一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法转让专利
申请号 : CN200910176041.5
文献号 : CN101660117B
文献日 : 2011-04-13
发明人 : 王智建 , 刘建民 , 都娜丽
申请人 : 皇明太阳能股份有限公司
摘要 :
本发明公开了一种太阳能选择性吸收涂层，依次主要由红外高反射金属层，扩散阻挡层、吸收层、减反射层组成，所述吸收层由金属-介质复合材料薄膜构成，所述金属-介质复合材料薄膜用式表示为SS-Ox-AlNyOz，所述金属-介质复合材料薄膜表由金属SS分子团、SS与O结合形成的微量氧化物、及介质AlNyOz组成。所述的减反射层介质材料薄膜用式表示为AlNiOj。本发明的涂层在制备工艺方面易于实现且调控简单。该涂层适用于中低温度环境条件下真空或空气中使用，涂层性能稳定。并且涂层的太阳吸收比α大于0.92，涂层发射比小于等于0.08。
权利要求 :
1.一种太阳能选择性吸收涂层，依次主要由红外高反射金属层、扩散阻挡层、吸收层、减反射层组成，其特征在于：所述吸收层由金属-介质复合材料薄膜构成，所述金属-介质复合材料薄膜用式表示为SS-Ox-AlNyOz，所述金属-介质复合材料薄膜由金属SS分子团、SS与O结合形成的少量氧化物、及介质AlNyOz组成；所述金属-介质复合材料中各物质的摩尔百分含量为：Al为22～35摩尔％，N为15～33摩尔％，O为16～
55摩尔％，Fe为6～16摩尔％，Cr为1～4摩尔％，其余为Ni及杂质成分。
2.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的减反射层介质材料薄膜用式表示为AlNiOj。
3.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的扩散阻挡层的材料为Al或AlN，其厚度为20～25nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的红外高反射金属层采用具有较低发射比ε的金属薄膜材料Cu或者Al，其厚度为100～300nm。
5.根据权利要求2所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的介质材料薄膜AlNiOj中各物质的摩尔百分含量为：Al为48～55摩尔％，N为6～20摩尔％，O为
25～41摩尔％。
6.根据权利要求5所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的减反射层介质材料薄膜AlNiOj的厚度为40～80nm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述的吸收层是由2～4个不同金属含量的吸收层亚层组成，所述吸收层的厚度为70～160nm。
8.根据权利要求7所述的太阳能选择性吸收涂层，所述金属-介质复合材料的金属材料制备所需靶材为奥氏体不锈钢靶材。
9.制备权利要求5所述的太阳能选择性吸收涂层的方法，包括以下的步骤：
(1)在基材上沉积红外高反射金属层：基材为玻璃或经抛光处理的金属表面；
(2)沉积扩散阻挡层：如Al或AlN；
(3)沉积吸收层：吸收层为2～4层具有不同金属含量的吸收亚层结构；在溅射气体氩气中，通入氮氧混合气，以铝靶和不锈钢靶为阴极，采用真空镀膜技术，反应溅射沉积金属-介质复合材料薄膜；铝靶与不锈钢靶同时溅射，铝靶反应溅射生成介质AlNyOz，不锈钢靶溅射生成金属SS分子团，通过控制氮氧混合气的进入量以及氧气在混合气中的量，使不锈钢靶部分发生反应溅射生成少量的SS氧化物；通过调整不锈钢阴极的溅射功率，使得吸收亚层中的金属含量沿着远离基材的方向减少；
(4)沉积减反射层：在氮气与氧气混合的气氛中，以金属铝为阴极，采用真空镀膜技术反应溅射沉积AlNiOj薄膜。
说明书 :
一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于真空镀膜技术领域，公开了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
[0002] 太阳能选择性吸收涂层主要由三部分组成：最靠近基材的是红外高反射金属层，向外依次为吸收层和减反层，金属层选用良导电性金属材料如铝、铜、银等金属。吸收层由若干层金属-介质复合材料薄膜组成，为纳米级金属粒子均布在介质材料中，其光学特性可以控制在金属和介质的中间状态，靠近金属底层的吸收层亚层具有高的折射率和消光系数，随着各吸收亚层中金属含量的降低，其折射率和消光系数也逐渐减小。 减反层采用低折射率和低消光系数材料，尽可能减小对光的反射，获得优良的选择性吸收性能。 因此，制备一种优良的选择性吸收涂层关键在于选择具有较佳的太阳光谱选择性的材料。
