CN203116350U - 一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜，该透明热镜包括GLASS/D1/ITO/D2或Porous-SiO₂/GLASS/D1/ITO/D2/Porous-SiO₂或GLASS/ITO/D2/D1膜系结构。本实用新型中ITO膜不仅仅是红外热反射功能层，而且将其与高低折射率的减反膜系从光学设计上进行搭配，使其光谱选择性优于单层透明热镜，太阳光谱（300-2500nm）透过率比相同透明基底、相同工艺条件下制备的辐射率相同的单层TCO膜透明热镜提高10%。

Description

一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜

技术领域：

本实用新型属于太阳能光热利用中纳米薄膜材料领域，涉及一种用作太阳能集热器的透明热镜的结构。 

技术背景：

太阳能是最重要的可再生能源之一。利用太阳能的途径主要包括光热与光电两种形式。太阳能集热器是光热利用中的关键部件，其基本构成及工作原理参见图4。太阳光照射到置于太阳能集热器内的表面涂有光吸收材料的吸热体上，其中大部分被吸收，转化为热能由传热介质输出利用；而与此同时，处在工作温度的吸热体也通过传导、对流和辐射等方式向四周散热而产生热能损耗。因此，在集热器表面加盖透明盖板，减少吸热体的对流和辐射热损失，可以有效提高集热器光热转换效率。 

集热器的透明盖板材料可以使用玻璃和透明热镜。单纯使用玻璃有较好的透过率，但不具备屏蔽吸热体热辐射的能力。透明热镜是在玻璃上沉积透明导电氧化物薄膜，如铟锡氧化物薄膜ITO（In₂O₃:Sn）制成，但该薄膜对太阳光谱有吸收而损失部分太阳光透过率，且与其膜厚相关。 

实用新型内容：

本实用新型的目的在于解决集热器透明盖板太阳光透过率和辐射率之间的矛盾，提供一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜。 

本实用新型提供的一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜，包括玻璃基板GLASS和半导体透明导电薄膜ITO膜，还包括置于ITO膜之前的介质层D1和置于ITO膜之后的介质层D2，且折射率N_glass＜N_D1＜N_ITO，N_D2＜N_ITO，层之间以磁控溅射方式结合。 

所述介质层D1厚度5nm-300nm；材料为Al₂O₃或（TiO₂或ITO/SiO₂）_n，n为交替次数，n的取值范围为1-3。 

所述介质层D2厚度为5nm-1μm，材料为SiO₂。 

所述玻璃基板厚度0.5-3mm；材料为超白玻璃或硼酸盐玻璃。 

所述ITO膜厚度为5nm-300nm。 

具体的一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜，为包括GLASS/D1/ITO/D2膜系结构的透明热镜；各层厚度分别为玻璃基板0.5-3mm， 介质层D1为5nm-300nm，ITO为5nm-300nm，介质层D2为厚度5nm-1μm。 

另一种变化的透明热镜，在GLASS与D2两侧另设多孔SiO₂涂层Porous-SiO₂，膜系结构为Porous-SiO₂/GLASS/D1/ITO/D2/Porous-SiO₂，其中Porous-SiO₂厚度5nm-1μm，以碱催化溶胶-凝胶涂膜方式与GLASS或D2结合。 

本实用新型还提供另一种具体的减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜，包括玻璃基板GLASS和半导体透明导电薄膜ITO膜，还包括介质层D1和介质层D2，所述结构为GLASS/ITO/D2/D1，层之间以磁控溅射方式结合；其中：所述介质层D1厚度5nm-300nm，材料是（TiO₂或ITO/SiO₂）_n，n为交替次数，n的取值范围为1-3；所述介质层D2厚度为5nm-1μm，材料为SiO₂；所述玻璃基板厚度为0.5-3mm，材料为超白玻璃或硼酸盐玻璃；所述ITO膜厚度为5nm-300nm。 

采用以上技术方案，本实用新型特点为采用多层减反膜系设计，在获得低于玻璃表面热辐射率的同时，具有与玻璃盖板同样的太阳光谱透过率；另一方面，与相同厚度ITO膜制成的单层膜透明热镜相比，太阳光谱透过率增加10%，同时辐射率保持不变。 

