太阳能吸收材料及具有该材料的太阳能吸收器

摘要

本发明公开了一种用于太阳能辐射的吸收器的太阳能选择性表面的太阳能吸收材料。该太阳能吸收材料包括分散的金属材料和吸收边界，通过该吸收边界可吸收太阳能辐射。此外，该太阳能吸收材料包括第一区域和第二区域。第一区域比第二区域更靠近吸收边界，且第一区域的分散的金属材料的平均体积分数大于第二区域的分散的金属材料的平均金属体积分数。

权利要求

1.一种用于太阳能辐射吸收器的太阳能选择性表面的太阳能吸收材料，该太阳能吸收材料包括：一分散的金属材料；

一吸收边界，通过其可吸收太阳能辐射；

一第一区域、一第二区域和一第三区域，该第一区域位于比所述第二区域更靠近所述吸收边界的位置，该第一区域的分散的金属材料的平均金属体积分数大于所述第二区域的分散的金属材料的平均金属体积分数，所述第三区域处于所述吸收边界下方的距离比所述第二区域处于所述吸收边界下方的距离远，且该区域的分散的金属材料的平均金属体积分数大于所述第二区域的平均金属体积分数。

2.如权利要求1所述的太阳能吸收材料，其中，包括位于所述第一区域和所述吸收边界之间的第四区域，所述第一区域的平均金属体积分数大于所述第四区域的平均金属体积分数。

3.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，至少一个区域包括至少两种材料组分的分散体，至少一种材料组分本身包括多于一种材料的成分。

4.如权利要求3所述的太阳能吸收材料，其中，所述多于一种材料的成分包括金属材料。

5.如权利要求4所述的太阳能吸收材料，其中，每种材料组分包括所述金属材料。

6.如权利要求3所述的太阳能吸收材料，其中，至少一种材料组分包括电介质材料。

7.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，在至少所述区域之一中所述金属材料被分散在电介质材料中。

8.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，选择所述各个区域的所述平均金属体积分数致使在300℃到500℃的温度范围内抑制来自相邻区域金属材料的扩散。

9.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，所述分散的金属材料包括硅化物材料。

10.如权利要求9所述的太阳能吸收材料，其中，所述分散的金属材料包括自对准硅化物的材料。

11.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，至少一个区域形成为一层。

12.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，至少所述区域之一的所述金属体积分数以梯变的方式沿从所述吸收边界向所述材料内的方向减小。

13.如权利要求1或2所述的太阳能吸收材料，其中，至少所述区域之一具有一致的金属体积分数。

14.一种具有太阳能选择性表面覆盖层的吸收器，包括：位于吸收器主体上的金属层；

顶层；和

夹在所述金属层和顶层之间的太阳能吸收覆盖层，所述太阳能吸收覆盖层包括如权利要求1-13中任一项所述的太阳能吸收材料。

15.一种用于太阳能辐射吸收器的太阳能选择性表面的太阳能吸收材料，该太阳能吸收材料包括：至少三个具有分散的金属材料的层，该至少三层的中间层具有的分散的金属材料的平均金属体积分数小于所述相邻层的分散的金属材料的平均金属体积分数，其中选择所述中间层的平均金属体积分数致使在300℃到500℃的温度范围内抑制金属材料从所述相邻层扩散。

说明书

太阳能吸收材料及具有该材料的太阳能吸收器

技术领域

[0001] 广义地说，本发明涉及一种用于太阳能选择性表面覆盖层的太阳能吸收材料。 [0002] 背景技术

[0003] 为了提高太阳能吸收器的效率，在太阳能吸收器上施加有太阳能选择性覆盖层。这种覆盖层可提高在具有高强度太阳能辐射的光谱范围内的太阳能辐射吸收率，并可减少在红外光谱范围内的能量损失。

[0004] 用于太阳能吸收器的太阳能选择性覆盖层通常包括设置在吸收器主体上的金属层、太阳能吸收覆盖层以及顶层。或者，可将太阳能吸收覆盖层直接设置在金属吸收器主体上。吸收层一般包括金属组成部分(component)和非金属组成部分，例如，介质组成部分。通常金属材料在介质材料中形成岛状物从而形成金属陶瓷材料。顶层的金属含量低于太阳能吸收层的金属含量或不含金属。例如，这种太阳能选择性覆盖层与均一的金属覆盖层相比，在红外辐射发射减少的同时可吸收太阳能辐射。