[0003] 发明专利CN1056159A描述了一种AlNxOy选择性吸收涂层，以单靶铝为阴极，通过调整N2和O2混合气体流量来改变薄膜材料中Al的含量，该涂层太阳吸收比α＝0.90～0.94，ε＝0.07～0.12。 该涂层用Al作为吸收层中的金属成分，因Al原子容易迁移和发生化学反应，造成吸收层组分变化，涂层光学性能发生衰变，仅能在真空环境中使用。
[0004] 发明专利CN1360084A涉及到一种太阳光谱选择性吸收涂层，该涂层是在N2+O2气氛中溅射而成的铝氮氧+钛氮氧-铝钛，减反层为铝氮氧+钛氮氧膜。 钛靶与铝靶作为其溅射用靶材。
[0005] DE3522427A1涉及到一种太阳能选择性吸收涂层，该涂层是利用磁控溅射技术制备钛氮氧TiNO薄膜材料，通过调控N2和O2的流量来调节薄膜中金属含量，从而得到不同的电学、物化性能，可适用于不同用途。 该发明专利中选用金属钛制备吸收涂层中的金属，成本相对较高。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种太阳能选择性吸收涂层及制备方法，本发明之涂层在制备工艺方面易于实现且调控简单，适用于中低温度环境条件下的真空或者空气中，涂层性能稳定。
[0007] 为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种太阳能选择性吸收涂层，依次主要由红外高反射金属层、扩散阻挡层、吸收层、减反射层组成，所述吸收层由金属-介质复合材料薄膜构成，所述金属-介质复合材料薄膜用式表示为SS-Ox-AlNyOz，所述金属-介质复合材料薄膜表由金属SS分子团、SS与O结合形成的少量氧化物、及介质AlNyOz组成。
[0008] 所述的减反射层介质材料薄膜用式表示为AlNiOj。
[0009] 所述金属-介质复合材料中各物质的摩尔百分含量为：Al为22～35摩尔％，N为15～33摩尔％，O为16～55摩尔％，Fe为6～16摩尔％，Cr为1～4摩尔％，其余为Ni及杂质成分。
[0010] 所述的扩散阻挡层的材料可以任意选择，如Al或AlN，用于阻止红外高反射层金属与吸收层之间金属原子相互扩散和迁移，优选厚度为20～25nm。
[0011] 所述的红外高反射金属层采用具有较低发射比ε的金属薄膜材料，如铝、铜、银等，其厚度为100～300nm。
[0012] 所述的介质材料薄膜AlNiOj中各物质的摩尔百分含量为：Al为48～55摩尔％，N为6～20摩尔％，O为25～41摩尔％。
[0013] 所述的减反射层介质材料薄膜AlNiOj的厚度为40～80nm。
[0014] 所述的吸收层是由2～4个不同金属含量的吸收层亚层组成，所述吸收层的厚度为70～160nm。
[0015] 所述金属-介质复合材料的金属材料制备所需靶材为不锈钢靶材。 优选为奥氏体不锈钢靶材。 例如1Cr18Ni9Ti，其主要成分及重量百分比分别为Cr≤17％～19％，Ni≤8.0％～11.0％，C≤0.12％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.035％，S≤0.030％，其余为Fe和偶存成分。
[0016] 本发明提供的另一个技术方案是制备太阳能选择性吸收涂层的方法，包括以下步骤：
[0017] (1)在基材上沉积红外高反射金属层：基材为玻璃或经抛光处理的金属表面；
[0018] (2)沉积扩散阻挡层：如Al或AlN；
[0019] (3)沉积吸收层：吸收层为2～4层具有不同金属含量的吸收亚层结构；在溅射气体氩气中，通入氮氧混合气，氮氧摩尔比在100∶0～80∶20之间，以铝靶和不锈钢靶为阴极，采用真空镀膜技术，反应溅射沉积金属-介质复合材料薄膜；铝靶与不锈钢靶同时溅射，铝靶反应溅射生成介质AlNyOz，不锈钢靶溅射生成金属SS分子团，通过控制氮氧混合气的进入量以及氧气在混合气中的量，使不锈钢靶部分发生反应溅射生成少量的SS氧化物；通过调整不锈钢阴极的溅射功率，使得吸收亚层中的金属含量沿着远离基材的方向减少；
[0020] (4)沉积减反射层：在氮气与氧气以摩尔比100∶0～80∶20混合的气氛中，以金属铝为阴极，采用真空镀膜技术反应溅射沉积AlNiOj薄膜。