附图说明：

图1为本实用新型的GLASS/D1/ITO/D2透明热镜结构示意图； 

图2为本实用新型的Porous-SiO₂/GLASS/D1/ITO/D2/Porous-SiO₂透明热镜结构示意图； 

图3为本实用新型的GLASS/ITO/D2/D1ITO透明热镜结构示意图； 

图中，各标号含义为：1—玻璃基板（0.5-3mm），2—介质层D1（5nm-300nm），3—ITO层（5nm-300nm），4—介质层D2（5nm-300nm），5—多孔SiO2涂层（5nm-1μm）。 

图4为太阳能集热器构成及工作原理图。 

具体实施方式：

为了在不影响单层ITO透明热镜辐射率的条件下，提高ITO透明热镜的太阳光谱透过率，尽可能达到并接近不镀膜玻璃基板的太阳光谱透过率，实用新型人针对现有单层ITO膜在太阳光波段的光学常数和光谱性能进行了深入分析，发现在ITO膜吸收小、透过率高并且占太阳光能量比例高的（380-1000nm）波段可以通过光学减反设计降低该波段ITO镀膜玻璃的反射率，进而提高其透过率。 

本实用新型设计的太阳能光热转换集热器透明热镜，包括玻璃基板(GLASS)、介质层(D1和D2)和半导体透明导电薄膜(ITO)等几部分，其中一种结构参见图1所示。各部分的功能、组成和制备方法如下： 

图中，1为玻璃基板（厚度0.5-3mm），对太阳光有高透过率、低吸收率。可使用超白玻璃（或称低铁玻璃）、硼酸盐玻璃等。 

图1中，2是介质层D1（厚度5nm-300nm）；介质层D1材料有以下二种选择： 

1.1D1是单层介质薄膜，折射率N_D1介于ITO膜材料折射率N_ITO和玻璃基板折射率Nglass之间，即N_glass＜N_D1＜N_ITO。本实用新型中D1优选为Al₂O₃，依同理也可采用Y₂O₃等折射率在1.5-2.0之间的氧化物。其与玻璃基板1之间的结合及制备方法为化学反应或非化学反应磁控溅射； 

1.2D1是（高折射率/低折射率）n减反膜系(n为交替次数)。其中：高折射率材料折射率大于等于2.0，本实用新型中以TiO₂（N=2.4）和ITO（N=2.0）为例，依同理也可采用其他折射率在2.0-3.0之间的氧化物如Bi₂O₃、CeO₂、Nb₂O₅、TiO₂、T₂O₅等，依同理也可采用与ITO类似的透明导电氧化物薄膜（例如，在In₂O₃、SnO₂、ZnO中的一种中掺入Sn、Al、Ga、B、In、Sn、Zr、Ce、Sc中的一种或多种元素形成的掺杂氧化物薄膜）。低折射率材料为SiO₂。高折射率材料和低折射率材料交替，n为交替次数，n的取值范围为1-3。高折射率材料一面与玻璃基板1结合，结合及制备方式为化学反应或非化学反应磁控溅射。 

介质层D1下面是ITO膜（厚度5nm-300nm）3。本实用新型优选ITO材料，依同样的设计思路也可使用其他透明导电氧化物薄膜，例如在In₂O₃、SnO₂、ZnO的一种中掺入Sn、Al、Ga、B、Sn、Zr、Ce、Sc中的一种或多种元素。ITO层与介质层D1之间的结合及制备方法是化学反应或非化学反应磁控溅射。 

ITO下面是介质层D2（厚度5nm-1μm）4。介质层D2是折射率N_D2N_ITO的介质层，其材料如为SiO₂，介质层D2与TCO层之间的结合及制备方法为化学反应或非化学反应磁控溅射。 

以上1-4层材料组合形成GLASS/D1/ITO/D2膜系透明热镜。 

在上述GLASS/D1/ITO/D2膜系中，当D1为1.2所述的（高折射率/低折射率）n减反膜系时，（ITO/D2）与D1在膜系中的位置可以互换即，膜系为GLASS/ITO/D2/D1，该结构的透明热镜结构参见图3。 

