CN101769648A - 一种选择性太阳能光热吸收涂层 - Google Patents

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陈汉文
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Abstract

本发明属于太阳能设备领域，尤其涉及一种使用在平板式太阳能集热器表面，用于吸收利用太阳能的选择性吸收涂层。一种选择性太阳能光热吸收涂层，该涂层由多层金属与非金属复合而成，上述的选择性太阳能附着在金属平板上，其特征在于：所述的涂层在金属平板上附着的次序依次为底层—氮化铝复合层—氮化铝复合层—三氧化二铝(这个中的第二层铝与N2等反应气体之后，是否生成新的氮化铝复合物质)。本发明可以提供一种具有优良的太阳能选择性吸收特性，且膜层牢固的选择性吸收膜层，该膜层具有较高的结合强度和良好的耐候性，同时在生产上是具有较高的生产效率。

Description

一种选择性太阳能光热吸收涂层
【技术领域】
本发明属于太阳能设备领域，尤其涉及一种使用在平板式太阳能集热器表面，用于吸收利用太阳能的选择性吸收涂层。
【背景技术】
太阳能热水器就是吸收太阳的辐射热能，。它是我国太阳能热利用中最为成熟和最为先进的产品。为百姓提供环保、安全、节能、卫生的新型热水器产品。最常见的太阳能热水器有三种：闷晒式太阳能热水器、平板式太阳能热水器和真空管太阳能热水器。闷晒式太阳热水器的集热器和水箱合为一体。结构简单、价格低廉。但是保温差，不能过夜使用，冬季更不能使用。平板式太阳能热水器由平板太阳集热器、蓄水箱、循环管、支架组成。吸热体有铜铝复合管板式、全铜管板式、不锈钢冲压成型焊接而成的扁盒式等结构型式。而太阳能集热器，其中的关键部件就是太阳能集热器板芯，现在大多采用铜铝复合的板状材料制成。太阳光谱选择性吸收涂层应用于太阳能集热器集热表面，主要由红外高反射层、吸收层和减反射层构成，其中减反射层的作用是降低物体表面对入射光的反射，增加物体表面对光的吸收，增加吸收效率；红外高反射层减少集热器内部向外辐射，降低热损失；吸收层用于吸收太阳光，给集热器提供热源。在太阳能的光热转换中，选择性吸收涂层的吸收层中的介质的折射率要尽可能低，减反射层的折射率也要尽可能低，这样才能获得光热转换效率较高的太阳能选择性吸收涂层，但同时也要注重介质的沉积速率不能过低，以免影响生产效率。而在涂层的制备过程中，采用磁控反应溅射或射频反应及中频反应溅射方法，利用金属或非金属靶材，由于靶中毒，造成减反射层的沉积速率非常低，使生产效率大大降低。由于减反射层的生产效率低，目前在市场上的绝大多数太阳能集热器都不采用设有减反射层的太阳光选择性吸收涂层。对于在真空环境低温范围使用的太阳能选择性吸收涂层目前已研究和广泛应用了选择性吸收涂层，这种膜系和工艺方法的优点是，Al单靶直流磁控溅射镀膜工作，设备操作简单，膜层吸收率较高，对在低温范围使用全玻璃真空管的比较适用，但对于中温及高温使用由于其红外发射率随温度上升明显升高，造成集热器热损增大，热效率明显下降。为了提高高温使用范围选择性吸收涂层的热稳定性，降低红外发射率，已研究和发展了高温稳定金属双靶共溅射淀积技术，这种涂层具有多层膜层的结构、使在高温范围内热性能稳定，吸收/发射比较小。但是；这种涂层和工艺方法的关键是必须采用高温稳定金属如W、MO、SS，而且必须采用双电极靶共溅射；造成沉积速率低，生产周期长、工艺复杂、靶材稀贵、成本高。所以现在需要一种吸收率很高，发射率很低，而且热稳定性很好的选择性吸收涂层及制备技术。但是至今行业中没有出现可以克服以上缺点的技术解决方案。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具有优良的太阳能选择性吸收特性，且膜层牢固的选择性吸收膜层，该膜层具有较高的结合强度和良好的耐候性，同时在生产是具有较高的生产效率。
为了达到上述的技术目的，本发明采用的技术解决方案包括以下技术内容：一种选择性太阳能光热吸收涂层，该涂层由多层金属与非金属复合而成，上述的选择性太阳能附着在金属平板上，其特征在于：所述的涂层在金属平板上附着的次序依次为底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝(这个中的第二层铝与N2等反应气体之后，是否生成新的氮化铝复合物质)