[0021] 本发明的有益效果是：本发明之涂层在制备工艺方面易于实现且调控简单，适用于中低温度环境条件下的真空或者空气中，涂层性能稳定。 涂层的太阳吸收比大于0.92，涂层发射比小于等于0.08。
附图说明
[0022] 图1为太阳能选择性吸收涂层结构示意图；
[0023] 图2为镀膜机的真空室示意图。
[0024] 图3为AlNiOj膜层XPS全谱。
[0025] 图4为SS-Ox-AlNyOz膜层XPS全谱及Fe2p的窄谱。
[0026] 图5为Cu/Al/SS1-Ox1-AlNy1Oz1/SS2-Ox2-AlNy2Oz2/AlNiOj选择性吸收涂层反射比谱值的测量值。
[0027] 图 6Cu/Al/SS1-Ox1-AlNy1Oz1/SS2-Ox2-AlNy2Oz2/SS3-Ox3-AlNy3Oz3/SS4-Ox4-AlNy4Oz4/AlNiOj选择性吸收涂层反射比谱值的测量值。
[0028] 参见图1，在基材或工件6上依次沉积红外高反射金属层1、扩散阻挡层2、吸收层3和减反射层4。
[0029] 参见图3和图4，采用X射线光电子能谱(XPS)分析减反层及吸收亚层薄膜材料中的化学成分及含量。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
[0031] 实施例1
[0032] 在玻璃管上沉积Cu/Al/SS1-Ox1-AlNy1Oz1/SS2-Ox2-AlNy2Oz2/AlNiOj选择性吸收涂层：
[0033] 在图2所示的圆柱磁控溅射镀膜机真空室中，工件6为玻璃管，能够自转和公-3转，当真空度达10 Pa时，从氩气进气管7充入纯氩气，工作压强在0.20Pa，Cu靶11直流溅射沉积Cu金属层，功率为16KW，时间6分钟，用美国Veeco公司的Dektak 6M台阶仪测试其厚度为150nm；接着直流溅射Al靶，沉积Al膜作为扩散阻挡层，功率12KW，时间30秒，用Dektak 6M台阶仪测试Al膜厚度为22nm；接着调整氩气流量，使工作压强为0.40Pa，按照氮氧摩尔比近似为97∶3，N2流量为129SCCM，O2流量为4SCCM，经充分混合后从另一个气管8充入到真空室内；Al靶9直流溅射功率为12KW，SS靶10直流溅射功率8.5KW，溅射5分钟，沉积第一吸收亚层SS1-Ox1-AlNy1Oz1，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为膜厚45nm；接着调整N2流量为104SCCM，O2流量为3.2SCCM，Al靶溅射功率不变，SS靶功率为4kw，溅射7分钟，沉积第二吸收亚层SS2-Ox2-AlNy2Oz2，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为65nm。 最后在N2流量为
84SCCM，O2流量为2.6SCCM，压强为0.40Pa的气氛中，Al靶溅射沉积AlNiOj介质薄膜，功率10KW，时间为15分钟，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为65nm。 SS靶材选用1Cr18Ni9Ti，其主要成分及重量百分比分别为Cr≤17％～19％，Ni≤8.0％～11.0％，C≤0.12％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.035％，S≤0.030％，其余为Fe和偶存成分。
84SCCM，O2流量为2.6SCCM，压强为0.40Pa的气氛中，Al靶溅射沉积AlNiOj介质薄膜，功率10KW，时间为15分钟，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为65nm。 SS靶材选用1Cr18Ni9Ti，其主要成分及重量百分比分别为Cr≤17％～19％，Ni≤8.0％～11.0％，C≤0.12％，Si≤1.00％，Mn≤2.00％，P≤0.035％，S≤0.030％，其余为Fe和偶存成分。
[0034] 使用X射线光电子能谱分析AlNiOj薄膜各物质的摩尔百分含量，见图3，结果为：Al为54摩尔％，N为16摩尔％，O为30摩尔％。 使用X射线光电子能谱分析SS2-Ox-AlNy2Oz2薄膜中各物质的摩尔百分含量，见图4，结果为：Al为24摩尔％，N为17摩尔％，O为46摩尔％，Fe为10摩尔％，Cr为2摩尔％，Ni为1摩尔％，其余为杂质成分。