所述GLASS/D1/ITO/D2膜系中，GLASS与D2两侧可添加多孔SiO₂涂层（代号Porous-SiO₂，5nm-1μm）5，参见图2所示，整个膜系结构变为Porous-SiO₂/ GLASS/D1/ITO/D2/Porous-SiO₂。多孔SiO₂材料采用碱催化溶胶-凝胶方法制备，主要原材料包括正硅酸乙酯、无水乙醇、水等，催化剂为氨水。该多孔SiO₂材料的制备已有公开成熟技术（付甜，吴广明，沈军，肖轶群等.溶胶-凝胶法制备宽带减反膜.功能材料,Vol.34,No.5(2003):579-584；杨天河，吴广明，赖珍荃，张拥华等.用于太阳集热器的sol-gel宽带SiO2减反膜.太阳能学报,Vol.21,No.3(2000):253-257）。多孔SiO₂涂层采取碱催化溶胶-凝胶涂膜方式与GLASS或D2结合。由此，形成Porous-SiO₂/GLASS/D1/ITO/D2/Porous-SiO₂膜系结构，参见图1所示，从上向下依次为多孔SiO₂涂层（5nm-1μm）5、玻璃基板（0.5-3mm）1、介质层D1（5nm-300nm）2、ITO层（5nm-300nm）3、介质层D2（5nm-300nm）4和多孔SiO₂涂层（5nm-1μm）5。 

以下为具体实施例。 

实施例1太阳能光热转换集热器透明热镜及其制备

该例膜系结构为： $\left|\begin{array}{c}\mathrm{Material}\\ K\\ d\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{Porous}-{\mathrm{SiO}}_2\\ 1.22\\ 127\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{Glass}\\ \\ 1\mathrm{mm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}{\mathrm{Al}}_2{O}_3\\ 1.10\\ 81\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{ITO}\\ 2.00\\ 121\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}{\mathrm{SiO}}_2\\ 1.11\\ 90\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{Porous}-{\mathrm{SiO}}_2\\ 1.22\\ 127\mathrm{nm}\end{array}\right|$

（其中，K为1/4中心波长λ=480nm的倍数，d为每层薄膜的物理厚度） 

该透明热镜的制备步骤： 

1）Glass为1mm硼酸盐低铁玻璃（平面尺寸：300×300mm毫米)。玻璃基片处理：玻璃基片首先采用中性洗涤液清洗，然后在镀膜设备的进片室进行射频离子源表面清洗，工艺参数为：射频电源溅射功率：200w，工作气体：Ar（纯度99.99%）45sccm(标准毫升/分钟)，工作气压：9.8×10^-2mTorr，溅射时间：360秒，基片温度：200℃。 

2）D1材料为A1₂O₃，81nm，镀膜工艺采用直流电源氧化反应溅射金属铝靶（纯度：99.95%，尺寸：127×457.2×6mm）。磁控溅射镀膜工艺参数为：直流电源溅射功率：1400w，工作气压：恒压控制5mTorr，工作气体：Ar（纯度99.99%）30sccm，O₂(纯度99.999%)14sccm，基片温度：200℃；基片运动速率：0.4m/min；基片往返运动24次。 

3）ITO层为121nm，在A1₂O₃层上沉积ITO，镀膜工艺采用脉冲直流电源磁控溅射ITO陶瓷靶（纯度：99.99%，In₂O₃:SnO₂=90:10wt%）。ITO膜磁控溅射镀膜工艺参数为：脉冲直流电源溅射功率：1000w，工作气压：恒压控制3mTorr，工作气体：Ar（纯度99.99%）50sccm，O2(纯度99.999%)1sccm，基片温度： 300℃，基片运动速率：0.4m/min；基片往返运动2次。 

4）D2材料为SiO₂，90nm，在ITO层上沉积SiO₂，镀膜工艺采用脉冲直流电源氧化反应溅射硅靶（纯度：99.95%，尺寸：127×457.2×6mm）。磁控溅射镀膜工艺参数为：脉冲直流电源溅射功率：2000w，工作气压：恒压控制5mTorr，工作气体：Ar（纯度99.99%）30sccm，O₂(纯度99.999%)12sccm，基片温度：300℃，基片运动速率：0.4m/min；基片往返运动4次。 

5）在步骤4）制备的SiO₂/ITO/Al₂O₃/GLASS板的两面，涂覆多孔SiO₂层，127nm。涂覆工艺采用已公开的成熟提拉式碱催化溶胶-凝胶涂膜工艺。 

经以上步骤1）-步骤5）得到本例Porous-SiO₂/SiO₂/ITO/Al₂O₃/GLASS/Porous-SiO₂膜系太阳能光热转换集热器透明热镜。 

实施例2太阳能光热转换集热器透明热镜及其制备

该例膜系结构透明热镜为： 

$\left|\begin{array}{c}\mathrm{Material}\\ K\\ d\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{Porous}-{\mathrm{SiO}}_2\\ 1.16\\ 121\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{Glass}\\ \\ 1\mathrm{mm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}{\mathrm{TiO}}_2\\ 0.15\\ 7\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}{\mathrm{SiO}}_2\\ 0.42\\ 34\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{ITO}\\ 2.00\\ 121\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}{\mathrm{SiO}}_2\\ 1.06\\ 86\mathrm{nm}\end{array}\right|\left.\begin{array}{c}\mathrm{Porous}-{\mathrm{SiO}}_2\\ 1.16\\ 121\mathrm{nm}\end{array}\right|$

