一种太阳能吸收膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种太阳能吸收膜，本发明还设及一种太阳能吸收膜的制备方法，属 于锻膜技术领域。
【背景技术】
[0002] 太阳能是理想的可再生能源，具有清洁、无污染、取之不尽等优点。太阳能光热转 换利用装置的关键部分是太阳能集热器，而太阳能集热器的核屯、部件就是太阳光谱选择 性涂层。该种涂层吸收太阳光谱中紫外到近红外范围内的大部分能量，强烈反射红外波段， 自身红外福射率很低。为了能够充分利用太阳能，人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层 材料，该种材料必须满足W下2个条件；1)太阳光谱内的吸光程度高，即有尽可能高的吸收 率a;2)福射波长范围内有尽可能低的福射损失，即尽可能低的发射率e。从而达到高的 曰/e比值。理想的情况是0=1，￡=〇。
[0003] 按照涂层结构和其吸收原理，太阳能选择性吸收涂层分为5种类型。分别为本征 吸收涂层、光干设涂层、金属-电介质复合涂层、表面结构型吸收涂层和多层渐变涂层。其 中金属-电介质复合涂层和多层渐变涂层成为发展最快的两种吸收涂层。金属-电介质复 合涂层是在电介质基体中嵌入微小的金属颗粒形成的材料。通过改变电介质和金属的相对 含量来改变单个膜层的光学常数。该种复合膜一般沉积在对红外区有很好反射性的金属 (AlXu、Fe等）基体上，常用的电介质为多孔A203和碳化物，常用的金属有Ni、Gr、Co、Mo、 Ag、W等。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，如多层渐变不诱钢-碳/铜等。
[0004] 藍铁薄膜是德国"TIN0X"研发团队研发一种高效太阳能吸收涂层。藍铁薄膜的基 本膜基结构通常为基片/红外高反射层/吸收层Ti化0y/Si02增透减反射层。其核屯、层为 Ti化Oy膜，具有高吸收率低反射率特性。目前，制备金属/介电结构和多层渐变是提高涂层 光吸收性能两种途径，那么如何同时兼顾二者，将该两种途径结合在一起，形成同时具有多 级层构与成分梯度的藍铁涂层，并且寻找找最近的梯度与涂层厚度，利用金属层与金属颗 粒的反射与散射，增加光谱在薄膜中传播的路径，增加薄膜的吸收率；同时利用金属层的反 射特性，进一步提高在红外波段的反射率，将会极大的提高吸收率，降低发射率，优化吸收/ 发射比。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种种太阳能吸收膜及其制备方 法，兼具多级层构与成分梯度的特点，具备耐腐蚀抗氧化的特性，保证了涂层的工作可靠 性，可W进一步提升了藍铁选择吸收涂层的综合性能。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种太阳能吸收膜，依次包括底 层金属片化、吸收层和反应瓣射形成的A1N减反射层，其创新点在于；所述吸收层包括若干 个吸收周期层，每个周期层包括两层有效吸收层膜，该效吸收层膜从上往下依次为直流瓣 射形成的金属层Ni膜和反应瓣射形成的陶瓷吸收层Ti化Oy-Ni膜，该金属层Ni膜厚度为 5 ~8nm。
[0007] 进一步的，所述陶瓷吸收层为具有Ni金属渗杂的金属-陶瓷复合结构，陶瓷吸收 层的厚度为在10皿至135皿之间，Ni金属含量为在1. 16~1. 67%之间。。
[0008] 进一步的，所述吸收周期层为不同膜成分梯度，且相同厚度的吸收周期层或相同 膜成分梯度，且不同厚度的吸收周期层。
[0009] 进一步的，所述不同膜成分梯度，且相同厚度的吸收周期层为每个周期层中的两 层有效吸收层膜厚度为均105nm，若干个吸收周期层呈现多级梯度层构，其中金属层Ni膜 保持厚度不变，陶瓷吸收层Ti化Oy-Ni膜厚度从衬底到表面逐渐变厚，且从下至上陶瓷吸 收层Ti化Oy-Ni膜中的Ni逐渐减小。
[0010] 进一步的，述相同膜成分梯度，且不同厚度的吸收周期层为固定任意一种膜成分 梯度后，控制成分梯度不变，改变每个周期层中的两层有效吸收层膜的厚度，呈现多级厚度 层构。
[0011] 进一步的，所述多级梯度层构为3层梯度层构，该3层梯度层构的分布指数分别为 1. 16,1.50 和 1.67。
[0012] 进一步的，所述多层厚度层构为3层厚度层构，该3层厚度层构分别为105nm， 195nm和 285nm。
