[发明专利]一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳光谱选择性吸收涂层在可见-近红外波段具有高吸收率，在红外波段具有低发射率的功能薄膜，是用于太阳能集热器，提高光热转换效率的关键。随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热管的应用范围从低温应用(≤100℃)向中温应用(100℃-350℃)和高温应用(350℃-500℃)发展，以不断满足海水淡化、太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。对于集热管使用的选择性吸收涂层也要具备高温热稳定性，适应中高温环境的服役条件。

对于太阳能选择性吸收涂层目前已研究和广泛使用了黑铬、阳极氧化着色Ni-Al2O3以及具有成分渐变特征的SS-C/SS(不锈钢)和Al-N/Al等膜系，应用于温度在200℃以内的平板型集热装置的集热管表面。但在中高温条件下，由于其红外发射率随温度上升明显升高，导致集热器热损失明显上升，热效率显著下降。

为了提高中高温服役条件下选择性吸收涂层的热稳定性，Mo-Al2O3/Cu、SS-AlN/SS等材料体系得到了研究和发展，采用了双靶或多靶金属陶瓷共溅射技术，其中Mo-Al2O3/Cu体系的特点是Mo-Al2O3吸收层具有成分渐变的多亚层结构，Al2O3层采用射频溅射方法，SS-AlN/SS体系的特点是吸收层采用了干涉膜结构，使热稳定性提高。上述涂层在使用温度350℃-500℃范围内的聚焦型中高温集热管表面获得了应用。但是双靶或多靶共溅射、射频溅射等工艺沉积速率低，生产周期长，工艺复杂，成本高。

对于太阳能的中高温利用，需要一种吸收率高、发射率低、热稳定性好，而且工艺简便的选择性吸收涂层及制备技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，适用于高温(300℃-500℃)工作温度集热管，涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简便，操作方便，生产周期短，溅射工况稳定。

一种高温太阳能选择性吸收涂层，包括三层膜，从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层；

第一层红外反射层由Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一种组成，厚度在50～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均为TiAlCN+TiAl膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm，第一亚层TiAl的体积百分比大于第二亚层TiAl的体积百分比；第三层减反射层由TiO₂膜或者Al₂O₃膜中任何一种组成，厚度均为20～60nm。

一种高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在基体上制备第一层红外发射层；

采用纯金属靶中频磁控溅射方法制备在基体表面，纯金属靶为Ti靶或Al靶，以Ar气作为溅射气体制备Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜，红外发射层厚度在50～250nm；

步骤二：在第一层涂层上制备第二层吸收层；

采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法，通入Ar、N₂和C₂H₂的混合气体，Ar的流量为100～140sccm，N₂的流量为30～60sccm，C₂H₂的流量为5～8sccm，在红外反射层上制备第一亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

增加N₂的流量为40～70sccm，继续制备第二亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

步骤三：在第二层上制备第三层减反射层；

第三层减反射层由TiO₂或者Al₂O₃膜构成；

当由TiO₂膜构成时：采用Ti靶中频溅射方法，以Ar气作为溅射气体，通入O₂作为反应气体制备，调节Ar与O₂流量比为1.5∶1～2∶1，制备厚度为20～60nm的TiO₂膜；

当由Al₂O₃膜构成时：采用Al靶中频磁控溅射方法，通入惰性气体Ar作为溅射气体，制备厚度为20～60nm的Al₂O₃膜。

本发明的优点在于：