CN107190239A - 一种耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层由下而上依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片，吸收层材料为碳化锆和稀土钇的复合物，减反射层材料为氧化铝。本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.88，发射率≤0.13；该涂层具有很好的高温稳定性，可长期在700℃的真空环境下使用。本发明在太阳能热利用和热发电、重质油开采等领域具有广阔的实用价值和应用前景。

Description

一种耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，属于太阳能热发电和真空镀膜技术领域。
背景技术
太阳能有两种利用途径：一种通过光电池把太阳辐射转化为电能，常见的利用途径是太阳能电池；另外一种通过太阳能集热器把太阳辐射转化为热能，最简单的就是居家使用的屋顶热水器。利用太阳热能发电目前已成为全球风险投资的一个重点领域，其原理是通过聚光装置把太阳光线聚集在装有某种液体的管道或容器。借助太阳热能，液体被加热到一定温度，产生蒸汽然后驱动涡轮机发电，热能转化为电能。这种发电方式被人们称为太阳能热发电。近日，国家能源局批准在国内建设20个太阳能热发电示范项目。该示范项目的建设，将极大推动太阳能热发电技术。光谱选择性太阳能吸收涂层是太阳能热发电的核心材料，其要求该涂层具有高吸收率、低发射率和长期的热稳定性能。
近年来，金属陶瓷复合体系太阳能吸收涂层得到了广泛的研究，如 Al-AlN、Mo-SiO2、W-A12O3、Cr-Cr2O3、Ni-A12O3、Mo-A12O3、Cr-A12O3、Co-WC、W-Ni-A12O3、Ag-A12O3、Mo-Si3N4、Al-Ni-A12O3、W-Ni-YSZ等。 其中Mo-SiO2 和Mo-A12O3 体系已被意大利Angelantoni-ENEA公司和德国Siemens公司成功商业化推广。该涂层在工作温度580℃下具有优异的光学性能和良好的长期热稳定性。对于太阳能热发电而言，高的工作温度将极大提高光电转换效率，因此，开发在更高温度（大于600℃）下具有优异热稳定性和光学性能的高温太阳能吸收涂层具有重要的学术意义和实用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种耐高温太阳能选择性吸收涂层。
本发明所述涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，可用于光热发电、重质油开采、海水淡化等工农业领域。
本发明的另一目的是提供上述耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层由下而上依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；所述吸热体基底为抛光不锈钢片，所述的吸收层材料为碳化锆和稀土钇的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。
所述吸收层复合物的厚度为240-300 nm。
所述吸收层复合物中稀土钇的原子百分比为0.1-1%。
所述减反射层的厚度为50-100 nm。
所述吸热体基底的抛光不锈钢片粗糙度值为0.5-2 nm。
上述耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化锆和纯度为99.99%的稀土钇作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化锆采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0×10-6-5.0×10-6 Torr；调整碳化锆靶材的溅射功率密度为4-8 W/cm-2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.08-0.3 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-50 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化锆和稀土钇的复合物，厚度为240-300 nm；
3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-50 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50-100 nm；
所述步骤2）中吸收层溅射过程中吸热体基底温度为150-250℃。
所述步骤3）中减反射层溅射过程中吸热体基底温度为150-250℃。
本发明基于碳化锆潜在的光谱选择特性及稀土钇的调控，以碳化锆和稀土钇复合物为吸收层，氧化铝为减反射层，极大的丰富了碳化锆陶瓷和稀土钇在太阳能产业中的应用。本发明的太阳能选择性涂层在紫外可见近红外光谱范围内具有低的反射率，在红外光谱范围内具有高的反射率，在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.88，发射率≤0.13；在高真空度下，经700℃长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化，表明该涂层具有优异的高温稳定性能。本发明在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明一种耐高温太阳能选择性吸收涂层和制备方法作进一步说明。
实施例1
一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为1.5nm，吸收层材料为碳化锆和稀土钇的复合物，吸收层复合物的厚度为240nm。吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化锆采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物中稀土钇原子百分比为0.21%。减反射层材料为氧化铝，减反射层的厚度为76 nm，减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
上述一种耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化锆和纯度为99.99%的稀土钇作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化锆采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至3.0×10-6 Torr；调整碳化锆靶材的溅射功率密度为6.5 W/cm-2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.1 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化锆和稀土钇的复合物，厚度为240 nm。溅射过程中吸热体基底温度为200℃。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在6.1 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度76 nm。溅射过程中吸热体基底温度为200℃。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.92，发射率为0.12；在高真空度下，经700℃ 长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
实施例2
一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.5nm，吸收层材料为碳化锆和稀土钇的复合物，吸收层复合物的厚度为300 nm。吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化锆采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物中稀土钇原子百分比为0.1%。减反射层材料为氧化铝，减反射层的厚度为50 nm，减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
上述一种耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化锆和稀土钇作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化锆采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0×10-6 Torr；调整碳化锆靶材的溅射功率密度为4 W/cm-2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.08 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化锆和稀土钇的复合物，厚度为300 nm。溅射过程中吸热体基底温度为150℃。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50 nm。溅射过程中吸热体基底温度为150 ℃；
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.89，发射率为0.12；在高真空度下，经700℃长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
实施例3
一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层；吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为2 nm，吸收层材料为碳化锆和稀土钇的复合物，吸收层复合物的厚度为300 nm。吸收层复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化锆采用直流磁控溅射方法制备，稀土钇采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物中稀土钇原子百分比为1%。减反射层材料为氧化铝，减反射层的厚度为100 nm，减反射层氧化铝采用射频磁控溅射。
上述一种耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化锆和稀土钇作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化锆采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至5.0×10-6 Torr；调整碳化锆靶材的溅射功率密度为8 W/cm-2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.3 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为50 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化锆和稀土钇的复合物，厚度为300 nm。溅射过程中吸热体基底温度为250℃。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为50 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度100 nm。溅射过程中吸热体基底温度为250 ℃。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.88，发射率为0.12；在高真空度下，经700℃长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。

Claims (8)

1.一种耐高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于该涂层由下而上依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层；所述吸热体基底为抛光不锈钢片，所述的吸收层材料为碳化锆和稀土钇的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。
2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于所述吸收层复合物的厚度为240-300 nm。
3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于所述吸收层复合物中稀土钇的原子百分比为0.1-1%。
4.如权利要求1所述的涂层，其特征在于所述减反射层的厚度为50-100 nm。
5.如权利要求1所述的涂层，其特征在于所述吸热体基底的抛光不锈钢片粗糙度值为0.5-2 nm。
6.如权利要求1至5中任一项所述耐高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
2）吸收层的制备：采用纯度为99.99%的碳化锆和纯度为99.99%的稀土钇作为磁控溅射靶材；采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化锆采用直流磁控溅射，稀土钇采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0×10-6-5.0×10-6 Torr；调整碳化锆靶材的溅射功率密度为4-8 W/cm-2，稀土钇靶材的溅射功率密度为0.08-0.3 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-50 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化锆和稀土钇的复合物，厚度为240-300 nm；
3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-50 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50-100 nm。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中吸收层溅射过程中吸热体基底温度为150-250℃。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述步骤3）中减反射层溅射过程中吸热体基底温度为150-250℃。
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