[发明专利]一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法。该吸收涂层从基底向外，依次为金属红外高反射层、吸收层、减反射层和保护层，其中吸收层由过渡金属氮氧化物Mo_xAl_1‑xO_yN_1‑y或W_xAl_1‑xO_yN_1‑y构成，其中，x＝0.1‑0.9，y＝0.1‑0.9。其制备方法，包括以下步骤：(1)采用直流磁控溅射法在基底表面制备金属红外高反射层；(2)采用Mo或W和Al纯金属靶，或者采用固定成分的MoAl或WAl靶，氩气、氮气和氧气气氛下共溅射形成吸收层；(3)选择Al靶，采用直流或中频磁控溅射法制备减反射层；(4)选择Si靶，采用直流或中频磁控溅射法制备保护层。本发明的吸收涂层具有光学性能优良、耐高温能力强、耐候性良好等特点，在制备工艺方面易于实现且调控简单，适用于平板集热器在我国的应用现状。

技术领域

本发明涉及一种太阳光谱选择性吸收涂层(吸热涂层)及其制备方法，可应用于平板集热器中，也可用于太阳能工业加热、太阳能空调和太阳能海水淡化系统中，属于太阳能光热利用技术领域。

背景技术

太阳光谱选择性吸收涂层(吸热涂层)是一种特殊的表面，其特点是在太阳光谱范围(0.3-2.5μm)具有较高的吸收率α，在红外区域(2.5-25μm)有很低的发射率ε，它把低能量密度的太阳能转换成高能量密度的热能，把太阳能富集起来，提高太阳能光热转换效率，是太阳能平板集热器的核心材料。对吸收涂层研究的主要的目的是要提高太阳能光热转化效率，即在提高集热器对太阳辐射的吸收率α的同时在其工作温度下集热器表面具有较低发射率ε。同时平板集热器的工作环境决定了吸收涂层还应具备光学性能长期稳定、耐候性强、形成涂层工艺简单和对环境无污染等特点。

平板集热器涂层材料的应用经历了非选择性的普通黑漆、选择性的硫化铅、金属氧化物涂料、黑镍、黑铬、铝阳极化涂层、真空镀膜涂层等阶段，这些涂层各有优缺点。

涂料涂层采用涂漆法制作工艺，它是将具有光选择性吸收的粉体作为色素(Si、Ge、PbS和一些过渡金属复合氧化物)与粘结剂(烯基材料和有机硅等)混合制成涂料，然后通过喷涂、浸沾、涂刷等方法将涂料涂在集热基板上，涂层一般都在数微米以上。涂层的吸收率在0.87-0.92之间，发射率在0.3-0.6之间，使用该类型涂层的集热器热效率较低。另外，由于粘结剂在高温下可能热解，其附着性较差，易发生剥落，降低吸热性能，造成采用涂料涂层的集热器的使用寿命较短。

阳极氧化涂层是对金属衬底进行阳极氧化处理，制备具有梯度分布的多孔表面，然后通过在孔洞中掺入金属来获得高的太阳能吸收率，与衬底的低红外发射特性配合在一起可以获得选择性吸收效果。铝阳极氧化涂层是最成熟的阳极氧化工艺。制备的基本过程是将铝片(或铜铝复合板芯)在稀磷酸溶液中阳极氧化，在铝表面形成多孔氧化膜，然后在硫酸镍或硫酸亚锡溶液中交流电解，镍锡离子还原沉积于氧化的孔隙中，形成具有光谱选择的表面，其吸收率一般在0.89-0.91之间，而发射率一般在0.13-0.15之间。

黑铬涂层是采用电镀方法在太阳能集热板上制备黑铬选择性电镀层，普通黑铬涂层类集热板的吸收率在0.93-0.97，发射率在0.07-0.14之间。采用电镀黑铬工艺需要先在镀件上打底层，如镀覆铜、镍层来增加附着力，然后才能镀黑铬，对工艺要求较高。