[0005] 太阳能吸收覆盖层通常具有非均匀的金属体积分数。图1示出了用于这种太阳能吸收覆盖层的示例性的选择金属体积分数与离开外部边界的深度的关系曲线。该图示出了用于具有梯变的(graded)金属体积分数、多层结构12及梯变和多层分布(multilayer profiles)14的组合的覆盖层的曲线10。

[0006] 例如，可用太阳能能量反射器阵列收集阳光，然后将阳光集中到涂覆有太阳能选择性表面覆盖层的吸收器上。被收集的阳光使吸收器和太阳能选择性覆盖层局部加热到相当高的温度，例如350℃。为了提高太阳能选择性表面覆盖层在如此高的温度下的使用寿命和降低吸收器的热损失，可将吸收器放置在真空壳体内。

[0007] 众所周知，在更高的温度下被收集的阳光的能量转换效率较高，但是进一步提高温度可能对太阳能选择性覆盖层的寿命产生大的负面影响。

[0008] 将在某些应用中具有优势的具有太阳能选择性表面覆盖层的吸收器定 位于空气中可能引起更大的麻烦。

[0009] 因此要求技术有所发展。

发明内容

[0010] 根据本发明的第一方面，提供一种用于太阳能辐射的吸收器的太阳能选择性表面的太阳能吸收材料，该太阳能吸收材料包括：

[0011] 分散的金属材料；

[0012] 吸收边界，通过其吸收太阳能辐射；

[0013] 第一区域和第二区域，第一区域位于比第二区域更靠近吸收边界的位置，且第一区域具有的分散的金属材料的平均体积分数大于第二区域所具有的分散的金属材料的平均体积分数。

[0014] 这种太阳能吸收材料通常形成吸收器主体的太阳能选择性表面覆盖层的一部分，且通常被夹在具有较低平均金属体积分数的表面层和具有较高平均金属体积分数或为金属的反射底层(或吸收器主体本身)之间。

[0015] 因为太阳能吸收材料在比第二区域更靠近吸收边界的第一区域内具有较大的平均金属体积含量，与传统的太阳能吸收材料相比，这种太阳能吸收材料往往可在升高了温度的情况下提高使用寿命。一些试验显示，所述太阳能吸收材料的一些实施例具有能够减少分子扩散这可使寿命增长。此外，传统的太阳能吸收材料在太阳能吸收材料和底层或吸收器主体之间的界面处或靠近该界面处具有较高的金属材料含量。本发明的太阳能吸收材料可在靠近所述界面的位置之处具有降低的金属材料含量，这通常能提高太阳能吸收材料在温度提高的情况下的黏附力。

[0016] 例如，太阳能吸收材料可包括第三区域，该第三区域位于吸收边界下方的距离比第二区域位于吸收边界下方的距离远并具有比第二区域的平均金属体积分数大的平均金属体积分数。

[0017] 可供选择的或附加的方案是，太阳能吸收材料可包括位于第一区域和吸收边界之间的第四区域，第一区域具有的平均金属体积分数大于第四区域的平均金属体积分数。 [0018] 本太阳能吸收材料的至少一个区域可包括至少两种材料组分(component)的分散体，而至少一种材料组分包括自身的多于一种材料成分(composition)。所述材料组分的至少一种通常包括所述金属材料及至少一种其他材料。或者，材料组分中的每一种可包括金属材料。在另一变型方案中，材料组分的至少一种可包括介质材料。

