CN101793437B - 多用途太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层，属于太阳能利用技术领域。自基体至表面依次为：第一层红外高反射层、第二层吸收层和第三层减反射层。其制备方法，首先将清洗干净的基体安装在镀膜机中，抽真空，先后向镀膜室中通入氩气及反应气体N2，O2，先后分别接通Al靶，Ti靶，依次沉积Al或Cu膜、TiNO膜、TiAlNO膜、纯AlN膜、AlNO膜以及Al2O3膜。本发明吸收涂层中的各层选用的Al和Ti材料与N2，O2反应之后形成稳定的陶瓷化合物和固溶体，使膜的热稳定性能大大提高，延长了产品的使用寿命本发明制备方法合理调整吸收涂层中各独立层的成分及厚度，可以使制备的吸收涂层的吸收比大于0.93，并实现0.04的发射率。本发明产品既可用于真空环境，又可用于大气环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，特别涉及一种利用磁控反应溅射薄膜沉积技术制备的太阳光谱选择性吸收涂层，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的廉价、绿色能源。太阳能的开发利用将会极大地减少温室气体的排放，对于保护人类赖以生存的地球具有十分积极的作用。目前在我国，最主要的太阳能利用是将太阳辐射直接转换成热能，即通过太阳能集热器(一般分为平板集热器和真空管集热器)实现光-热转换的目的。在任何一种太阳能集热器中，太阳光谱选择性吸收表面是最主要的部分，因为集热器的集热效率与吸收表面的吸收能力有着强烈的依赖关系。所谓太阳光谱选择性吸收表面是指在太阳辐射光谱中的可见-近红外波长范围内该表面具有高的吸收能力，同时它又对红外波长辐射有高的反射比(根据基耳霍夫定律，即具有低的发射率)，因此对于提高太阳能集热器的集热效率起到最有效的作用。在多种太阳光谱选择性吸收涂层中，最引人瞩目的是多层不同材料薄膜构成的涂层(表面)。该类涂层由三个主要部分组成(见图1)：
第一部分是红外高反射层；如金、银、铜、铝等。这些材料对红外辐射高反射特性，起到降低太阳光谱选择性吸收涂层热发射率的作用，该层处于吸收涂层的最底部。按照不同的应用场合，红外高反射层可以是光亮的板(箔)材，也可以在其它光亮材料上沉积红外高反射材料的薄膜。
第二部分是吸收层；顾名思义，它是用来实现对太阳辐射的高吸收，该层可以是一层也可以由多个独立薄膜层构成。吸收层紧邻红外高反射层。
第三部分是减反射层。该层用来减少太阳光谱选择性吸收涂层对入射太阳光线的反射，从而提高表面的吸收性能。减反射层可以是单层薄膜，也可以是多个独立薄膜层组成。它处于吸收层的上部，太阳光穿过减反射层射入吸收层，一部分到达红外高反射层。显然，红外高反射层，吸收层和减反射层共同构成了太阳光谱选择性吸收涂层。也就是说，只要改变太阳光谱选择性吸收涂层中的任何一层的任何参数(如光学性能、光学厚度、材料的物理及化学性能等)，都要使太阳光谱选择性吸收涂层的性能发生变化。
公知的太阳光谱选择性吸收表面专利技术，几乎都是以美国专利NO.4.339.484为技术背景，在此基础上进行改进、或创新，获得属于中国的知识产权。
美国专利No.339.484涉及到的选择性吸收涂层是在玻璃上依此溅射沉积铜膜/不锈钢-碳化物膜，专利给出了该涂层的太阳吸收比(AM2)α≈0.92，发射率ε≈0.05(100℃)。中国发明专利CN85 1 00142以专利No.339.484为基础，涉及的是利用单个铝靶在玻璃上依此溅射沉积纯铝膜及铝的氮化物或碳氧化物材料；太阳吸收比α≈0.93，发射率ε≈0.06(100℃)。
发明内容
本发明的目的是提出一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，在真空环境和大气环境都具有稳定性高，同时又具有高的热转换效率。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层，自基体至表面依次为：
第一层红外高反射层，材料为铜或铝，厚度为80-150nm，红外高反射层与吸收涂层和基体相连；
第二层吸收层，第二层吸收层置于第一层红外高反射层和第三层减反射层之间，由第一层红外高反射层至第三层减反射层依次包括第一吸收层和第二吸收层，其中第一吸收层的材料是钛氮氧，厚度为30～150nm，第二吸收层的材料为钛铝氮氧，厚度为30-150nm；
第三层减反射层，第三层减反射层与第二层吸收层相连，由第二层吸收层起依次包括第一独立减反射层、第二独立减反射层和第三独立减反射层，第一独立减反射层的材料为氮化铝AlN，厚度为5-50nm，第二独立减反射层的材料为铝氮氧AlNO，厚度为5-50nm，第三独立减反射层的材料为氧化铝Al2O3，厚度为5-50nm，三个独立减反射层的总厚度为15-150nm。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，当以玻璃为基体，并用金属铜Cu作为红外高反射层时，该方法包括以下步骤：
(2-1)将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(2-2)向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.1Pa～1.0Pa，接通Al靶或Ti靶，沉积Al或Ti膜，使厚度达到5～10nm；或者向镀膜室通入反应气体N2或O2，沉积Al或Ti的氧化物或氮化物，使厚度为5～10nm；
(2-3)切断Al靶或Ti靶电源，停止通入N2或O2，启动Cu靶电源，沉积Cu膜，使厚度达到80-150nm；
(2-4)切断Cu靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(2-5)启动Al靶电源，使O2和N2流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO，厚度为30～150nm；
(2-6)切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积纯AlN膜，厚度5～50nm；
(2-7)通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，使厚度为5～50nm；
