，R(0，λ)是涂層的反射比。從宏觀分析，太陽光是電磁波，涂層對太陽光的吸收及反射、透射遵循麥克斯韋理論，同時遵循菲涅爾理論。根據(jù)理論分析，R(9，λ)由材料在可見光和近紅外折射率和消光系數(shù)決定。上世紀(jì)八十年代，澳大利亞悉尼大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室研制成功漸變型金屬陶瓷太陽能選擇性吸收涂層，九十年代在中國開發(fā)并大量生產(chǎn)。漸變型太陽能吸收涂層結(jié)構(gòu)首先由悉尼大學(xué)Richie和Window在1977年提出。太陽能選擇性吸收涂層主要由三部分組成靠近基材的是紅外反射金屬層，選用導(dǎo)電性較好的金屬，如鋁、銅、銀等金屬，納米級金屬薄膜材料；然后是吸收層，由金屬-陶瓷復(fù)合材料組成，納米級金屬粒子均勻分布在陶瓷材料中組成復(fù)合材料；最外層是減反層，由透明的納米級陶瓷薄膜材料組成。漸變型太陽能吸收涂層中有多層金屬陶瓷吸收層(如10層)，從減反射層向里，金屬體積含量呈梯度増加。而每ー層內(nèi)部金屬粒子分布均勻，金屬體積含量固定不變。靠近減反射層，金屬體積含量最少，靠近金屬紅外反射層，金屬體積含量最多。不同金屬體積含量復(fù)合材料薄膜，具有不同的光學(xué)常數(shù)η (折射率)和k (消光系數(shù))，具有不同的吸收α (θ，λ)和反射R(0，λ)特性。漸變型太陽能吸收涂層的多層吸收層結(jié)構(gòu)可以有效的吸收太陽輻射。這種涂層調(diào)試參數(shù)比較多，吸收比和近紅外發(fā)射比不容易達(dá)到理想值。悉尼大學(xué)章其初，發(fā)明了干涉吸收型金屬陶瓷太陽能選擇性吸收涂層，吸收層由2層或3層含有不同金屬體積含量的金屬陶瓷組成。太陽輻射被涂層內(nèi)部吸收和相位干涉效應(yīng)有效地吸收。與漸變膜相比，太陽吸收比大大增加，可達(dá)O. 95-0. 99。這ー發(fā)明已在澳大利亞、美國等國批準(zhǔn)發(fā)明專利。章其初發(fā)明了采用雙金屬靶在濺射氣體Ar和反應(yīng)氣體N2或O2中同時直流磁控濺射制備耐高溫的太陽吸收涂層，一金屬靶反應(yīng)濺射制備陶瓷成分 ’另一金屬靶非反應(yīng)濺射制備金屬成分。這ー發(fā)明已在中國批準(zhǔn)發(fā)明專利(申請?zhí)?6102331. 7，公開號CN1159553A)。這種涂層調(diào)試參數(shù)比漸變型太陽能吸收涂層少很多，調(diào)試也相對容易。但是，每ー種金屬體積含量的涂層對應(yīng)ー種折射率和消光系數(shù)，調(diào)試過程中，需要找出兩個吸收層比較合適的金屬含量，并找到比較合適的膜層厚度，同時，找到比較合適的減反層厚度，才能得到優(yōu)良的R( e，入)，實(shí)際工作有一定難度。目前，太陽能選擇性吸收涂層專利，其涂層結(jié)構(gòu)基本以漸變型太陽能選擇性吸收涂層和干渉型太陽能選擇性吸收涂層為基礎(chǔ)，僅進(jìn)行金屬和陶瓷成分的更換。這種漸變型和干渉型太陽能選擇性吸收涂層一般由紅外反射層、吸收層和減反層組成。吸收層又由兩層或多層組成。太陽選擇性吸收涂層整體對太陽輻射的吸收比受眾多因素影響，例如紅外反射層的材質(zhì)與粗糙度，吸收層的光學(xué)性質(zhì)、厚度、材料種類，減反層的厚度與光學(xué)性質(zhì)等。要提高太陽能選擇性吸收涂層的吸收比，降低發(fā)射比，需要依次調(diào)節(jié)每個吸收層的金屬含量、厚度，并同時調(diào)節(jié)減反層的厚度。根據(jù)排列組合，需要調(diào)試的エ藝參數(shù)很多，光學(xué)性能參數(shù)不 容易調(diào)到合理值。與漸變型太陽選擇性吸收涂層相比，干渉型吸收涂層，吸收層數(shù)減少了很多，調(diào)試エ藝相對容易。但是，要得到最佳的光學(xué)性能，每層吸收層的金屬含量有多種選擇，膜層厚度也有多種選擇，因此，調(diào)試エ藝比較煩瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽能選擇性吸收涂層，其單層金屬陶瓷吸收層金屬體積含量不像傳統(tǒng)的太陽能選擇性吸收涂層是在整個膜層中均勻分布的，而是隨著膜層深度漸變的，金屬體積含量在膜層中間最大，向兩邊逐漸減小。