[0035] 使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度计(0.3-2.6um)，测太阳能选择性吸收涂层在0.3-2.6um太阳能光谱范围内的反射比谱值，结果见图5，经计算得到太阳吸收比α＝0.95，使用TJ270-30红外分光光度计(2.5-25um)，测量制备的太阳能选择性吸收涂层在2.5-25um红外光谱范围内的反射比谱值R，计算得到涂层发射比ε＝0.06。
[0036] 实施例2
[0037] 以抛光的不锈钢片作为基材，沉积Cu/Al/SS1-Ox1-AlNy1Oz1/SS2-Ox2-AlNy2Oz2/SS3-Ox3-AlNy3Oz3/SS4-Ox4-AlNy4Oz4/AlNiOj选择性吸收涂层：
[0038] 如图2所示的圆柱磁控溅射镀膜机真空室中，基材不锈钢片固定在工件6上，当-3真空度达10 Pa时，从氩气进气管7充入纯氩气，工作压强在0.20Pa，Cu靶11直流溅射沉积Cu金属层，时间6分钟，功率16KW，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为150nm；
接着Al靶直流溅射沉积Al膜作为扩散阻挡层，功率12KW，时间30秒，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为22nm；然后调整氩气流量使工作压强保持0.40Pa，按照氮氧摩尔比近似为85∶15，N2流量为68SCCM，O2流量为12SCCM。 经充分混合后从另一个气管8充入到真空室内，Al靶9直流溅射功率16KW，SS靶10直流溅射功率8.4KW，溅射2分钟沉积第一吸收亚层SS1-Ox1-AlNy1Oz1，膜厚用Dektak 6M台阶仪测试为28nm；接着调整N2流量为62SCCM，O2流量为10.9SCCM，SS靶功率为6.1kw，溅射沉积第二吸收亚层SS2-Ox2-AlNy2Oz2，时间为3分钟，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为32nm。 接着调整N2流量为57SCCM，O2流量为10SCCM，SS靶功率为4.3kw，溅射时间为4分40秒，沉积第三吸收亚层SS3-Ox3-AlNy3Oz3，膜厚36nm。 然后调整N2流量为45SCCM，O2流量为7.9SCCM，SS靶功率为2.5kw，时间5分钟，沉积第四吸收亚层SS4-Ox4-AlNy4Oz4，用Dektak 6M台阶仪测试膜厚为22nm。 最后在N2流量为855SCCM，O2流量为15SCCM，Al靶溅射功率16KW，时间12分钟，沉积AlNiOj介质膜，厚度用Dektak 6M台阶仪测试为62nm。 SS靶材选用奥氏体不锈钢。
接着Al靶直流溅射沉积Al膜作为扩散阻挡层，功率12KW，时间30秒，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为22nm；然后调整氩气流量使工作压强保持0.40Pa，按照氮氧摩尔比近似为85∶15，N2流量为68SCCM，O2流量为12SCCM。 经充分混合后从另一个气管8充入到真空室内，Al靶9直流溅射功率16KW，SS靶10直流溅射功率8.4KW，溅射2分钟沉积第一吸收亚层SS1-Ox1-AlNy1Oz1，膜厚用Dektak 6M台阶仪测试为28nm；接着调整N2流量为62SCCM，O2流量为10.9SCCM，SS靶功率为6.1kw，溅射沉积第二吸收亚层SS2-Ox2-AlNy2Oz2，时间为3分钟，用Dektak 6M台阶仪测试其厚度为32nm。 接着调整N2流量为57SCCM，O2流量为10SCCM，SS靶功率为4.3kw，溅射时间为4分40秒，沉积第三吸收亚层SS3-Ox3-AlNy3Oz3，膜厚36nm。 然后调整N2流量为45SCCM，O2流量为7.9SCCM，SS靶功率为2.5kw，时间5分钟，沉积第四吸收亚层SS4-Ox4-AlNy4Oz4，用Dektak 6M台阶仪测试膜厚为22nm。 最后在N2流量为855SCCM，O2流量为15SCCM，Al靶溅射功率16KW，时间12分钟，沉积AlNiOj介质膜，厚度用Dektak 6M台阶仪测试为62nm。 SS靶材选用奥氏体不锈钢。
[0039] 使用UV3101PC、UV-VIS-NIR分光光度计(0.3～2.6μm)，测太阳能选择性吸收涂层在0.3-2.6um太阳光谱范围内的反射比谱值，结果见图6，经计算得到太阳吸收比α＝0.960，使用TJ270-30红外分光光度计(2.5～25μm)，测量涂层在2.5～25μm红外光谱范围内的反射比谱值R，计算得到涂层发射比ε＝0.08。
[0040] 以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。