(2-8)关掉N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5～50nm。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，当以玻璃为基体，用Al作为金属高反射层时，该方法包括以下步骤：
(3-1)将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(3-2)向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.1Pa～1.0Pa，接通Al靶电源，沉积Al膜，使厚度达到80-150nm；
(3-3)切断Al靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(3-4)接通Al靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO膜，使厚度为30～150nm；
(3-5)切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积AlN，厚度为5～50nm；
(3-6)通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，厚度5-50nm；
(3-6)停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5-50nm。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，当以Cu或Al金属板或箔为基体时，该方法包括以下步骤：
(4-1)将清洗干净的Cu或Al金属板或金属箔基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(4-2)通入Ar，使镀膜室内压强为1～6Pa，接通偏压电源放电，轰击金属基体1～10分钟；
(4-3)调整氩气流量，使镀膜室内压强为0.1～1.0Pa，偏压电压值为10～100伏，接通钛靶电源，并通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(4-4)保持上述偏压电压值不变，接通铝靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO膜，使厚度为30～150nm；
(4-5)保持上述偏压电压值不变，切断Ti靶电源，停止通入O2，沉积纯AlN膜，使厚度为5-50nm；
(4-6)保持上述偏压电压值不变，通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，使厚度为5-50nm；
(4-7)保持上述偏压电压值不变，停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5-50nm。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，其优点是：
1、本发明吸收涂层中的各层选用的Al和Ti材料与N2，O2反应之后可以形成多种性能稳定的陶瓷化合物，这些陶瓷化合物之间除了形成混合物之外，还可以形成固溶体等，使膜的热稳定性能大大提高，高温烘烤400℃保温60小时，吸收表面的吸收比降低小于0.02，因此延长了产品的使用寿命。
2、本发明的制备方法，从基础光学和基础材料出发，合理调整吸收涂层中各独立层的成分及厚度，可以使制备的吸收涂层的吸收比大于0.93，并实现0.04的发射率。
3、用本发明方法制备的吸收涂层，由于热稳定性的提高，使本发明产品既可用于真空环境，又可用于大气环境。
附图说明
图1是本发明提出的多用太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图。
图1中，1是基体，2是第一层，即红外高反射层，3是第二层，即吸收层，4是第三层，即减反射层。
具体实施方式
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层，其结构如图1所示，自基体1至表面依次为：
第一层红外高反射层2，材料为铜或铝，厚度为80-150nm，红外高反射层与吸收涂层的基体相连；
第二层吸收层3，第二层吸收层置于第一层红外高反射层和第三层减反射层之间，由第一层红外高反射层至第三层减反射层依次包括第一吸收层和第二吸收层，其中第一吸收层的材料是钛氮氧，厚度为30～150nm，第二吸收层的材料为钛铝氮氧，厚度为30-150nm；
第三层减反射层4，第三层减反射层与第二层吸收层相连，由第二层吸收层起依次包括第一独立减反射层、第二独立减反射层和第三独立减反射层，第一独立减反射层的材料为氮化铝AlN，厚度为5-50nm，第二独立减反射层的材料为铝氮氧AlNO，厚度为5-50nm，第三独立减反射层的材料为氧化铝Al2O3，厚度为5-50nm，三个独立减反射层的总厚度为15-150nm。
本发明的多用途太阳光谱选择性吸收涂层，当其基体材料不同时，其制备方法可以有多种不同的工艺，例如以玻璃为基体，或者以金属板或金属箔为基体。当以Cu，Al金属板或金属箔为基体时，涂层中的红外高反射层可以省去，直接涂覆吸收层和减反射层。另外，当以玻璃为基体时，红外高反射层的材料可以为铜或铝，其制备方法也就不同。以下一一说明。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，当以玻璃为基体，并用金属铜Cu作为红外高反射层时，该方法包括以下步骤：
(2-1)将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(2-2)向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.1Pa～1.0Pa，接通Al靶或Ti靶，沉积Al或Ti膜，使厚度达到5～10nm；或者向镀膜室通入反应气体N2或O2，沉积Al或Ti的氧化物或氮化物，使厚度为5～10nm；
(2-3)切断Al靶或Ti靶电源，停止通入N2或O2，启动Cu靶电源，沉积Cu膜，使厚度达到80-150nm；
(2-4)切断Cu靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(2-5)启动Al靶电源，使O2和N2流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO，厚度为30～150nm；