不同金屬體積含量復(fù)合材料薄膜，具有不同的光學(xué)常數(shù)n (折射率)和k (消光系數(shù))，具有不同的吸收和反射特性，可以更好的吸收太陽輻射。金屬陶瓷吸收層在太陽可見-近紅外光譜內(nèi)単色光的折射率和消光系數(shù)隨著膜層厚度而變化，是ー個連續(xù)的范圍，而不是單個值。吸收層金屬體積含量較少的情況下，可以使紅外輻射透過，但通過內(nèi)部吸收和相位干渉可使可見-近紅外光譜范圍內(nèi)的太陽輻射得到充分吸收。同時吸收層之間金屬體積含量有明顯的差別，因此高金屬體積含量吸收層和低金屬體積含量吸收層之間存在明顯的界面，又可以產(chǎn)生光的相位干渉，増加了太陽光吸收。與漸變型和干渉型太陽能選擇性吸收涂層相比，其吸收層金屬體積含量范圍比較寬，為漸變的，具有漸變型太陽能選擇性吸收涂層容易吸收太陽光譜的特點(diǎn)，同時，吸收層之間存在明顯的界面，又可以具有光的相位干渉，増加了太陽光吸收，吸收層在總金屬體積含量不是很高的情況下，就可以得到ー個比較合適的吸收比，因此紅外發(fā)射比比較低。每ー層吸收層的金屬體積含量，具有一種折射率、消光系數(shù)。優(yōu)化漸變型和干渉型太陽能選擇性吸收涂層，必須調(diào)整好各層的厚度，金屬體積含量(折射率、消光系數(shù))，并調(diào)整好減反層厚度才能得到優(yōu)良的選擇性吸收性能。而本發(fā)明進(jìn)行エ藝調(diào)試時，金屬體積含量調(diào)試選擇范圍減小，主要優(yōu)化吸收層和減反層膜層厚度就可以得到較優(yōu)的光學(xué)性能，節(jié)省調(diào)試エ藝時間,節(jié)約成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種太陽能選擇性吸收涂層，包括紅外反射層、吸收層和減反射層，所述吸收層由至少兩層金屬陶瓷吸收層組成，所述至少兩層吸收層均為陶瓷中摻雜金屬原子組成的復(fù)合材料薄膜，其金屬含量為膜層中間金屬體積含量最高，從中間向兩個邊界方向金屬體積含量逐漸降低，且不同平均金屬體積含量的相鄰兩金屬陶瓷吸收層之間的金屬體積含量存在明顯的界面。
不同金屬體積含量復(fù)合材料薄膜，具有不同的光學(xué)常數(shù)η (折射率)和k (消光系數(shù))，具有不同的吸收和反射特性。復(fù)合材料薄膜膜層中間金屬體積含量最高，從中間向兩個邊界方向金屬體積含量逐漸降低，對應(yīng)的光學(xué)常數(shù)η和k是ー個范圍，不是一個單值，可以更好的吸收太陽輻射。不同平均金屬體積含量的相鄰兩金屬陶瓷吸收層之間的金屬體積含量存在明顯的界面，可以產(chǎn)生太陽光的相消干渉，増加膜層對太陽輻射的吸收。調(diào)試エ藝，主要考慮膜層厚度。在總金屬體積含量不是很高的情況下，就可以得到國標(biāo)規(guī)定的合格的吸收比，同時可以得到很低的發(fā)射比。這種膜層，輻射能力很小，可以應(yīng)用在比較寒冷的地區(qū)，甚至可以應(yīng)用在南極這樣寒冷的地區(qū)；同時也可以應(yīng)用在高溫下，比如400°C。目前現(xiàn)有的太陽能選擇性吸收涂層，其吸收層為ニ層或ニ層以上，每層的金屬含量均勻分布，不隨膜厚厚度變化，僅對應(yīng)単一的光學(xué)常數(shù)η和k。調(diào)試エ藝復(fù)雜，需考慮膜層 厚度和金屬含量。如果得到國標(biāo)規(guī)定的合格的吸收比，發(fā)射比會比較高(發(fā)射比符合國標(biāo)要求)。這種膜層輻射能力較高，可以工作在不是很寒冷的地區(qū)，工作溫度200°C以下，不適合在很寒冷的地區(qū)使用。所述金屬陶瓷吸收層，由若干層不同金屬含量的金屬陶瓷吸收層組成，每層金屬陶瓷吸收層又由若干層子吸收層組成，子吸收層金屬含量由abed段組成，其中a、b、C、d點(diǎn)依次對應(yīng)膜層ー側(cè)到另ー側(cè)不同位置的金屬體積含量，金屬體積含量從a向b逐漸增加，ab間線段為直線、向下凹或向上凸的弧形；bc段位于單層膜層中間位置，b點(diǎn)和c點(diǎn)金屬體積含量相等，b、c間金屬體積含量可以相等，或不相等，即be間線段直線、向下凹或向上凸的弧形；cd段金屬體積含量分布與ab段對稱,從c向d逐漸降低。所述金屬陶瓷吸收層中低金屬陶瓷吸收層，低金屬體積含量a、d點(diǎn)與高金屬陶瓷吸收層最低金屬含量(a、d點(diǎn))不相等。