[发明专利]一种太阳能中高温选择性吸热涂层

说明书

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，特别涉及利用磁控溅射沉积技术制备的太阳能中高温选择性吸热涂层。

技术背景

金属陶瓷复合材料是材料研究领域的重要课题，金属微粒的尺寸效应及材料复合所产生的特殊性质，使金属陶瓷复合材料具有独特的力学、光学和热力学性质。1978年，瑞士科学家C.G.Granqvist和G.A.Niklasson，首次将金属陶瓷复合材料用作太阳能选择性吸收涂层材料。到目前为止，应用金属陶瓷复合材料已经研制出许多性能优良的太阳能吸热涂层，如Al-AlN、Ni-NiO、W-AlN、Cr-Cr₂O₃、Mo-Al₂O₃等。

太阳能吸热涂层被应用到太阳能集热设备上，分为低温、中温和高温利用涂层。工作温度越高，其热转化效率也就越高，太阳能热利用朝中高温方向发展是必然趋势。当今我国在中低温太阳能吸热涂层的制备方面已经具备成熟的技术，AlN/Al渐变涂层和SS-AlN干涉吸收涂层已经在真空管太阳能热水器领域大面积推广应用。但是，在太阳能中高温热利用领域，我国在涂层制备方面的技术仍不成熟，研制具有高温热稳定性能的太阳能吸热涂层是太阳能领域工作者一直致力的方向。

中国发明专利CN85100142涉及的是一种Al-N/Al太阳能吸热涂层，采用单个铝阴极，活性气体是高纯氮气，太阳吸收率为0.93，自身热发射率为0.06(100℃)，该工艺生产周期短，成本低，但在高工作温度下涂层的性能下降较大。

中国发明专利CN1159553A涉及一种不锈钢-AlN太阳能吸热涂层，采用双电极在氮气气氛中共同溅射制备，该工艺被用于三高管的制备，广泛用于真空管太阳能热水器，但是该涂层不能承受过高的温度，高温下层间扩散对涂层性能影响较大。

中国发明专利CN1360084A涉及的是一种[(AlN+TiN)/AlTi]及[(AlNO+TiNO)-AlTi/AlTi]太阳能吸热涂层，在空气中450℃温度下80小时烘烤后仍具有良好的选择吸收性能，但该工艺生产周期长，且高温下层间扩散对涂层性能影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种在大气状态下具有高稳定性的太阳能中高温选择性吸热涂层。

本发明所述太阳能中高温选择性吸热涂层的结构包括三个部分，从底至表面依次为基底金属红外反射层、吸收层、介质膜减反射层。

底层的红外反射层是Au、Pt等金属，其作用是反射红外光谱，降低涂层的热发射率。

所述吸收层为纳米银粒子吸收层，采用的是银纳米粒子与其它透明介质混合形成的金属陶瓷复合薄膜，吸收层总厚度为20-240纳米。可以由高掺杂层和低掺杂层两个次层组成，每层的厚度在10-120纳米之间。高掺杂层由介质掺杂纳米Ag粒子组成，其填充因子相对高一些，一般在0.2-0.6之间，对太阳光谱(0.3～2.5μm)具有较强的吸收能力。低掺杂层的组成与高掺杂层相同，填充因子相对低一些，一般在0.05-0.2之间，折射率大小位于高掺杂层和减反射层之间，与减反射层和高掺杂层共同组成一个折射率逐渐变化的膜系结构，产生的干涉作用进一步增加涂层的吸收率。

纳米银粒子吸收层也可以是银纳米粒子以梯度掺杂的方式混合在透明介质之中，越靠近基底吸收层中的银纳米粒子浓度越高，越远离基底吸收层中的银纳米粒子浓度越低。银纳米粒子的填充因子从低到高的变化范围为0.05-0.6。

所述透明介质是金属铝的氧化物或氮化物，或者是元素硅的氧化物或氮化物。

减反射层是介质膜，所述介质可以是Al₂O₃、AlN、SiO₂等材料，以下以Al₂O₃为例来叙述。通过控制减反射层的膜厚，使膜系在特定波长处具有低反射率，进一步增加涂层的吸收率。整个膜系结构各部分共同作用，最终实现对太阳光谱的高吸收及较低的自身红外热发射。减反射层的厚度一般在20-100纳米左右。

吸收层主要承担对太阳光谱的吸收，纳米Ag粒子具有表面等离子体共振效应(SPR)，使其在可见光区具有一强吸收峰，其峰位、峰强和半峰全宽与掺杂浓度、粒径、粒子形状等因素密切相关。双层或多层吸收层结构，可以通过调控两层各自的SPR吸收峰位及干涉峰位来实现对太阳光谱的高吸收。因Ag纳米粒子的SPR吸收性能，可在保证对太阳光谱高吸收前提下，大大降低金属粒子的掺杂浓度，金属成分的降低可有效地降低涂层自身的红外热发射率，进而提高热转化效率。