[发明专利]一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及太阳能光热转换领域，具体涉及一种中高温太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备技术。 

背景技术：

伴随着日益严峻的能源与环境问题，太阳能的利用成为各国政府的研究热点，其中太阳能的光热转换是太阳能利用中应用可行性及前景比较乐观但是研究却相对薄弱的部分(太阳能利用有三种形式：光-电，即太阳能电池；光-化学，即光催化；光-热，直接利用太阳热辐射)。 

实现太阳能光热转化的核心材料是太阳能光谱选择性吸收涂层，它在0.3～2.5μm具有较高的吸收率(α)，同时在2.5～50μm红外光谱范围内具有低发射率，即所谓选择性吸收。研究和应用光谱选择性吸收涂层是太阳能热利用中的中心问题。近年来，随着需求的不断提高和技术的不断发展，太阳能选择性吸收涂层的应用范围从低温应用(≤100℃)向中高温(300℃-500℃)发展。 

以黑钴、黑镍，Al-N渐变膜等为代表的传统膜系早已商业化，应用于200℃以内有较好的太阳能选择性吸收效果，但在中高温条件下其红外发射率随温度上升明显升高，热稳定性较差。Zhang Q.C.等人在渐变Al-AlN涂层的基础上研制了以AlN为介质基体的金属陶瓷选择性吸收涂层，并用直流共溅射方法将不锈钢(SS)，W等难溶金属粒子注入介质基体，在获得优良选择性吸收性能的基础上，其真空高温稳定性得到了改善。 

当今社会的发展对材料的综合性能有了更高的要求，对于太阳能吸收涂层的中高温应用，单一的高吸收率、低发射率或热稳定指标已不能满足需求，需要一种能同时兼顾性能、外观、与环境相容型的新型材料。光学性能稳定、制备工艺简单、对环境无污染、成本低廉、能适合中高温使用的新型太阳能选择性吸收涂层是太阳能热利用研究的重要目标和发展方向。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层适用于中高温(400℃～600℃)太阳能光热转换系统，其吸收率高，发射率低，热稳定性好，色彩丰富，可作为功能型建筑材料表面涂层，实现太阳能利用与建筑一体化。 

本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层，它采用磁控溅射技术制备，吸热体由基底到顶部成三层膜结构，其组成的成分及其配比如下： 

第一层，由抛光的铜或铝金属基底置于底层作为红外反射层。金属片厚度为0.2～5mm，该层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低于0.05。 

第二层，由具有不同折射率和厚度的两个亚层构成吸收层，分别为高折射率的类金属层和低折射率的类介质层。类金属层的成分是MXN，厚度为60～150nm，是两种金属M、X与它们的氮化物MN_x、XN_y的多相混合物{M、X各分别代表钛(Ti)、锆Zr、铝(Al)、铌(Nb)、铜(Cu)或铁(Fe)等金属，下同}，其折射率和消光系数等光学性质接近于金属相，金属相占总体积的体积比为50％～70％；类介质层的成分是MXON，厚度为15～50nm，是金属M、X与他们的氮氧化物MO_xN_y、XO_xN_y的多相混合物，其折射率和消光系数等光学性质近似于金属氮氧化物相，金属相占总体积的体积比为20％～40％。这两个亚层对太阳能光谱具有本征吸收作用，同时通过调节厚度和折射率的匹配形成干涉效应，加强了涂层的吸收作用。 

第三层，由氮氧化硅薄膜构成减反射层，厚度为30～90nm。氮氧化硅具有增透、耐磨、耐蚀、抗离子渗透的作用，在进一步增加吸收率的同时提高涂层的稳定性。 

本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，该方法如下：第一层，将铜或铝金属基底进行超声清洗和抛光处理后作为红外反射层(即基底)。 

第二层，是由具有不同折射率和厚度的类金属层和类介质层两个亚层(第一亚层和第二亚层)构成的吸收层。类金属层，由M、X两种金属的合金靶，以氩气为溅射气体，在氮气为反应气体的条件下，采用直流电源溅射而成，调节溅射时间控制该层厚度；类介质层，由M、X两种金属的合金靶，以氩气为溅射气体，在氮气和氧气为反应气体的条件下，采用直流电源溅射而成，调节溅射时间控制 该层厚度。 

第三层为氮氧化硅减反射层，采用氮化硅靶，以氩气为溅射气体，以氮气和氧气为反应气体，采用射频电源溅射制备。至此，本涂层制备完成。 

本发明一种太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备方法，其优点如下：