低金屬陶瓷吸收層膜層厚度為30-150nm。高金屬陶瓷吸收層膜層厚度為30-150nm。所述金屬陶瓷吸收層由若干層不同金屬含量的金屬陶瓷吸收層組成，每層金屬陶瓷吸收層又分別由若干層子金屬陶瓷吸收層組成。金屬陶瓷吸收層總膜層厚度為60_300nm。所述金屬陶瓷吸收層，金屬陶瓷是在至少ー種反應(yīng)氣體和ー種惰性氣體中，有兩種金屬靶共同濺射形成的。該金屬成分可選用如鎢、鎢合金、鎳、鎳鉻合金、鉬、鑰、鑰合金、不銹鋼等金屬靶材在惰性氣體中濺射沉積得到。該陶瓷成分可選用純鋁靶或鋁合金靶在至少ー種反應(yīng)氣體如氮?dú)庵袨R射反應(yīng)沉積得到。所述減反射層由可透射的陶瓷材料組成，可選用折射率低的材料，如氮化鋁A1N、氧化招Al2O3、氮氧化招或ニ氧化娃SiO2等組成,采用反應(yīng)氣體N2或O2、或N2和O2混合氣體。該膜層可以進(jìn)一歩降低太陽光波段涂層的光譜反射率，増加透過率，同時具有耐磨、抗氧化、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。膜層厚度50-100nm。所述擴(kuò)散阻擋層沉積在吸收層和紅外反射層之間，材料可以選金屬或陶瓷，如鋁、氮化鋁或氧化鋁。用于阻擋紅外反射層金屬與吸收層金屬之間的相互擴(kuò)散。厚度優(yōu)選20_40nm。所述紅外反射層采用低紅外輻射率的金屬薄膜材料，如鋁、銅、金、銀、鑰和鎢等金屬。通過磁控濺射沉積形成金屬薄膜，厚度范圍一般在50-500nm，該薄膜具有鏡面反射，在紅外波段反射率極高，可以提高涂層的紅外光譜反射率。太陽能選擇性涂層如果長期工作在低溫(如IOO0C以下)，厚度可以優(yōu)選IOOnm以下，如果長期工作在中高溫(如100-300°C )，厚度可以優(yōu)選IOOnm以上，增強(qiáng)涂層紅外反射。所述粘結(jié)層，直接沉積在基材上，基材可選用玻璃或拋光的金屬，材料可選用粘結(jié)性能介于吸收層和底層之間的材料，可選用陶瓷或金屬陶瓷材料。如可選用氮化鋁、氧化鋁或氮氧化鋁，或其中ー種與金屬組成的金屬陶瓷。膜層厚度20-40nm。
本發(fā)明專利的有益效果是其金屬陶瓷吸收層中金屬含量為漸變型。吸收層金屬體積含量范圍比較寬，所對應(yīng)的単色光消光系數(shù)和折射率在ー個具體范圍內(nèi)，而不是固定的ー個值(ー種金屬體積含量的金屬陶瓷膜層具有一種折射率和消光系數(shù))。不同平均金屬體積含量的相鄰兩金屬陶瓷吸收層之間的金屬體積含量存在明顯的界面，可以產(chǎn)生太陽光的相消干渉，増加膜層對太陽輻射的吸收。因此膜層更容易吸收太陽光譜，膜層中總金屬含量不是很高的情況下，就可以得到比較優(yōu)良的吸收比，一般92%以上。同時紅外發(fā)射比很低，一般4%，沉積這種涂層的真空集熱管，紅外輻射能量比較小，尤其隨著溫度的升高幅度較小。沉積這種涂層的真空集熱管，可以應(yīng)用在比較寒冷的地區(qū)，比如南扱。同時也可以エ作在高溫下，比如400°C。調(diào)試エ藝，主要考慮膜層厚度，簡化了調(diào)試程序，節(jié)省了調(diào)試時間，節(jié)約了耗材及耗電。


圖I太陽能選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.粘結(jié)層；2.紅外反射層；3.擴(kuò)散阻擋層；4.高金屬陶瓷吸收層；5.低金屬陶瓷吸收層；6.減反射層；7.基材。圖2太陽能選擇性吸收涂層(四層吸收層)從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖。I.粘結(jié)層；2.紅外反射層；3.擴(kuò)散阻擋層；4.高金屬陶瓷吸收層；5.低金屬陶瓷吸收層；6.減反射層。圖3太陽能選擇性吸收涂層(多層吸收層)從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖。圖4真空集熱管與磁控濺射靶間距示意圖，直線型真空鍍膜室橫截面圖。圖中8.真空室壁；9.磁控濺射金屬靶；10.玻璃管軌道；11.玻璃管；12.磁控濺射孿生靶。圖5金屬陶瓷吸收層鍍膜室橫截面圖示意6真空集熱管與磁控濺射靶間距示意圖，圓型真空鍍膜室橫截面圖。圖中8.真空室壁；9.磁控濺射金屬靶；10.玻璃管軌道；11.玻璃管；12.磁控濺射孿生靶。13.磁控濺射金屬靶。14.擋板。15.鍍膜室門。圖7太陽能選擇性吸收涂層(4層吸收層)太陽光譜反射比測量圖。