[发明专利]太阳能选择吸收复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳光谱选择吸收涂层，本发明还涉及这种太阳光谱选择吸收涂层的制备方法，属于真空镀膜技术领域。

背景技术

太阳能利用是当前能源材料利用领域的前言课题。太阳能具有可再生能源，清洁无污染、安全且取之不尽的优点，把低品位的太阳能转换成高品位的热能，是太阳能热利用中的关键技术。太阳能集热器是可将太阳能转化为热能的设备，其最核心部分是表面选择性吸收涂层，这种涂层吸收太阳能紫外到近红外范围内的大部分光波，而在红外波段则是强反射，自身红外辐射率很低，是太阳能集热装置的核心材料。欲得到高效的吸收涂层需解决两个主要矛盾问题：一是太阳光谱内有尽可能高的吸收率α；二是辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即低发射率ε。

依据选择性吸收涂层的作用机理，大体可以分为以下三种类型：(1)材料本征吸收涂层，包括半导体和过渡金属材料，如Ti和Zr等过渡金属本身具有光谱选择性吸收特性，利用该材料制备的涂层具有一定的太阳能选择吸收性；半导体材料具有适当的能隙(0.62-1.24ev)，如Si和Ge等是比较理想的候选材料，将半导体涂层与对红外和远红外反射率很高的金属衬底结合可以获得较好的光谱选择性。(2)光干涉吸收涂层，利用可见-近红外光谱的干涉与吸收效应的共同作用，将涂层设计成多层结构，与衬底的高红外反射特性匹配制成干涉滤波型涂层，如Al203/Mo/Al203干涉型选择性吸收涂层等。(3)渐变金属-介质复合涂层，是目前最常用的选择吸收涂层，渐变金属-介质复合材料吸收层由多层金属-介质复合材料亚层组成，每个亚层由纳米尺寸的金属粒子弥散分散在介质基体内，如多层渐变不锈钢-碳/铜等。

太阳能选择性吸收涂层的制备方法有电镀(如黑镍、黑铬和黑钴涂层等)、阳极氧化法、化学气相沉积法和磁控溅射沉积等。其中电镀涂层和化学气相沉积涂层等普遍存在着吸收率比较高的同时发射率也比较高，以及膜系耐候性较差和污染环境等劣势而逐渐被淘汰，如黑铬和黑镍镀膜等。而磁控溅射技术具有操作工艺简单、膜层沉积速率高、重复性好、可沉积多层膜，而且容易实现在大面积上沉积均匀的薄膜，具有成本低、便于大规模产业化生产等特点。

目前，在我国广泛应用的选择性涂层中，当温度较高时，发射率随温度急剧升高，而且膜层中金属成分容易在高温中扩散，造成膜层的老化和脱落，导致了涂层吸收效率的损耗和使用寿命的缩短。如何提高吸收涂层的吸收率，降低发射率，提高其热稳定性成为亟需解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供太阳能选择吸收复合涂层。

本发明的另一个目的是提供这种太阳能选择吸收复合涂层的制备方法，可以广泛用于改善各种选择性复合涂层的光谱吸收与热稳定性能，克服了传统选择吸收涂层耐热性差的缺点。

本发明采用的技术方案为：太阳能选择吸收复合涂层，依次包括底层金属片、热扩散阻挡层、吸收层和减反射层，其特征在于：所述热扩散阻挡层为Ta纳米层，吸收层为AlN-Ag纳米层，减反射层为AlN纳米层。

进一步的，所述热扩散阻挡层Ta纳米层的厚度为8～10nm，吸收层AlN-Ag纳米层的总厚度为105nm，减反射层AlN纳米层的厚度为60nm。

进一步的，所述吸收层为单层吸收层或多层梯度吸收层；所述单层吸收层为AlN-Ag单层纳米膜；所述多层梯度吸收层包含有3～6个周期膜层，以AlN-Ag为一个周期膜层，AlN层和Ag层为每一个周期膜层中的两个亚层。

进一步的，所述多个梯度周期层的梯度为AlN层厚度由底层向表面方向逐渐增加，Ag层厚度不变。

进一步的，所述底层金属片为Cu片。

本发明提供这种太阳能选择吸收复合涂层的制备方法为：包括底层金属片预处理、沉积吸收复合涂层和退火处理工序，其特征在于：所述沉积吸收复合涂层工序为采用三靶室温直流磁控溅射法，以纯度99.9～99.99wt％的金属Al、99.95～99.99wt％的金属Ag和99.9～99.99wt％的金属的Ta为溅射靶材沉积吸收涂层；所述的退火处理工序为采用电场对沉积结束的吸收涂层进行退火处理。

进一步的，所述三靶室温直流磁控溅射法为在镀膜之前，先抽本底真空至5.5×10^-5Pa，然后通入高纯Ar气，设置流量为20sccm，通过闸板阀调节真空室真空度为4.0Pa，开始进行20～30min的预溅射，预溅射之后，在将真空度调至1.2～1.5Pa工作压力；

首先开始沉积热扩散阻挡层金属非晶Ta膜，设置功率为150W，控制膜厚为8～10nm，其中底层金属片温度为室温；