[发明专利]太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以磁控溅射镀膜技术制备的、防扩散、结构稳定的太阳能选择性吸收涂层，属于太阳能光热转换利用领域。

背景技术

随着人类科学技术的发展和生产力水平的提高，能源短缺的问题逐渐暴露出来。传统能源如石油、天然气等的日益枯竭，限制了人类的继续发展和进步。在全球性能源紧张的新形势下，开发太阳能既经济又环保，是缓解能源紧张的新途径。

太阳能选择性吸收涂层用于吸收入射的太阳辐射，并将其转换为热能。当前的太阳能光热利用以温度小于100℃的低温应用为主，如太阳能热水器，太阳能干燥等，应用于此温度范围内的太阳能选择性吸收涂层，若工作于较高温度时(如200℃以上)，由于涂层间金属和介质的扩散作用加强，涂层结构遭到破坏，使涂层整体性能发生变化。中高温太阳能选择性吸收涂层是太阳能光热利用中的前沿课题，中高温选择性吸收涂层要求涂层能耐200℃及其以上的高温，并能长期稳定工作，在太阳能光谱范围内(波长0.3～2.5μm)具有较高的吸收比，同时在红外光谱范围内(波长为2.5～5.0μm)保持较低的热发射比，但工艺相对复杂，成本较高。

目前国内应用较广的是中国专利CN85100142公开的Al-N/Al渐变膜，该涂层的优点是，采用单只Al靶直流磁控溅射镀膜，使溅射系统结构简化，溅射效率提高，生产周期短，成本较低，涂层的吸收率可达α≈0.93，发射率ε≈0.06(100℃)。但是当工作温度较高时，涂层中的铝离子活性增加，金属离子和绝缘介质的热扩散作用加强，涂层结构紊乱，涂层性能下降，影响了真空管的集热效率和寿命。

中国发明专利CN1360084A公开的一种太阳光谱选择性吸收涂层，是以铝和钛在氮气、空气、氮气+氧气中溅射而成的铝氮+钛氮-铝钛膜及铝氮氧+钛氮氧-铝钛膜，涂层的吸收率可达α≈0.93以上，发射率ε≈0.06～0.10(80℃)，涂层稳定性有所增强，但仍无法阻止涂层中金属层与吸收层之间的扩散，同时涂层整体性能偏低，并且有氧气的参与涂层的沉积速率非常低，膜层的沉积需要耗费足够的工艺时间，生产成本较高。

现在应用于太阳能热利用行业的太阳能选择性吸收涂层，多为两层吸收层的干涉膜结构，两层膜之间因金属成份的配比不同而互相产生干涉作用，实现了比渐变膜更高的吸收比和更低的发射比，耐高温性能也有较大提高，但由于普遍采用的Al-AlN或SS-AlN金属陶瓷复合薄膜本身的的熔点较低，热扩散作用影响仍然较大。

发明内容

为了克服当前太阳能选择性吸收涂层间存在的热扩散作用，使选择性吸收涂层在200℃-300℃下高温工作时具有较高的高温稳定性和热效率，特别是为了保证涂层即使短时间内工作于400℃-500℃也不会受到影响，本发明提供了一种防扩散、结构稳定的太阳能选择性吸收涂层。

本发明还提供了所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能选择性吸收涂层，由下而上依次包括金属底层、吸收层和减反射层，其特殊之处在于：在金属底层上沉积由TiC、TiN和TiCN构成的第一阻热扩散层，在吸收层上沉积由TiN和Ti构成的第二阻热扩散层。

为了使涂层整体性能更优越，所述的吸收层可由高金属体积比吸收层和低金属体积比吸收层依次沉积而成。

所述第一阻热扩散层的厚度为5-10nm，TiC、TiN和TiCN的摩尔比为1:1.5～4:3～5。所述第二阻热扩散层的厚度为5-10nm，TiN和Ti的摩尔比为1:1.5～4。

本发明所述的太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括下述步骤：

(1)在氩气气氛中，开金属靶，非反应溅射镀制金属底层；

(2)采用Ti靶在氩气、氮气和碳氢气体的混合气体中反应溅射，在上述金属底层上沉积第一阻热扩散层；

(3)开金属靶，在氩气和氮气中反应溅射，在第一阻热扩散层上沉积吸收层；

(4)采用Ti靶在氩气和氮气中反应溅射，在吸收层上沉积第二阻热扩散层；

(5)采用金属靶在氩气和氮气中反应溅射，在第二阻热扩散层上沉积减反射层。

为了使制备的选择性吸收涂层结构更稳定，可将镀制后的涂层在氮气或空气中经500℃～600℃高温加热处理。

所述的碳氢气体为甲烷、乙炔和丁烷中的一种或一种以上。