圖8太陽能選擇性吸收涂層(2層吸收層)太陽光譜反射比測量圖。圖9太陽能選擇性吸收涂層(多層吸收層)太陽光譜反射比測量圖。圖10太陽能選擇性吸收涂層4層金屬陶瓷吸收層中，金屬體積含量歸ー化。圖11太陽能選擇性吸收涂層2層金屬陶瓷吸收層中，金屬體積含量歸ー化。圖12太陽能選擇性吸收涂層多層金屬陶瓷吸收層中，部分低金屬陶瓷吸收層金屬體積含量歸ー化。圖13太陽能選擇性吸收涂層多層金屬陶瓷吸收層中，部分高金屬陶瓷吸收層金屬體積含量歸ー化。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步的闡述，應(yīng)該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進(jìn)行限定。實(shí)施例I :金屬陶瓷吸收層為4層的太陽能選擇性吸收涂層在玻璃管上沉積AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太陽能選擇性吸收涂層。具體膜層結(jié)構(gòu)見圖I太陽能選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)示意圖和圖2太陽能選擇性吸收涂層(四層吸 收層)從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖。如圖I、圖2所示，一種太陽能選擇性吸收涂層，依次由粘結(jié)層、紅外反射層、擴(kuò)散阻擋層、高金屬陶瓷吸收層、低金屬陶瓷吸收層和減反射層組成，所述吸收層由金屬陶瓷吸收層組成，為陶瓷中摻雜金屬粒子組成的復(fù)合材料薄膜。所述減反射層由可透射的陶瓷材料組成，本實(shí)例選用氮化鋁，采用反應(yīng)氣體N2。所述低金屬陶瓷吸收層是太陽能選擇性吸收涂層的吸收層組成部分。每層低金屬陶瓷吸收層由陶瓷中摻雜金屬粒子組成的復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，膜層中間金屬體積含量最高，從中間向兩個邊界方向，金屬體積含量逐漸降低。如圖2太陽能選擇性吸收涂層(四層吸收層)從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖，圖2中abed段是單層金屬陶瓷吸收層(4為高金屬含量吸收層，5為低金屬含量吸收層),金屬體積含量由abed段組成，a、b、C、d點(diǎn)分別對應(yīng)不同的金屬體積含量，金屬體積含量從a向b逐漸增加，ab間線段呈直線。be段位于單層膜層中間位置，其間金屬體積含量可以相等，也可以不相等，即be間線段成直線，或成上凸或下凹的弧形。Cd段金屬體積含量分布與ab段對稱。所述高金屬陶瓷吸收層是太陽能選擇性吸收涂層的吸收層組成部分。具體結(jié)構(gòu)除金屬體積含量不同，其余和低金屬陶瓷吸收層完全相同或類似。本實(shí)例中，吸收層由兩層低金屬陶瓷吸收層和兩層高金屬陶瓷吸收層組成。所述擴(kuò)散阻擋層沉積在吸收層和紅外反射層之間，本實(shí)例選用氮化鋁。所述紅外反射層采用低紅外輻射率的金屬薄膜材料，本實(shí)例通過磁控濺射沉積形成銅金屬薄膜。所述粘結(jié)層，直接沉積在基材上，本實(shí)例基材選用高硼硅玻璃，粘結(jié)層材料選用氮化鋁。本實(shí)例采用太陽能集熱管真空磁控濺射連續(xù)鍍膜線，鍍膜線的鍍膜區(qū)由若干個鍍膜室和抽真空室組成。鍍膜室用于磁控濺射沉積涂層，抽真空室用于鍍膜室抽真空。具體描述如下。在圖4所示為真空集熱管與磁控濺射靶間距示意圖，直線型真空鍍膜室橫截面圖。圖中兩側(cè)8為真空室壁，中間為11玻璃管，能夠自轉(zhuǎn)，井能沿10玻璃管軌道直線行迸。玻璃管ー側(cè)為12磁控濺射孿生靶，用于磁控濺射沉積陶瓷成分。另ー側(cè)為9磁控濺射金屬靶，用于沉積吸收層中的金屬成分。每個真空室濺射寬度O. 8米。玻璃管在行進(jìn)過程中，與金屬靶的距離x、y、z不斷變化，所得到的金屬成分或陶瓷成分也不斷變化。本實(shí)例中的太陽能集熱管真空磁控濺射連續(xù)鍍膜線采用十一個真空鍍膜室直線排列在一起，中間分別采用配有分子泵抽真空的真空室隔離，進(jìn)行鍍膜室的真空度維持。十一個真空鍍膜室分別是ー個粘結(jié)層、ー個金屬紅外反射層、一個擴(kuò)散阻擋層、四個吸收層、四個減反層。