所述的底层为不锈钢、钼或者镍中的一种。
所述的底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝的厚度为80nm-120nm。
所述的底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝各层的厚度为，底层15nm-25nm；氮化铝复合层25nm-35nm；氮化铝复合层25nm-35nm；三氧化二铝15nm-25nm。
所述的底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝各层的最佳厚度为，底层20nm；氮化铝复合层30nm；氮化铝复合层30nm；三氧化二铝20nm。
所述的氮化铝复合层涂层在进行发应溅射时需要在真空室中加入氮气，氮气的加入量为20sccm-40sccm帕。
所述的不锈钢为用SUS304不锈钢。
通过采用上述的技术解决方案，本发明获得了以下技术优点和效果：本发明通过采用不锈钢-氮化铝复合层--氮化铝复合层-三氧化二铝的复合膜层做为平板式太阳能集热器的选择性吸收涂层，这种复合膜层具有非常好的太阳能选择性能，其中金属底层分别采用不锈钢、钼或者镍做为金属底层，上述几种金属会在铜或者铝板上具有非常强的结合牢度，从而增强整个吸收膜层的固定牢度；另外上述的不锈钢、钼或者镍均具有非常好的红外反射性能，可以非常有效的降低膜层的热发射率，将氮化铝做为吸收层，并在磁控溅射的时候与真空室中充入的氮气和氧气反应，形成反应溅射膜，反应溅射出不同金属体积比的渐变吸收膜层，通过设置适当的调整膜层厚度和金属体积比，形成光干涉吸收膜层，大大增强了膜层对可见光的吸收，从而大大增强上述膜层的吸收率；另外在上述膜层的最上层通过反应溅射三氧化二铝膜层或二氧化硅膜层，可以利用三氧化二铝或二氧化硅稳定的性能，对其下的膜层起到减反射和封闭的作用，保护吸收层不会受到大气中的水份、盐分等的腐蚀，大幅度提高了膜层的耐候性，显著延长了上述膜层的使用寿命，同时因该膜层具有微观表面多孔性，可以防止可见光的反射，因此还具有减反射的功能。
【附图说明】
图1为本发明的膜层结构示意图。
【具体实施方式】
下面对本发明进行详细的说明：
本发明是针对现有的平板式太阳能集热器中使用的集热芯片材料的涂层工艺所做出的改进，现在常用的集热片一般为薄铜板或者铝板，因此本发明中的太阳能选择性吸收涂层就是以上述两种常用的材料基材所做出的技术改进。该涂层由多层金属与非金属复合而成，上述的选择性太阳能涂层附着在金属平板上，而这个金属板也就是薄铜板或者铝板。如图1所示，所述的涂层在金属平板5上附着的次序依次为金属底层4-氮化铝复合层3-氮化铝复合层2-三氧化二铝1，根据不同的金属特性，在本发明中的金属底层4为不锈钢、钼或者镍中的一种。使用这几种材料制成的复合膜层，也就是太阳能选择性吸收涂层，主要是上述的几种金属与铝和铜通过反应溅射后，可以稳定而牢固的附着在铝或者铜基材上，这样为整个复合膜层建立一个牢固的附着基础。另外这几种金属材料还具有较强的红外反射性能，可以降低复合膜层的热发射率，提高太阳能板芯的热性能，即对可见光的高吸收率和对红外辐射的高反射，把吸收的可见光的能量尽可能地留下。本发明所述的金属底层4，金属底层的材质(包括不锈钢、钼、镍任意一种)-氮化铝复合层3-氮化铝复合层2-三氧化二铝1的厚度为80nm-120nm。上述的这个厚度为筛选的比较合理的一个膜层厚度。上述的膜层在进行反应溅射时所生产的每层膜层的厚度分别是金属底层4为15nm-25nm；氮化铝复合层3吸收层为25nm-35nm；氮化铝复合层2为25nm-35nm；三氧化二铝1为15nm-25nm。上述的这个厚度范围可以根据具体的使用要求和太阳能设备的用途等技术指标进行调整。但是在一般情况下，最佳的膜层结构金属底层20nm；铝-氮-铝一共60nm；三氧化二铝20nm。
