[发明专利]太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法以及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种中低温下使用的太阳能光热转化材料及其制备方法，特别是涉及一种可用于真空管式和平板式太阳能热水器的太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳能光热利用是开发新能源和可再生能源最直接有效的途径之一，其中中低温（80-400℃）下使用的太阳能集热器具有易推广，普及率高的优势，已成为节能减排的重要手段。吸热体是太阳能集热装置的核心组件，早期的吸热体采用黑漆、电镀黑铬或黑镍作为吸收材料，尽管这些材料在太阳光波段具有高吸收率，可将太阳能有效地转化为热，与此同时，由于吸热体温度的升高，材料表面通过热辐射向外辐射电磁波，因此一般实际光热转化效率并不高。

太阳光谱选择性吸收涂层在近二三十年内被广泛关注，它可在300nm-2500nm（太阳光98%的能量集中在此波段）的光谱范围内具有高吸收率，与黑体材料不同的是在2500nm以外的红外波段具有低吸收率（即低热辐射率），大大降低了辐射散热，提高了光热转化效率。按应用范围太阳光谱选择性吸收涂层可分为两类：1）真空管式太阳能集热器中使用的太阳光谱选择性吸收涂层，这类涂层应用于真空环境中，对在大气下的热稳定性要求相对较低；2）平板式太阳能集热器中使用的选择性吸收涂层，这类材料直接面对大气，长时间使用结构与成分不应发生变化，应具备较高的热稳定性。

现阶段中低温下使用的太阳能集热器多采用真空管式，其吸收材料多为AlN或氧化铝中掺杂不锈钢或Al的陶瓷材料。这类材料的光热转化效率可高达90%以上，然而在大气下易被氧化，限制了这类材料不适用于平板式太阳能集热器中。采用物理气相沉积的方法在氧化物或氮化物中掺杂Ag、Au、W、Mo或Pt等金属已被发现在大气中具有较强的热稳定性，这些材料也已被应用于特殊的高温光热转化装置中，然而制备成本相对较高却限制了此类材料在中低温太阳能集热领域的应用。为了更好的推广平板式集热器，开发一种兼具光热转化效率高、热稳定性强及成本低廉的光热转化材料缺一不可。

发明内容

本发明目的在于提供一种中低温下使用的太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，使其可以实现对太阳光谱的高效吸收，在使用温度范围内具有较高的热稳定性，还可以实现较低的热辐射率。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其依次包括：基底层、红外反射层、吸收层和减反层；所述的吸收层由三层渐变太阳光谱吸收层组成，依次为内吸收层、中吸收层和外吸收层，所述内吸收层的材质为TiN_x1O_y1，所述中吸收层的材质为TiN_x2O_y2，所述外吸收层的材质为TiN_x3O_y3。其中所述的内吸收层的厚度为20nm-50nm，中吸收层的厚度为10nm-50nm，外吸收层的厚度为10nm-50nm。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1，采用Al、Cu或玻璃作为基底层材料，将基底层材料置于真空清洗室中，通入一定量的氩气，进行射频氩离子清洗；

步骤2，采用磁控溅射铝靶、铜靶或银靶在上述的基底层上制备红外反射层；

步骤3，在通入氩气和氮气的条件下，将上述的红外反射层置于钛靶下，采用磁控溅射法在上述的红外反射层上制备内吸收层；然后通入一定量的氧气，继续以金属钛为靶材通过反应磁控溅射法在上述内吸收层上制备中吸收层；然后增加氧气流量，继续以金属钛为靶材通过反应磁控溅射法在上述中吸收层上制备外吸收层；

步骤4，将步骤3得到的产品置于硅靶前，通入氩气和氧气，采用反应磁控溅射法在上述外吸收层上制备氧化硅层作为减反层。

优选的，前述的太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其中所述的基底层的厚度为0.2-10mm；所述的红外反射层的厚度为90-500nm；所述的内吸收层、中吸收层和外吸收层的总厚度为40-150nm，所述的减反层的厚度为80-100nm。