玻璃管依次走過十一個真空鍍膜室，直線行進(jìn)，走速0. 5米/分鐘，自轉(zhuǎn)40轉(zhuǎn)/米。當(dāng)真空度達(dá)到10_3Pa吋，分別充Ar和N2進(jìn)行磁控濺射，工作真空度0. 4Pa。圖5給出金屬陶瓷吸收層鍍膜室橫截面示意圖。共計四個鍍膜室，其中兩個是低金屬陶瓷吸收層鍍膜室(鍍膜I和鍍膜室2)，兩個是高金屬陶瓷吸收層鍍膜室(鍍膜3和鍍膜室4)。每個鍍膜室結(jié)構(gòu)與圖4所示直線型真空鍍膜室相同。本實(shí)例中具體的太陽能選擇性吸收涂層沉積過程如下。玻璃管ー邊自轉(zhuǎn)，一邊直線行迸，依次經(jīng)過太陽能集熱管真空磁控濺射連續(xù)鍍膜 線十一個鍍膜室，在玻璃管上依次沉積太陽能選擇性吸收涂層各部分。首先是AIN粘結(jié)層真空鍍膜室，除沒有9磁控濺射金屬靶，其余組成與圖4相同。從Ar進(jìn)氣管充純Ar，從N2管充純N2，磁控濺射孿生靶12接中頻電源，磁控反應(yīng)濺射沉積AIN粘結(jié)層。功率10KW。采用美國Veeco公司的Dektak 6M臺階儀測試厚度為32nm。第二是紅外反射層Cu真空鍍膜室室，除沒有12磁控濺射孿生靶，其余組成與圖4相同。從Ar進(jìn)氣管充純Ar，直流磁控非反應(yīng)濺射沉積Cu紅外反射層。功率30KW。采用美國Veeco公司的Dektak 6M臺階儀測試厚度為70nm。第三是擴(kuò)散阻擋層AIN真空室，真空エ藝與第一真空室相同。磁控反應(yīng)濺射沉積AIN阻擋層。測試厚度為33nm。第四是高金屬陶瓷吸收層SS-AIN真空鍍膜室，即圖5中鍍膜室I。從Ar進(jìn)氣管充純Ar，從N2管充純N2，磁控濺射孿生靶12接中頻電源，磁控反應(yīng)濺射沉積陶瓷成分AIN，功率20KW。磁控濺射金屬靶9接直流電源，磁控非反應(yīng)濺射金屬成分SS，功率20KW。第五是高金屬陶瓷吸收層SS-AIN真空鍍膜室，即圖5中鍍膜室2，重復(fù)鍍膜室I中エ藝。測試高金屬陶瓷吸收層厚度為51nm。第六是低金屬陶瓷吸收層SS-AIN真空鍍膜室，即圖5中鍍膜室3。從Ar進(jìn)氣管充純Ar，從N2管充純N2，磁控濺射孿生靶12接中頻電源，磁控反應(yīng)濺射沉積陶瓷成分AIN，功率20KW。磁控濺射金屬靶9接直流電源，磁控非反應(yīng)濺射金屬成分SS，功率9KW。第七是低金屬陶瓷吸收層SS-AIN真空鍍膜室，即圖5中鍍膜室4。重復(fù)鍍膜室3中エ藝。測試低吸收層厚度為39nm。第八、九、十、i^一四個鍍膜室是減反層AIN真空鍍膜室，反應(yīng)濺射功率30KW，其余エ藝與第一真空鍍膜室相同。測試減反層厚度為73nm。使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度計(0. 3-2. 5 y m)，測量太陽能選擇性吸收涂層在0. 3-2. 5 u m太陽光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，結(jié)果見圖7，經(jīng)計算得到太陽吸收比a為93. 2%，使用TJ270-30紅外分光光度計(2. 5_25 y m)，測量太陽能選擇性吸收涂層在紅外光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，結(jié)果見圖7，計算得到的涂層80°C發(fā)射比為4. 1%。采用本實(shí)施例鍍膜設(shè)備，正對12磁控濺射孿生靶濺射中心放置一玻璃基片，以此為中心，每隔50_放置一玻璃基片，采用與本實(shí)例高金屬陶瓷吸收層和低金屬陶瓷吸收層相同的エ藝濺射AIN涂層，然后采用Dektak臺階儀測量膜層厚度分布。同時，玻璃基片放置位置同AIN，采用與本實(shí)例高金屬陶瓷吸收層相同的エ藝濺射SS，然后采用Dektak臺階儀測量膜層厚度分布。玻璃基片放置同AIN，采用與本實(shí)例低金屬陶瓷吸收層相同的エ藝濺射SS，然后采用Dektak臺階儀測量膜層厚度分布。采用以上測試數(shù)據(jù)計算高金屬(SS)體積與金屬陶瓷體積比值，同時計算低金屬(SS)體積與金屬陶瓷體積比值，進(jìn)行歸ー化，具體見圖10太陽能選擇性吸收涂層4層金屬陶瓷吸收層中，金屬體積含量歸ー化。兩個吸收層只是SS靶濺射功率不同，所以金屬含量體積歸ー化后圖形相似。