（K为1/4中心波长λ=480nm的倍数，d为每层薄膜的物理厚度）这里： 

D1为2.2节介绍的高折射率材料TiO₂和低折射率材料SiO₂的交替，交替次数n=1；其余层材料与实施例1）相同，K与d按本例上述设计数值。 

制备步骤1）、3）—5）与实施例1相同，步骤2）中TiO₂沉积在玻璃基板上，镀膜工艺同实施例1，基片运动速率：0.4m/min，基片往返运动3次；SiO₂沉积在D1的TiO₂层上，镀膜工艺同实施例1，基片运动速率：0.8m/min，基片往返运动3次。 

实施例3太阳能光热转换集热器透明热镜及其制备

该例膜系结构透明热镜为： 

（K为1/4中心波长λ=550nm的倍数，d为每层薄膜的物理厚度）这里： 

D1为2.2节介绍的（高折射率/低折射率）n，n=2，这里高折射率材料为ITO， 低折射率材料为SiO₂；其余层材料与实施例1）相同，K与d按本例上述设计数值。 

本例中，制备中步骤1）玻璃基片处理方法与实施例1相同。 

制备中步骤2）制备D1即(ITO/SiO₂)₂磁控溅射镀膜工艺参数中，n为1的阶段，在玻璃基片上制备约21nm厚度的ITO膜时基片运动速率为1.2m/min，基片往返运动一次，n为2的阶段，在SiO₂层上制备约88nm的ITO膜时基片运动速率为0.3m/min，基片往返运动一次，其他工艺参数与实施例1相同；n为1的阶段，在ITO层制备约27nm的SiO₂时基片运动速率为0.33m/min，基片往返运动一次，n为2的阶段，在ITO层制备约9nm的SiO₂时基片运动速率为1m/min，基片往返运动一次，其他工艺参数与实施例1相同。步骤2）制备得到的D1为(ITO/SiO₂)₂。 

本例中，制备中步骤3）在D1的外层SiO₂上沉积ITO层，其中磁控溅射镀膜工艺参数中基片运动速率0.6m/min，基片往返运动1次，其他工艺参数与实施例1中步骤3）相同。 

本例中，制备中步骤4）制备D2层、步骤5）在两侧涂覆多孔SiO₂层与实施例1中步骤4）、5）相同。 

比较例1单层ITO(121nm)透明热镜

玻璃基片为1mm硼酸盐低铁玻璃（平面尺寸：300×300mm毫米)； 

在玻璃基片上制备单层ITO膜，厚度121nm，制备方法与实施例1中步骤3）相同。 

该单层TCO透明热镜用于与实施例1、2对比。 

比较例2单层ITO(150nm)透明热镜

用与比较例1相同的方法制备单层ITO膜、膜厚150nm的透明热镜，用于与实施例3对比。 

比较例3玻璃基板

不镀膜的1mm硼酸盐低铁玻璃基片（平面尺寸：300×300mm毫米)，用于与实施例1-3的对比。 

透明热镜性能检测： 

根据ISO9050国际标准，用分光光度计(LAMBDA950紫外/可见/近红外分光光谱仪，美国PerkinElmer公司)测试实施例和比较例透明热镜的太阳光谱透过率（300-2500nm）。 