(2-6)切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积纯AlN膜，厚度5～50nm；
(2-7)通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，使厚度为5～50nm；
(2-8)关掉N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5～50nm。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，当以玻璃为基体，用Al作为金属高反射层时，该方法包括以下步骤：
(3-1)将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(3-2)向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.1Pa～1.0Pa，接通Al靶电源，沉积Al膜，使厚度达到80-150nm；
(3-3)切断Al靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(3-4)接通Al靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO膜，使厚度为30～150nm；
(3-5)切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积AlN，厚度为5～50nm；
(3-6)通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，厚度5-50nm；
(3-6)停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5-50nm。
本发明提出的多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，当以Cu或Al金属板或箔为基体时，该方法包括以下步骤：
(4-1)将清洗干净的Cu或Al金属板或箔基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；；
(4-2)通入Ar，使镀膜室内压强为1～6Pa，接通偏压电源放电，轰击金属基体1～10分钟；
(4-3)调整氩气流量，使镀膜室内压强为0.1～1.0Pa，偏压电压值为10～100伏，接通钛靶电源，并通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(4-4)保持上述偏压电压值不变，接通铝靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO膜，使厚度为30～150nm；
(4-5)保持上述偏压电压值不变，切断Ti靶电源，停止通入O2，沉积纯AlN膜，使厚度为5-50nm；
(4-6)保持上述偏压电压值不变，通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，使厚度为5-50nm；
(4-7)保持上述偏压电压值不变，停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5-50nm。
以下结合附图，介绍本发明方法的实施例，使用设备可以为磁控溅射镀膜机，可以使用直流电源，更推荐使用双向脉冲电源或中频电源。
实施例一：
以玻璃为基体，并用金属铜Cu作为红外高反射层，制备过程包括以下步骤：
1、将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为6×10-3Pa；
2、向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.3Pa，接通Al靶或Ti靶，沉积Al或Ti膜，使厚度达到6nm；或者向镀膜室通入反应气体N2或O2，沉积Al或Ti的氧化物或氮化物，使厚度为6nm，其目的是增加Cu与玻璃的附着力；
3、切断Al靶或Ti靶电源，停止通入N2或O2，启动Cu靶电源，沉积Cu膜，使厚度达到100nm；
4、切断Cu靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶20，沉积TiNO膜，使厚度为100nm；
5、启动Al靶电源，使O2和N2流量比为：O2∶N2＝1∶10，沉积TiAlNO，厚度为80nm；
6、切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积纯AlN膜，厚度30nm；
7、通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.08，沉积AlNO膜，使厚度为10nm；
8、关掉N2，沉积Al2O3膜，使厚度为20nm。
实施例二：
以玻璃为基体，用Al作为金属高反射层，制备过程包括以下步骤：
1、将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为7×10-3Pa；
2、向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.5Pa，接通Al靶电源，沉积Al膜，使厚度达到120nm；
3、切断Al靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶20，沉积TiNO膜，使厚度为120nm；
4、接通Al靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1，沉积TiAlNO膜，使厚度为60nm；
5、切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积AlN，厚度为20nm；
6、通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶50，沉积AlNO膜，厚度20nm；
7、停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为30nm。
实施例三：
以Cu金属板为基体，制备过程包括以下步骤：
1、将清洗干净的Cu金属板安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5Pa；
2、通入Ar，使镀膜室内压强为5Pa，接通偏压电源放电，轰击金属基体5分钟；