實(shí)施例2 :金屬陶瓷吸收層為2層的太陽能選擇性吸收涂層在玻璃管上沉積AIN/Cu/A IN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太陽能選擇性吸收涂層。涂層與實(shí)例I基本相同，具體膜層結(jié)構(gòu)見圖3太陽能選擇性吸收涂層從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖。本實(shí)例中，η等于l，m等于1，即只有ー層高金屬陶瓷吸收層，ー層低金屬陶瓷吸收層。本實(shí)例與實(shí)例I相比，僅有吸收層不同，實(shí)例I兩層高金屬陶瓷吸收層，兩層低金屬陶瓷吸收層，而本實(shí)例高、低金屬吸收層各有ー層。其余膜層結(jié)構(gòu)完全相同，エ藝參數(shù)也基本相同。因此，本實(shí)例僅詳述兩層吸收層的エ藝參數(shù)。本實(shí)例采用實(shí)例I中太陽能集熱管真空磁控濺射連續(xù)鍍膜線，其中金屬陶瓷吸收層鍍膜室(圖5)，僅采用鍍膜室2沉積低金屬陶瓷吸收層，鍍膜室3沉積高金屬陶瓷吸收層。鍍膜I和鍍膜室4停用。在鍍膜室I和鍍膜室3中，從Ar進(jìn)氣管充純Ar，從N2進(jìn)氣管充純N2，保持真空室氣壓O. 4Pa。鍍膜室2中，磁控濺射孿生靶12接中頻電源，磁控反應(yīng)濺射沉積陶瓷成分AIN，功率40KW。磁控濺射金屬靶9接直流電源，磁控非反應(yīng)濺射金屬成分SS，功率40KW。鍍膜室3中，磁控濺射孿生靶12接中頻電源，磁控反應(yīng)濺射沉積陶瓷成分AIN，功率40KW。磁控濺射金屬靶9接直流電源，磁控非反應(yīng)濺射金屬成分SS，功率19KW。使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度計(O. 3-2. 5 μ m)，測量太陽能選擇性吸收涂層在O. 3-2. 5μπι太陽光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，結(jié)果見圖8太陽能選擇性吸收涂層(2層吸收層)太陽光譜反射比測量圖，經(jīng)計算得到太陽吸收比為93%，使用TJ270-30紅外分光光度計(2. 5-25 μ m)，測量太陽能選擇性吸收涂層在紅外光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，結(jié)果見圖8，計算得到的涂層80°C發(fā)射比為3. 9%。采用實(shí)例I中Dektak臺階儀測量膜層厚度，并采用實(shí)例I試驗(yàn)方法進(jìn)行金屬含量歸ー化計算，做圖11太陽能選擇性吸收涂層2層金屬陶瓷吸收層中，金屬體積含量歸ー化。實(shí)施例3 在玻璃管上沉積AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太陽能選擇性吸收涂層。本實(shí)例與實(shí)例I相比，僅有吸收層不同，實(shí)例I兩層高金屬陶瓷吸收層，兩層低金屬陶瓷吸收層，而本實(shí)例高、低金屬陶瓷吸收層各有多層。具體膜層結(jié)構(gòu)見圖3太陽能選擇性吸收涂層從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖。本實(shí)例中，η等于24，即含有24層低金屬陶瓷吸收層子層，m等于18，即含有18層高金屬陶瓷吸收層子層。其余膜層結(jié)構(gòu)與實(shí)例I完全相同，不再詳述。本實(shí)例采用圓型鍍膜室，具體結(jié)構(gòu)見圖6真空集熱管與磁控濺射靶間距示意圖，圓型真空鍍膜室橫截面圖。圖6中，真空鍍膜室由8真空室壁和15鍍膜室門組成。真空鍍膜室中心裝有兩支13磁控派射金屬祀和ー支12磁控派射祀,三支祀中間用擋板隔離。在12磁控濺射靶兩側(cè)的擋板上分別固定N2進(jìn)氣管和Ar進(jìn)氣管。11玻璃管圍繞三支靶在10玻璃管軌道公轉(zhuǎn)，同時自轉(zhuǎn)。在15鍍膜室門上裝有9磁控濺射金屬靶，可以沉積金屬成分。在鍍膜過程中，玻璃管做行星運(yùn)動，太陽能選擇性吸收涂層被均勻沉積在玻璃管上。制備金屬陶瓷吸收層時，采用12磁控濺射靶濺射沉積陶瓷成分，玻璃管表面距離12磁控濺射靶距離基本相同，沉積的陶瓷成分厚度基本相同。采用9磁控濺射金屬靶沉積金屬成分，玻璃管表面距離9磁控濺射金屬靶隨11玻璃管在10玻璃管軌道上的位置而變，因此沉積的金屬成分厚度也是變化的。