上述的膜层的加工过程为，首先将金属基材5，也就是薄铜板或者铝板进行表面预处理，然后将其放入预处理室中在10-2Pa的真空条件下，经过质量流量计通入Ar气60sccm，调节真空度在0.6pa，开靶极电源，靶极电源480v，电流4.5A，进行镀制前的离子刻蚀，处理时间为10-25分钟。用Ar离子源轰击基材5表面，电流密度0.8A/cm2使上述的薄铜板或者铝板表面的固体杂质得到良好的清理，进行离子刻蚀一般只需进行一个表面即可，因为镀制太阳能选择性吸收涂层也至少在一个表面上进行。进行离子刻蚀可以使基材5即薄铜板或者铝板的表面得到彻底的清理，提高镀制膜层时候的附着力，提高膜层使用寿命。
在进行基材5表面预处理之后，即可开始膜层的镀制过程，这个过程是通过真空磁控反应溅射来实现的。将上述经过处理的薄铜板或者铝板放入真空溅射室中，在0.5Pa的真空条件下通过磁控溅射镀制金属底层4，采用不锈钢靶或镍靶或钼靶进行，通入氮气42sccm，保持工作气压为0.5pa，电流5A，磁控溅射时间为5分钟。在厚度达到20nm是即可进入下一个膜层的镀制。
同样将该镀制完金属底层的基材放入真空室中，通过反应溅射镀制吸收层，采用铝靶进行磁控溅射，溅射时通入氧气30sccm，氮气20sccm，保持工作气压为0.5pa，电流5A，磁控溅射时间为7分钟。在厚度达到30nm是即可进入下一个膜层的镀制。在溅射吸收层的时候还可以通入其他可以通入的气体。在镀制不同的膜系时，通入不同的气体，按照膜系中的先后顺序。
同样将该镀制完金属底层的基材放入真空室中，通过反应溅射镀制吸收层，采用铝靶进行磁控溅射，溅射时通入氧气25sccm，氮气15sccm，保持工作气压为0.5pa，电流5A，磁控溅射时间为10分钟。在厚度达到30nm是即可进入下一个膜层的镀制。
最后将该镀制完金属底层的三氧化二铝1，将基材5放入真空室中，通过反应溅射镀制表面的陶瓷层，采用铝靶进行磁控溅射，溅射时通入氧气45sccm，保持工作气压为0.5pa，电流5A，磁控溅射时间为5分钟。在厚度达到20nm是即可进入下一个膜层的镀制。
上述描述只能被看作是较佳实施例。本技术领域中的那些熟练技术人员以及那些制造或使用本发明的人应意识到本发明的其它多种变化型式。因此，要理解的是，上述图示实施例仅仅是作示范用的，它并不会对本发明的范围构成限制，本发明的范围根据专利法的原则、包括等效物的原则所解释的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种选择性太阳能光热吸收涂层，该涂层由多层金属与非金属复合而成，上述的选择性太阳能附着在金属平板上，其特征在于：所述的涂层在金属平板上附着的次序依次为底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝。
2.根据权利要求1所述的一种选择性太阳能光热吸收涂层，其特征在于：所述的底层为不锈钢、钼或者镍中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种选择性太阳能光热吸收涂层，其特征在于：所述的底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝的厚度为80nm-120nm。
4.根据权利要求1所述的一种选择性太阳能光热吸收涂层，其特征在于：所述的底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝各层的厚度为，底层15nm-25nm；铝25nm-35nm；铝25nm-35nm；三氧化二铝15nm-25nm。
5.根据权利要求3所述的一种选择性太阳能光热吸收涂层，其特征在于：所述的底层-氮化铝复合层-氮化铝复合层-三氧化二铝各层的最佳厚度为，底层20nm；氮化铝复合层30nm；氮化铝复合层30nm；三氧化二铝20nm。
6.根据权利要求1所述的一种选择性太阳能光热吸收涂层，其特征在于：所述的氮化铝复合层-氮化铝复合层，涂层在进行发应溅射时需要在真空室中加入氮气，氮气的加入量为20sccm-40sccm帕。
7.根据权利要求1所述的一种选择性太阳能光热吸收涂层，其特征在于：所述的不锈钢为SUS304不锈钢。
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