3、调整氩气流量，使镀膜室内压强为0.3Pa，偏压电压值为70伏，接通钛靶电源，
并通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶20，沉积TiNO膜，使厚度为130nm；
4、保持上述偏压电压值不变，接通铝靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶10，沉积TiAlNO膜，使厚度为50nm；
5、保持上述偏压电压值不变，切断Ti靶电源，停止通入O2，沉积纯AlN膜，使厚度为30nm；
6、保持上述偏压电压值不变，通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01，沉积AlNO膜，使厚度为10nm；
7、保持上述偏压电压值不变，停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为40nm。
Claims (4)
1.一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于该吸收涂层自基体至表面依次为：
第一层红外高反射层，材料为铜或铝，厚度为80-150nm，红外高反射层与吸收涂层的基体相连；
第二层吸收层，第二层吸收层置于第一层红外高反射层和第三层减反射层之间，由第一层红外高反射层至第三层减反射层依次包括第一吸收层和第二吸收层，其中第一吸收层的材料是钛氮氧，厚度为30～150nm，第二吸收层的材料为钛铝氮氧，厚度为30-150nm；
第三层减反射层，第三层减反射层与第二层吸收层相连，由第二层吸收层起依次包括第一独立减反射层、第二独立减反射层和第三独立减反射层，第一独立减反射层的材料为氮化铝AlN，厚度为5-50nm，第二独立减反射层的材料为铝氮氧AlNO，厚度为5-50nm，第三独立减反射层的材料为氧化铝Al2O3，厚度为5-50nm，三个独立减反射层的总厚度为15-150nm。
2.一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，当以玻璃为基体，并用金属铜Cu作为红外高反射层时，该方法包括以下步骤：
(2-1)将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(2-2)向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.1Pa～1.0Pa，接通Al靶或Ti靶，沉积Al或Ti膜，使厚度达到5～10nm；或者向镀膜室通入反应气体N2或O2，沉积Al或Ti的氧化物或氮化物，使厚度为5～10nm；
(2-3)切断Al靶或Ti靶电源，停止通入N2或O2，启动Cu靶电源，沉积Cu膜，使厚度达到80-150nm；
(2-4)切断Cu靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(2-5)启动Al靶电源，使O2和N2流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO，厚度为30～150nm；
(2-6)切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积纯AlN膜，厚度5～50nm；
(2-7)通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，使厚度为5～50nm；
(2-8)关掉N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5～50nm。
3.一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，当以玻璃为基体，用Al作为金属高反射层时，该方法包括以下步骤：
(3-1)将清洗干净的玻璃基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(3-2)向镀膜室中通入氩气，至镀膜室的压强为0.1Pa～1.0Pa，接通Al靶电源，沉积Al膜，使厚度达到80-150nm；
(3-3)切断Al靶电源，接通Ti靶电源，向镀膜室分别通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(3-4)接通Al靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO膜，使厚度为30～150nm；
(3-5)切断Ti靶电源，并停止通入O2，沉积AlN，厚度为5～50nm；
(3-6)通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，厚度5-50nm；
(3-6)停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5-50nm。
4.一种多用途太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，当以Cu或Al金属板或箔为基体时，该方法包括以下步骤：
(4-1)将清洗干净的Cu或Al金属板或金属箔基体安装在镀膜机中，使镀膜室的真空压强为5×10-3Pa～8×10-3Pa；
(4-2)通入Ar，使镀膜室内压强为1～6Pa，接通偏压电源放电，轰击金属基体1～10分钟；
(4-3)调整氩气流量，使镀膜室内压强为0.1～1.0Pa，偏压电压值为10～100伏，接通钛靶电源，并通入反应气体O2和N2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiNO膜，使厚度为30～150nm；
(4-4)保持上述偏压电压值不变，接通铝靶电源，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶1～60，沉积TiAlNO膜，使厚度为30～150nm；
(4-5)保持上述偏压电压值不变，切断Ti靶电源，停止通入O2，沉积纯AlN膜，使厚度为5-50nm；
(4-6)保持上述偏压电压值不变，通入O2，使O2和N2的流量比为：O2∶N2＝1∶0.01～50，沉积AlNO膜，使厚度为5-50nm；
(4-7)保持上述偏压电压值不变，停止通入N2，沉积Al2O3膜，使厚度为5-50nm。
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