[0019] 另外，在至少一个区域内，金属材料组分可被分散在介质材料或另外的金属材料内。

[0020] 在一具体实施例中，可将至少这些区域之一的平均金属体积分数选择成在300℃到500℃的温度范围内基本抑制金属材料从所述相邻区域或各相邻区域扩散。 [0021] 在本发明一实施例中，所述太阳能吸收材料在吸收边界处或靠近吸收边界处的分散的金属材料的含量比在太阳能吸收材料和底层或吸收器主体之间的界面处或靠近太阳能吸收材料和底层或吸收器主体之间的界面处的分散的金属材料的含量高。 [0022] 所述区域中至少之一可以是一层。在一实施例中，吸收材料包括多层结构。可供选择的或附加的方案是，至少一个区域的金属体积分数沿离开吸收边界进到所述材料的方向以梯变的方式可减小或者可以基本均匀。

[0023] 在本发明的一个特别有利的实施例中，吸收材料包括具有很多极薄的层的多层结构。每层的厚度通常20埃以上到200埃。此实施例的优点是，层的厚度小于太阳光的波长。因此，由于层界面处的反射可能的干涉作用是不成问题的。

[0024] 分散的金属材料可包括任何适合的材料，例如，任何适合的金属材料包括金属合金、金属氮化物(metal nitrides)、以及过渡金属，但通常包括如自对准硅化物材料之类的硅化物(salicide)材料。由于硅化物材料的温度稳定性，可进一步改善太阳能选择性材料的高温适应性。通常第一组分具有小于50Ωcm的电阻率，电阻率一般小于10Ωcm。 [0025] 硅化物材料可包括任何适合的金属材料，例如包括硅化钛、硅化钨、硅化钴。 [0026] 本领域技术人员可以理解，本发明的吸收材料具有一系列优点。具有至少一个区域的平均金属体积分数大于另一区域的平均金属体积分数且该区域被设置在比其他区域更靠近吸收边界的构思可使优化设计非常灵活并使加工更简便。例如，太阳能吸收材料可包括具有不同的平均金属体积分数的一些层或一些区域的多层或多区域结构，且可将所述太阳能吸收材料设计成具有优化的光学性能(即，光学材料常数)。另外，可制造较厚的结构，而 且在结构的加工过程中当金属体积分数可能增加也可能减少时，通常对具体参数的控制较不重要。

[0027] 此外，根据本发明的第一方面，可通过选择太阳能吸收材料的层或区域的平均金属体积分数优化层或区域的黏附力。

[0028] 另外，比紧邻的层或区域的平均金属体积分数低的层或区域的定位通常可减少温度提高处的金属材料的相互扩散，随之可增长太阳能选择性材料的使用寿命。再者，可制造出较厚的结构。

[0029] 本发明的第二方面提供一种用于太阳能辐射吸收器的太阳能选择性表面的太阳能吸收材料，该太阳能吸收材料包括用于吸收太阳能辐射的硅化物材料。 [0030] 所述硅化物材料通常是自对准硅化物的材料。

[0031] 本发明的第三方面提供一种吸收器，该吸收器具有包括根据本发明第一方面所提供的太阳能吸收材料的太阳能选择性表面覆盖层，其中，所述吸收材料被夹在外层和金属区域之间。

[0032] 通常将吸收材料夹在定位在吸收器主体上方的底层和外层之间。或者，可将吸收材料直接定位在吸收器主体上。外层通常具有太阳能吸收层的较低的金属体积分数(或非金属)。底层通常具有比吸收材料高的平均金属体积分数或者是金属。吸收器主体通常也是金属。

[0033] 本发明的第四方面提供一种用于太阳能辐射吸收器的太阳能选择性表面的太阳能吸收材料，该太阳能吸收材料包括：

[0034] 至少三个具有分散的金属材料的层，该至少三层的中间一层具有的分散的金属材料的平均体积分数小于所述相邻层的分散的金属材料的平均体积分数， [0035] 其中将所述中间层的平均金属体积分数选择成在300℃到500℃的温度范围内基本抑制金属材料从所述相邻层扩散。