[0013] 本发明的另一个目的提供一种太阳能吸收膜的制备方法，包括底层金属片预处 理、沉积吸收层和高真空热退火工序，其创新点在于；所述沉积吸收层工序为采用=祀直流 磁控瓣射法，W纯度99. 9wt%的Ti02、99. 99wt%的金属Ni和99. 99wt%的金属A1为瓣射祀 材进行沉积涂层。
[0014] 进一步的，所述=祀直流磁控瓣射法具体步骤如下： (1) 先抽本底真空至2. 5X10-5化，然后通入高纯Ar气，设置流量为20sccm，通过闽板 阀调节真空室真空度为4.OPa，开始对Ti02,Ni和A1祀进行20~25min的预瓣射，预瓣射 之后，再将真空度调至1. 2~1. 25化工作压力； (2) 沉积吸收层；首先沉积金属层Ni，采用直流瓣射法，设置沉积功率为30W;然后进行 陶瓷吸收层Ti化Oy-Ni，采用射频反应瓣射法，设置沉积功率为250W，N2气流量为8sccm; (3) 沉积一层厚度为60皿的A1N减反射层，沉积功率为200W。
[0015] 进一步的，所述高真空热退火处理的方法为设置退火的温度为250~280°C，将样 品放置的保温时间为1~1.比。
[0016] 本发明的有益效果如下： (1)本发明的太阳能吸收层，采用多级层构与成分梯度的设计思路，使得吸收层兼具多 级层构与成分梯度的特点，具备耐腐蚀抗氧化的特性，保证了涂层的工作可靠性，可W进一 步提升了藍铁选择吸收涂层的综合性能。
[0017] (2)本发明的太阳能吸收层，特定选用金属Ni作为渗杂金属，金属Ni除了具有良 好的光学性能，如其在红外波段具有极低的发射率，是一种理想的散射材料，通过Ni的渗 杂，W及多级层构与成分梯度的结构设计，提高了光波在吸收复合层中反射的次数，增加了 光波传播的距离，从而促进了光谱的吸收；此外，由于表面层的减反射效应，进一步提升了 太阳能选择性吸收涂层的吸收率、降低了发射率。同时Ni还具备具有耐高温与耐腐蚀性， 并且与衬底Cu具有良好的结合力，不但有效防止了涂层与衬底的相互扩散，同时也提高了 涂层与沉积之间的界面结合力，极大的提高了复合涂层的热稳定性与工作可靠性。
[0018] (3)本发明的太阳能吸收层，选用红外反射材料Ni作为金属层，Ti化Oy作为吸收 功能层，通过厚度变化与金属渗杂，形成多级层构与成分梯度相结合的设计思路，总体上极 大的增加了光波在吸收复合层中反射次数与传播距离，不但提高了吸收涂层的吸收率，降 低了发射率，将吸收率/发射率比最大化。吸收涂层的吸收率和发射率分别达到96%和5% ; 利用Ni的热稳定性W及与衬底的良好结合力，提高了吸收涂层的热稳性与工作可靠性。
[0019] (4)本发明的太阳能吸收层制备方法，金属层和陶瓷吸收层分别采用的直流瓣射 与射频反应法制备，在较高的真空条件下进行锻膜，该有利于更精确的控制吸收涂层的成 分，避免了杂质对于吸收层的影响；同时，通过精确调节各瓣射参数，使得各单层厚度得到 精确控制，有利于得到最优的光学性能。
[0020] (5)本发明的太阳能吸收层制备方法，可控性好，清洁无污染，适合大规模产业化。
【附图说明】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】进行进一步的说明。
[0022] 图1为化/Ni-Ti化Oy多级层构薄膜的结构示意图。
[0023] 图2为Cu/Ni-Ti化Oy薄膜的XPS图谱。
[0024] 图3为不同梯度化/Ni-Ti化Oy薄膜的反射光谱。
[00巧]图4为不同厚度化/Ni-Ti化Oy薄膜的反射光谱。 图5~6为从紫外可见光谱分析曲线图。 图7~8为厚度与中远红外反射率的曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。
[0027] 实施例1 采用直流磁控反应瓣射法制备纳米梯度太阳光谱选择吸收膜涂层： 设备准备： 一台型号为JGP500A的磁控瓣射仪，该设备安装S支75mm永磁磁控祀，最大瓣射功率 为500W。一台四工位具有公转功能的样品转盘，可实现S祀共瓣射实验。样品既可加热也 可水冷，最高温度可到达800°C，加热速率可调范围在10°C/min- 50°C/min,适用于制备 多种不同材料薄膜。真空系统主要配有一台2XZ-8 (8L/S)型机械累和FF-200/1200祸沦 分子累，最高真空度可达到6. 010~6Pa，超高真空度为薄膜成分的精确控制提供了保障。 [002引材料准备； 瓣射祀材分别为纯度99. 9wt%的Al、99. 99wt%的Ni和99. 9wt%的的Ti02,直径均 为75mm;衬底为抛光处理后的金属化片4。在沉积之前，用己醇和丙酬将化衬底4依次 进行40min超声清洗，W除去其表面灰尘和油溃，表面的污溃除了会影响