[发明专利]Ni掺杂CuCoMnOx

说明书

本发明公开了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，通过预先制备尖晶石结构的陶瓷靶材并使用Ni靶材同时射频磁控溅射在基体上制备于Ni掺杂CuCoMnO_x尖晶石结构太阳能选择吸收涂层。该涂层能够在中高温环境中应用，能够有效提高吸附层与基体之间的结合力、防止涂层脱落，而且可以精确控制金属元素的掺杂含量。本发明采用两个靶材，都连接射频源。两个射频源既可以同时工作，又可以独立工作。两个靶材的靶距、溅射功率、溅射时间都可以根据需要独立调节。当两个靶材同时开启工作时，两个靶材中的原子将同时溅射出来，从而可以原位进行掺杂。可以通过调节掺杂靶的靶距和溅射功率很方便地控制掺杂浓度。

技术领域

本发明涉及一种太阳能吸收涂层，尤其涉及一种Ni掺杂CuCoMnO_x尖晶石结构太阳能选择吸收涂层及制备方法。

背景技术

尖晶石型氧化物的结构式为AB₂O₄或者(A，B)₃O₄，其点阵结构属于立方晶系Fd3m空间群。A、B原子是金属原子，其化合价分别是+2价和+3价。在尖晶石的结构中金属元素和氧原子以较强的离子键结合，结合力强，故尖晶石材料硬度大、熔点高(熔点在2000摄氏度左右)、化学性能稳定，耐热性和抗氧化性很强。尖晶石的导热性和热膨胀性具有各项同性，在光学特性方面，尖晶石属于光学均质体的。尖晶石材料的热胀系数小，作为在高温环境下工作的涂层。以上这些性质使得它成为一种理想的太阳光谱选择性吸收材料。现有技术中也有大量的相关研究。然而主要集中在热喷涂法、溶胶凝胶法、电镀法等先制备、然后再通过热处理和/或氧化处理形成尖晶石结构。

中国专利CN109504954A公开了一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，为制备于不锈钢基体上的单层Ni掺杂于CuCoMnO_x黑色溶胶所形成的Ni_x(CuCoMnO_x)_1-x涂层。本发明的选择性吸收涂层，使用具有高熔点和本征吸收特性的过渡族Ni金属对CoCuMnO_x溶胶进行掺杂，提高CoCuMnO_x涂层的光谱选择性能和高温稳定性能。使用过渡族金属Ni对其进行掺杂改性，过渡族金属因为其最外围半充满的3d轨道，电子跃迁十分活跃，是良好的选择吸收材料，同时Ni本身在中高温下较为稳定，熔点达1455℃，在对铜锰涂层进行掺杂后可以同时提高涂层的光谱选择性能和中高温稳定性能。按照其说明中的CuCoMnOx黑色溶胶中金属阳离子比例为Cu:Co:Mn＝3:1:3，其化学结构式采用“Ni_x(CuCoMnO_x)_1-x”表述也有待商榷。

“Solar absorber coatings based on CoCuMnOx spinels prepared via thesol-gel process:structural and optical properties”研究通过溶胶-凝胶工艺在Al基体表面制备了钛金属元素掺杂尖晶石CuCoMnO_x太阳能选择性吸收涂层。然而凝胶-溶胶法配制溶胶过程繁琐、溶胶需要长时间陈化，而且成本高、成膜均匀性差，吸收层与基体之间结合力弱。在制备掺杂类型的尖晶石涂层在掺杂含量上无法准确控制。另外，溶胶凝胶法制备工艺还需要对涂层进行后续的高温热处理。

“磁控溅射制备Mn-Co-Ni-O热敏红外探测薄膜”研究了射频磁控溅射法在非晶Al₂O₃衬底上制备了Mn_1.56Co_0.96Ni_0.48O₄(MCNO)多晶薄膜。经750℃空气中退火后薄膜表面变得致密，晶粒分布均匀，所制备的薄膜形成了单一的立方尖晶石结构。然而对于采用磁控溅射制备CuCoMnO_x涂层现有技术中并没有涉猎。

如何寻找其他方法制备尖晶石CuCoMnO_x选择性吸收涂层也是太阳能选择性吸收层技术领域的研究方向。