[0036] 通过下文对本发明的具体实施例的描述可以更全面地了解本发明。以下参考附图进行描述。

[0037] 附图说明

[0038] 图1示出的曲线说明了用于太阳能吸收材料的相应材料组分含量的深度分布(depth profile)(现有技术)；

[0039] 图2示出的曲线说明了本发明第一具体实施例的太阳能吸收材料的相应材料组分含量的深度分布；

[0040] 图3示出的曲线说明了本发明第二具体实施例的太阳能吸收材料的相应材料组分含量的深度分布；

[0041] 图4示出的曲线说明了本发明第三具体实施例的太阳能吸收材料的相应材料组分含量的深度分布；

[0042] 图5为具有本发明另一具体实施例的太阳能选择性覆盖层的太阳能吸收器的示意性侧视图。

[0043] 具体实施方式

[0044] 下文将参考图2-4对本发明的一些具体实施例的太阳能吸收材料进行描述。图2-4示出了通常与电导率紧密相关的相应材料含量的深度分布。因而，相应的材料含量也可用作为深度的函数显示的具体电导率的深度分布来表示。

[0045] 图2所示的曲线20说明了本发明第一具体实施例的整个太阳能吸收材料的深度分布。在此实施例中，太阳能吸收材料包括两种组分的分散体。第一组分是金属，其对于具有较高强度的太阳能辐射的可见的太阳能辐射通常具有较高的比吸收系数(specific absorption coefficient)。在此实例中，第二组分是电介质，其至少部分地可透射可见的太阳能辐射，但可反射由吸收器发射的红外辐射。

[0046] 吸收材料具有用于吸收太阳能辐射的外部边界，该吸收材料通常被施加于吸收器主体上的太阳能选择性表面覆盖层的部分上，或形成该部分。例如，可将太阳能吸收材料直接定位于金属吸收器主体上，或可定位在吸收器主体上方的金属底层上并可被具有低平均金属体积分数(或基本上不含金属)的顶层覆盖。

[0047] 曲线20示出了第一和第二组分的分布效果，该曲线可确定出具有不同的相应材料组分分布的吸收材料区域。曲线20示出了包括区域22、24，26、28和29的整个太阳能吸收材料的深度分布。此曲线示意性地示出了通过材料的整个厚度的金属体积分数。 [0048] 区域22具有较小的平均金属分数，其正好被定位在表面之下。区域22下方是区域24，其具有略高的平均金属体积分数，区域26具有较低的平均 金属体积分数，而区域28和29具有较高的平均金属体积分数。

[0049] 图3所示曲线30说明了本发明第二具体实施例的整个太阳能吸收材料的深度分布。在本实施例中，太阳能吸收材料包括区域32、34、36、38和39。区域34、36和38具有梯变的金属体积分数。正好放置在外部边界表面之下(或如果吸收材料未被敷覆则为顶部表面之下)的区域32具有较小的平均金属体积分数。区域36具有沿离开表面通过所述区域的方向减小的梯变的金属体积分数。区域38具有沿离开表面通过该区域的方向增加的金属体积分数。区域39具有一致的金属体积分数。

[0050] 图4示出的曲线40说明了本发明第三具体实施例的整个太阳能吸收材料的深度分布。在这个实施例中，深度分布包括具有基本恒定的金属体积分数区域和具有梯变的金属体积分数的区域的区域。材料包括区域41、42、43、44、45、46、47、48和49。区域41正好处于表面下方且具有较小的一致的金属体积分数。区域42具有从区域41的界面到区域43的界面以梯变的方式增加的金属体积分数。在两个相邻的较高金属体积分数区域之间的区域45可认为是绝缘区域，因为其可降低金属原子之间的相互扩散。区域44、45、和46具有一致的金属体积分数，但它们彼此不同，而区域47具有从区域46的界面到区域48的界面逐渐增加的金属体积分数。区域48具有一致的金属体积分数。

[0051] 本领域技术人员可以理解的是，在每个实施例中，材料的平均金属体积分数通常与材料在可见的太阳能量范围内的光学性能密切相关。如果在材料的第一区域的平均金属体积分数大于第二区域的平均金属体积分数，第一区域的吸收率一般也大于第二区域的吸收率。例如，区域29、39和49具有较高的吸收率。

[0052] 在每个实施例中，材料包括位于比随后区域更靠近顶部表面的第一区域，所述随后区域的平均金属体积分数大于至少一个随后区域的平均金属体积分数。例如，区域24具有比区域26的平均金属体积分数大的平均金属体积分数，区域36具有比区域38的平均金属体积分数大的平均金属体积分数，区域43和44具有比区域45的平均金属体积分数大的平均金属体积分数，而区域46具有比区域48的平均金属体积分数大的平均金属体积分数。 [0053] 如上述实例所描述的那样，若金属体积分数沿远离表面进入材料的方向减小，在提高温度的情况下可改善太阳能吸收材料的完整性。

