CN107190240A - 一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层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，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³0.88，发射率£0.13；热稳定性能测试表明该涂层具有良好的结构稳定性和高温稳定性，可长期在500℃的真空环境下使用。该涂层在光热发电、重质油开采、海水淡化等工农业领域具有重要的应用价值。本发明制备工艺简单，成本较低，在太阳能热利用具有广阔的实用价值和应用前景。

Description

一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
当前，在化石等不可再生能源日趋稀缺的背景下，世界能源结构将发生重大变化，太阳能将逐渐代替常规能源，成为不可缺少的重要能源，太阳能的光热利用研究已是当今热点。太阳能高温利用在光热发电、重质油开采、海水淡化等领域具有广阔的市场前景。光谱选择性吸收涂层是太阳能高温利用的核心材料，其要求具有高吸收率、低发射率和优异的耐高温性能。
近年来，研究人员已经开发了许多性能优良的过渡金属氮化物/碳化物基太阳能吸收涂层，如TiAlN/TiAlON/Si3N4，HfMoN/HfON/Al2O3，Ti/AlTiN/AlTiON/AlTiO，Fe3O4/Mo/TiZrN/TiZrON/SiON，Ti0.5Al0.5N/Ti0.25Al0.75N/AlN，Cu/TiAlCrN/TiAlN/AlSiN，TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSi等。然而，该多层串联体系沉积工艺较复杂，需精确控制化学计量比，生产周期长、工艺复杂、成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中传统太阳能选择性吸收涂层存在的问题而提供一种可见-红外光谱高吸收率、红外光谱低发射率的高温太阳能选择性吸收涂层。
本发明的另一目的是提供上述高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
一种高温太阳能选择性吸收涂层，该涂层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，所述吸收层材料为碳化锆，所述减反射层材料为氧化铝。
所述吸收层碳化锆的厚度为120-160 nm。
所述减反射层氧化铝的厚度为80-120 nm。
所述吸热体基底抛光不锈钢片的粗糙度值为0.5-2 nm。
上述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：吸收层碳化锆制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化锆作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0´10-6-5.0´10-6 Torr；利用偏压清洗基片5-10分钟，偏压功率为10-30W；偏压清洗结束后开始沉积吸收层，碳化锆靶材的溅射功率密度为4-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-50 sccm，沉积碳化锆厚度为120-160 nm；
3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，开始沉积减反射层Al2O3，以纯度为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80-120nm。
所述步骤2）中在磁控溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为150-250 ℃。
所述步骤3）中在磁控溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为150-250 ℃。
本发明所述高温太阳能选择性吸收涂层以高温稳定性良好的碳化锆做为吸收层和扩散阻挡层，极大的丰富了碳化锆陶瓷在太阳能产业中的应用。本发明所述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³0.88，发射率£0.13；在高真空度下，经500℃长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化。该涂层在光热发电、重质油开采、海水淡化等工农业领域具有重要的应用价值。
综上所述，本发明制备的涂层具有可见-红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点。本发明碳化锆作为吸收层和扩散阻挡层，没有红外反射层和掺杂，涂层结构简单，从而简化了工艺，降低成本，本发明在太阳能高温热利用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高温太阳能选择性吸收涂层以及制备及性能作进一步说明。
实施例1
一种高温太阳能选择性吸收涂层，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1.2 nm；吸收层材料为碳化锆，厚度为140 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为90 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述一种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：选用粗糙度值为1.2 nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后将抛光不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗15分钟，用氮气吹干，真空保存，待用；
（2）吸收层的制备：吸收层碳化锆制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化锆作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至3.0´10-6 Torr；利用偏压清洗基片5分钟，偏压功率为20W； 偏压清洗结束后开始沉积吸收层，碳化锆靶材的溅射功率密度为6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为30 sccm，在磁控溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为200℃，沉积碳化锆厚度为140 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，开始沉积减反射层Al2O3。以纯度为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 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为30 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，在磁控溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为200℃，厚度为90 nm；
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0.11；在高真空度下，经500 ℃ 长时间保温后，其吸收率为0.93，法向发射率为0.10。
实施例2
一种高温太阳能选择性吸收涂层，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0.5 nm；吸收层材料为碳化锆，厚度为120 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为80 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述一种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：选用粗糙度值为0.5 nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后将抛光不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗10分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
（2）吸收层的制备：吸收层碳化锆制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化锆作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0´10-6 Torr；利用偏压清洗基片10分钟，偏压功率为10W； 偏压清洗结束后开始沉积吸收层，碳化锆靶材的溅射功率密度为4 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，在磁控溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为150 ℃，沉积碳化锆厚度为120 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，开始沉积减反射层Al2O3。以纯度为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，在磁控溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为150 ℃，厚度为80 nm。
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0.90，发射率为0.12； 在高真空度下，经500 ℃长时间保温后，其吸收率为0.90，发射率为0.13。
实施例3
一种高温太阳能选择性吸收涂层，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，厚度为160 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为120 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化锆基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：选用粗糙度值为2 nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空保存，待用；
（2）吸收层的制备：吸收层碳化锆制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化锆作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至5.0´10-6 Torr；利用偏压清洗基片5分钟，偏压功率为30W； 偏压清洗结束后开始沉积吸收层，碳化锆靶材的溅射功率密度为8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为50 sccm，在磁控溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为250 ℃，沉积碳化锆厚度为160 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，开始沉积减反射层Al2O3。以纯度为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，在磁控溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为250 ℃，厚度为120 nm。
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500 ℃长时间保温后，其吸收率为0.90，发射率为0.12。

Claims (7)

1.一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于该涂层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，所述吸收层材料为碳化锆，所述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碳化锆的厚度为120-160 nm。
3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于所述减反射层氧化铝的厚度为80-120 nm。
4.如权利要求1所述的涂层，其特征在于所述吸热体基底抛光不锈钢片的粗糙度值为0.5-2 nm。
5.如权利要求1至4中任一项所述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：吸收层碳化锆制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化锆作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0´10-6-5.0´10-6 Torr；利用偏压清洗基片5-10分钟，偏压功率为10-30W；偏压清洗结束后开始沉积吸收层，碳化锆靶材的溅射功率密度为4-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-50 sccm，沉积碳化锆厚度为120-160 nm；
3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，开始沉积减反射层Al2O3，以纯度为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80-120nm。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中在磁控溅射沉积吸收层时所述吸热体基底温度为150-250 ℃。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述步骤3）中在磁控溅射沉积减反射层时所述吸热体基底温度为150-250 ℃。
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