12磁控濺射靶和9磁控濺射金屬靶同時在Ar氣和N2混合氣體中濺射。采用圓型鍍膜室在在玻璃管上沉積AIN/Cu/AIN/SS-AIN/SS-AIN/AIN太陽能選擇性吸收涂層過程如下。具體膜層結(jié)構(gòu)見圖3太陽能選擇性吸收涂層(多層吸收層)從表層到內(nèi)部，金屬體積含量變化示意圖。首先沉積粘結(jié)層。11玻璃管自轉(zhuǎn)，并沿10玻璃管軌道公轉(zhuǎn)。玻璃管每分鐘公轉(zhuǎn)3圏，自轉(zhuǎn)50圏。圓型真空鍍膜室后面配有擴(kuò)散板和機(jī)械泵抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10_3Pa時，充Ar和N2，工作真空度O. 4Pa，采用12磁控濺射靶進(jìn)行反應(yīng)濺射沉積粘結(jié)層AIN，時間I分鐘，功率12KW。采用美國Veeco公司的Dektak 6M臺階儀測試厚度為29nm。第二層是紅外反射層，關(guān)掉N2，充Ar，工作壓強(qiáng)O. 3Pa，采用13磁控濺射金屬靶直流磁控非反應(yīng)濺射Cu薄膜。每支靶功率16KW。時間3分鐘。采用美國Veeco公司的Dektak 6M臺階儀測試厚度為135nm。第三層是擴(kuò)散阻擋層，與粘結(jié)層エ藝相同。測試膜層厚度30nm。第四層是高金屬陶瓷吸收層SS-AIN，由18層子層組成。分別充純Ar和純N2，工作真空度O. 4Pa，采用磁控濺射靶12反應(yīng)濺射沉積AIN，濺射功率12KW。因?yàn)榇趴貫R射靶12位于圓型真空室中心，靶與玻璃管的距離始終相等，沉積在玻璃管上的膜層厚度始終是均勻的。同時，采用9磁控濺射金屬靶非反應(yīng)沉積SS，濺射功率10KW，濺射時間6分鐘，每分鐘玻璃管在真空鍍膜室中轉(zhuǎn)3圈，沉積3層高金屬陶瓷吸收層子層。測試高金屬陶瓷吸收層膜厚45. 7nm。第五層是低金屬陶瓷吸收層SS-AIN，SS靶濺射功率4. 5KW，濺射時間8分鐘，沉積低金屬陶瓷吸收層子層24層。其余與高金屬陶瓷吸收層相同。測試低金屬陶瓷吸收層膜厚37. 7nm。第六層是AIN減反層，關(guān)掉低吸收層SS靶，繼續(xù)進(jìn)行濺射AIN。沉積AIN工作時間10分鐘。測試膜厚60nm。使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度計(O. 3-2. 5 μ m)，測量太陽能選擇性吸收涂層在O. 3-2. 5μπι太陽光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，結(jié)果見圖9太陽能選擇性吸收涂層(多層吸收層)太陽光譜反射比測量圖。經(jīng)計算得到太陽吸收比為94%，使用TJ270-30紅外分光光度計(2. 5-25 μ m)，測量太陽選擇性吸收涂層在紅外光譜范圍內(nèi)的反射比譜值R，結(jié)果見圖9，計算得到的涂層80°C發(fā)射比為4%。采用本實(shí)施例鍍膜設(shè)備，正對磁控濺射靶12濺射中心放置一玻璃基片，以此為中心，每隔50mm放置一玻璃基片，采用與本實(shí)例高金屬陶瓷吸收層和低金屬陶瓷吸收層相同的エ藝濺射AIN涂層，然后采用Dektak臺階儀測量膜層厚度分布。同時，玻璃基片放置同AIN，采用與本實(shí)例高金屬吸收層相同的エ藝濺射SS，然后采用Dektak臺階儀測量膜層厚度分布。玻璃基片放置同AIN，采用與本實(shí)例低金屬吸收層相同的エ藝濺射SS，然后采用Dektak臺階儀測量膜層厚度分布。采用以上測試數(shù)據(jù)計算高金屬(SS)體積與金屬陶瓷(AIN和SS)體積比值，并進(jìn)行歸ー化。作圖12太陽能選擇性吸收涂層多層金屬陶瓷吸收層中，部分低金屬陶瓷吸收層金屬體積含量歸ー化。和圖13太陽能選擇性吸收涂層多層金屬 陶瓷吸收層中，部分高金屬陶瓷吸收層金屬體積含量歸ー化圖。圖中低金屬陶瓷吸收層，b、c點(diǎn)合并在一起，膜層厚度為37. 7nm，每個子層膜層厚度I. 57nm。高金屬陶瓷吸收層，膜層厚度為45. 7nm。每個子層膜層厚度2. 54nm。
權(quán)利要求