[0054] 在每个实施例中所述区域可具有任何厚度，但是通常这些区域、也可以是层的厚度为20埃以上。

[0055] 在每个实施例中，包括这些区域的材料根据相应的含量及第一和第二组分的组合可具有不同的或变化的金属体积分数。通过使两种组分混合可制造出具有预定吸收性能的区域，然后将这种混合材料应用到吸收器以形成多层结构的一层。可供选择的是，例如，可通过如ac或dc溅射之类的物理或化学蒸汽沉积法来制备所述区域或层。可采用两种溅射源，一种用于第一组分(例如金属组分)，而另一种用于第二组分(例如，电介质组分)。这两种组分的相应沉积率决定了相应的金属体积分数，由此决定了如沉积层的传导率之类的其他特征。

[0056] 或者，可通过沉积非常薄的第一或第二组分层来形成每一层，例如每一电介质和金属子层(sub-layer)的厚度均只有几埃或更薄。由于这些子层非常薄，它们共同具有与由这些子层组成的整个层的平均金属体积分数相应的物理性能。

[0057] 此外，吸收材料的优化并不限于只组合两种组分。

[0058] 所述金属组分可包括任何金属、金属合金、亚硝酸金属(metallic nitrite)、过渡金属的亚硝酸盐、或任何其他材料。但是，在本实施例中，太阳能吸收材料包括萨利词的材料之类的硅化物材料。特别适用的是硅化钛材料、硅化钨材料、或硅化钴材料，当然，也可使用包括任何其他合适金属的硅化物材料。

[0059] 图5示意地示出了具有吸收器主体52的太阳能吸收器50，该吸收器主体52被包括上述吸收材料的太阳能选择性材料54敷覆。

[0060] 在本发明的再一实施例中，使用了金属体积分数沿离开顶部表面(吸收边界)进入材料的方向减小的吸收材料层或梯变部分，以优化吸收材料从而提高效率和改善其他特征，如在空气中的稳定性、层的黏附力、较少氧化、应力松弛或减小、改进的扩散阻力(特别是重原子)或渗透性。例如，可将与相邻层相比具有增大的平均金属体积分数的一层或多层以某一方式定位在离表面预定深度的位置，从而提高太阳能选择性材料的效率。 [0061] 在另一实施例中，采用一或多个金属体积分数沿离开顶部表面方向减小的区域，可在这些区域之间使一些区域具有更多变化的如金属体积分数或光学常数之类的性能。这种灵活性可改进材料的最优化。例如，材料可被优化 用于更宽的波长范围的干扰作用。从制造的观点来看，灵活性更大。例如，使用溅射技术时，与传统技术相比，本发明使溅射对沉积参数而言更不敏感。

[0062] 在又一实施例中，与只包括两个区域或层的吸收器相比，一些区域由于深度分布的部分颠倒可形成吸收材料更深的吸收器。

[0063] 在再一实施例中，可以是电介质的顶部区域进一步延伸到材料内。 [0064] 虽然通过参考一些具体实例对本发明进行了描述，本领域技术人员可以理解的是，本发明可包括很多其他实施方式。例如，虽然图2至4所示的实施例示出了多层结构，可以理解的是，根据本发明的吸收材料也可只包括具有沿离开表面通过材料的厚度方向梯变的金属体积分数减小的单层。

[0065] 此外，本领域技术人员可以理解的是，太阳能吸收材料可包括多于一种的第一组分(例如，多于一种的金属材料)和/或多于一种的第二组分(例如，多于一种的介质材料)。在整个一层或一区域内金属体积分数可基本一致，而该层的传导和吸收率性能的变化可通过在整个层中使用具有不同类型的导电率和吸收性能的金属组分来实现。或者，在整个层或区域中金属体积分数可改变，而整个层或区域的传导率和吸收性能基本保持一致。