根据EN673(1998)欧标,利用傅里叶变换红外光谱仪（TENSOR27，德国 Bruker），测试膜系的辐射率。 

测试样品为实施例中步骤4）的透明热镜（未涂覆多孔SiO₂层）和步骤5）的透明热镜（双面涂覆多孔SiO₂层）。 

实施例未涂覆多孔SiO₂层透明热镜及比较例透明热镜的测试结果见表2，实施例双面涂覆多孔SiO₂层的透明热镜的测试结果见表3。 

表2.各实施例与比较例的太阳光透射率和辐射率 

表2检测结果显示： 

比较例1和实施例1-2中ITO膜总厚度均为121nm，透明热镜的辐射率相近，但实施例1-2为多层设计，其太阳光透射率较比较例1提高了约7%。 

比较例2和实施例3中ITO膜总厚度均为150nm，透明热镜的辐射率相近，但实施例4为多层设计，其太阳光透射率较比较例2提高了约6%。 

比较例3与实施例1-3对比，虽然实施例的透明热镜太阳透过率降低约4%，但实施例的辐射率较比较例3降低了60%以上，大幅度改善了辐射率。 

另一方面，每个实施例在涂覆多孔SiO₂前后，透明热镜太阳光谱透过率和辐射率的变化见表3，涂覆多孔SiO₂后可以使太阳光谱透过率提高约3.5%，同时对辐射率没有明显影响。 

表3.各实施例涂覆多孔SiO₂前后太阳光透射率和辐射率 

本实用新型中ITO膜不仅仅是红外热反射功能层，而且将其与高低折射率的减反膜系从光学设计上进行搭配，使其光谱选择性优于单层透明热镜，太阳光谱（300-2500nm）透过率比相同透明基底、相同工艺条件下制备的辐射率相同的单层TCO膜透明热镜提高10%。 

Claims (10)

1.一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜，包括玻璃基板GLASS和半导体透明导电薄膜ITO膜，其特征在于，还包括置于ITO膜之前的介质层D1和置于ITO膜之后的介质层D2，且折射率N_glass＜N_D1＜N_ITO，N_D2N_ITO，层之间以磁控溅射方式结合。 

2.根据权利要求1所述的透明热镜，其特征在于，所述介质层D1厚度5nm-300nm；材料为Al₂O₃或（TiO₂或ITO/SiO₂）_n，n为交替次数，n的取值范围为1-3。 

3.根据权利要求1或2所述的透明热镜，其特征在于，所述介质层D2厚度为5nm-1μm，材料为SiO₂。 

4.根据权利要求3所述的透明热镜，其特征在于，所述玻璃基板厚度0.5-3mm；材料为超白玻璃或硼酸盐玻璃；所述ITO膜厚度为5nm-300nm。 

5.根据权利要求3所述的透明热镜，其特征在于，为包括GLASS/D1/ITO/D2膜系结构的透明热镜；各层厚度分别为玻璃基板0.5-3mm，介质层D1为5nm-300nm，ITO为5nm-300nm，介质层D2为厚度5nm-1μm。 

6.根据权利要求5所述的透明热镜，其特征在于，在GLASS与D2两侧另设多孔SiO₂涂层Porous-SiO₂，膜系结构为Porous-SiO₂/GLASS/D1/ITO/D2/Porous-SiO₂，其中Porous-SiO₂厚度5nm-1μm，以碱催化溶胶-凝胶涂膜方式与GLASS或D2结合。 

7.根据权利要求6所述的透明热镜，其特征在于，GLASS厚度为1mm；D1材料为A1₂O₃，厚度81nm；ITO层厚度为121nm；D2材料为SiO₂，厚度90nm；Porous-SiO₂层厚度127nm。 

8.根据权利要求6所述的透明热镜，其特征在于，GLASS厚度为1mm；D1为7nmTiO₂/34nmSiO₂；ITO层厚度为121nm；D2材料为SiO₂，厚度86nm；Porous-SiO₂层厚度121nm。 

9.根据权利要求6所述的透明热镜，其特征在于，GLASS厚度为1mm；D1为21nmITO/27nmSiO₂/88nmITO/9nmSiO₂；ITO层厚度为41nm；D2材料为SiO₂，厚度96nm；Porous-SiO₂层厚度131nm。 

10.一种减反膜系结构太阳能光热转换集热器透明热镜，包括玻璃基板GLASS和半导体透明导电薄膜ITO膜，其特征在于，还包括介质层D1和介质层D2，所述结构为GLASS/ITO/D2/D1，层之间以磁控溅射方式结合；其中： 

所述介质层D1厚度5nm-300nm，材料是（TiO₂或ITO/SiO₂）_n，n为交替次数，n的取值范围为1-3； 

所述介质层D2厚度为5nm-1μm，材料为SiO₂； 

所述玻璃基板厚度为0.5-3mm，材料为超白玻璃或硼酸盐玻璃； 

所述ITO膜厚度为5nm-300nm。 

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