1.一種太陽能選擇性吸收涂層，包括粘結(jié)層、紅外反射層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層和減反射層，其特征是，所述吸收層由至少兩層金屬陶瓷吸收層組成，所述至少兩層吸收層均為陶瓷中摻雜金屬原子組成的復(fù)合材料薄膜，其金屬體積含量為膜層中間金屬體積含量最高，從中間向兩個邊界方向金屬體積含量逐漸降低，且不同平均金屬體積含量的相鄰兩金屬陶瓷吸收層之間的金屬體積含量存在明顯的界面。
2.所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述金屬陶瓷吸收層的膜層金屬含量均由abed段組成，其中a、b、c、d點(diǎn)依次對應(yīng)膜層ー側(cè)到另ー側(cè)不同位置的金屬體積含量，其中金屬體積含量從a向b逐漸增加，ab間線段為直線、向下凹或向上凸的弧形；bc段位于單層膜層中間位置，其間金屬體積含量相等，即be間線段為直線，或成向下凹或向上凸的弧形；cd段金屬體積含量分布與ab段對稱。
3.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述吸收層總膜層厚度為60_300nm。
4.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述吸收層分為低金屬陶瓷吸收層和高金屬陶瓷吸收層，低金屬陶瓷吸收層的最低金屬含量與高金屬陶瓷吸收層最低金屬含量不相等；低金屬陶瓷吸收層膜層厚度為30-150nm ;高金屬陶瓷吸收層膜層厚度為 30_150nm。
5.如權(quán)利要求I或2所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述吸收層由兩層高金屬陶瓷吸收層和兩層低金屬陶瓷吸收層組成。
6.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述金屬陶瓷吸收層中的金屬成分選用鎢、鎢合金、鎳、鎳鉻合金、鉬、鑰、鑰合金、或不銹鋼金屬靶材在惰性氣體中濺射沉積得到；該陶瓷成分選用純鋁靶或鋁合金靶在至少ー種反應(yīng)氣體濺射反應(yīng)沉積得到。
7.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述減反射層由可透射的陶瓷材料組成，選用折射率低的材料氮化鋁A1N、氧化鋁Al2O3、氮氧化鋁或ニ氧化硅SiO2組成，采用反應(yīng)氣體N2或O2、或N2和O2混合氣體；膜層厚度50-1OOnm。
8.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述擴(kuò)散阻擋層沉積在吸收層和紅外反射層之間，材料選自金屬或陶瓷，如鋁、氮化鋁或氧化鋁；厚度為20-40nm。
9.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述紅外反射層采用低紅外輻射率的金屬薄膜材料通過磁控濺射沉積形成金屬薄膜，厚度范圍為50-500nm。
10.如權(quán)利要求I所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征是，所述粘結(jié)層，直接沉積在基材上，基材選用玻璃或拋光的金屬，材料選用陶瓷或金屬陶瓷材料；金屬陶瓷材料選用氮化鋁、氧化鋁或氮氧化鋁，或其中ー種與金屬組成的金屬陶瓷；膜層厚度20-40nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能選擇性吸收涂層，包括粘結(jié)層、紅外反射層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層和減反射層，所述吸收層由至少兩層金屬陶瓷吸收層組成，所述至少兩層吸收層均為陶瓷中摻雜金屬原子組成的復(fù)合材料薄膜，其金屬體積含量為膜層中間金屬體積含量最高，從中間向兩個邊界方向金屬體積含量逐漸降低，且不同平均金屬體積含量的相鄰兩金屬陶瓷吸收層之間的金屬體積含量存在明顯的界面。與漸變型和干涉型太陽能選擇性吸收涂層相比，其吸收層金屬體積為漸變的，具有漸變型太陽能選擇性吸收涂層容易吸收太陽光譜的特點(diǎn)，同時，吸收層之間存在明顯的界面，又可以具有光的相位干涉，增加了太陽光吸收。
文檔編號F24J2/48GK102653151SQ20121016144
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者孟秀清 申請人:皇明太陽能股份有限公司