專利名稱：一種選擇性太陽能光熱吸收涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種選擇性太陽能光熱吸收涂層
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于太陽能設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種使用在平板式太陽能集熱 器表面，用于吸收利用太陽能的選擇性吸收涂層。
f戰(zhàn)庠娃l，
太陽能熱水器就是吸收太陽的輻射熱能，。它是我國太陽能熱利用中最為成 熟和最為先進的產(chǎn)品。為百姓提供環(huán)保、安全、節(jié)能、衛(wèi)生的新型熱水器產(chǎn)品。
最常見的太陽能熱水器有三種悶曬式太陽能熱水器、平板式太陽能熱水器和 真空管太陽能熱水器。悶曬式太陽熱水器的集熱器和水箱合為一體。結(jié)構(gòu)簡單、 價格低廉。但是保溫差，不能過夜使用，冬季更不能使用。平板式太陽能熱水 器由平板太陽集熱器、蓄水箱、循環(huán)管、支架組成。吸熱體有銅鋁復合管板式、 全銅管板式、不銹鋼沖壓成型焊接而成的扁盒式等結(jié)構(gòu)型式。而太陽能集熱器， 其中的關(guān)鍵部件就是太陽能集熱器板芯，現(xiàn)在大多采用銅鋁復合的板狀材料制 成。太陽光譜選擇性吸收涂層應用于太陽能集熱器集熱表面，主要由紅外高反 射層、吸收層和減反射層構(gòu)成，其中減反射層的作用是降低物體表面對入射光 的反射，增加物體表面對光的吸收，增加吸收效率；紅外高反射層減少集熱器 內(nèi)部向外輻射，降低熱損失；吸收層用于吸收太陽光，給集熱器提供熱源。在 太陽能的光熱轉(zhuǎn)換中，選擇性吸收涂層的吸收層中的介質(zhì)的折射率要盡可能低， 減反射層的折射率也要盡可能低，這樣才能獲得光熱轉(zhuǎn)換效率較高的太陽能選擇性吸收涂層，但同時也要注重介質(zhì)的沉積速率不能過低，以免影響生產(chǎn)效率。 而在涂層的制備過程中，采用磁控反應濺射或射頻反應及中頻反應濺射方法， 利用金屬或非金屬靶材，由于靶中毒，造成減反射層的沉積速率非常低，使生 產(chǎn)效率大大降低。由于減反射層的生產(chǎn)效率低，目前在市場上的絕大多數(shù)太陽 能集熱器都不采用設(shè)有減反射層的太陽光選擇性吸收涂層。對于在真空環(huán)境低 溫范圍使用的太陽能選擇性吸收涂層目前己研究和廣泛應用了選擇性吸收涂 層，這種膜系和工藝方法的優(yōu)點是，Al單靶直流磁控濺射鍍膜工作，設(shè)備操作 簡單，膜層吸收率較高，對在低溫范圍使用全玻璃真空管的比較適用，但對于 中溫及高溫使用由于其紅外發(fā)射率隨溫度上升明顯升高，造成集熱器熱損增大， 熱效率明顯下降。為了提高高溫使用范圍選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性，降低紅 外發(fā)射率，已研究和發(fā)展了高溫穩(wěn)定金屬雙靶共濺射淀積技術(shù)，這種涂層具有 多層膜層的結(jié)構(gòu)、使在高溫范圍內(nèi)熱性能穩(wěn)定，吸收/發(fā)射比較小。但是；這
種涂層和工藝方法的關(guān)鍵是必須采用高溫穩(wěn)定金屬如W、 MO、 SS，而且必須 采用雙電極靶共濺射；造成沉積速率低，生產(chǎn)周期長、工藝復雜、耙材稀貴、 成本高。所以現(xiàn)在需要一種吸收率很高，發(fā)射率很低，而且熱穩(wěn)定性很好的選 擇性吸收涂層及制備技術(shù)。但是至今行業(yè)中沒有出現(xiàn)可以克服以上缺點的技術(shù) 解決方案。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種具有優(yōu)良的太陽能選擇性吸收特性，且膜層 牢固的選擇性吸收膜層，該膜層具有較高的結(jié)合強度和良好的耐候性，同時在生產(chǎn)是具有較高的生產(chǎn)效率。
為了達到上述的技術(shù)目的，本實用新型采用的技術(shù)解決方案包括以下技術(shù) 內(nèi)容 一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，該涂層由多層金屬與非金屬復合而成， 上述的選擇性太陽能附著在金屬平板上，其特征在于所述的涂層在金屬平板 上附著的次序依次為底層一氮化鋁復合層一氮化鋁復合層一三氧化二鋁(這個 中的第二層鋁與N2等反應氣體之后，是否生成新的氮化鋁復合物質(zhì))
所述的底層為不銹鋼、鉬或者鎳中的一種。
所述的底層一氮化鋁復合層一氮化鋁復合層一三氧化二鋁的厚度為
80nm-120nm。
所述的底層一氮化鋁復合層一氮化鋁復合層一三氧化二鋁各層的厚度為， 底層15nm—25nm;氮化鋁復合層25nm-35nm;氮化鋁復合層25nm-35nm;三 氧化二鋁15 nm_25 nm。
所述的底層一氮化鋁復合層一氮化鋁復合層一三氧化二鋁各層的最佳厚度 為，底層20nm;氮化鋁復合層30nm;氮化鋁復合層30nm;三氧化二鋁20nm。
所述的氮化鋁復合層涂層在進行發(fā)應濺射時需要在真空室中加入氮氣，氮 氣的加入量為20sccm-40sccm帕。 所述的不銹鋼為用SUS304不銹鋼。
通過采用上述的技術(shù)解決方案，本實用新型獲得了以下技術(shù)優(yōu)點和效果 本實用新型通過采用不銹鋼一氮化鋁復合層--氮化鋁復合層一三氧化二鋁的復 合膜層做為平板式太陽能集熱器的選擇性吸收涂層，這種復合膜層具有非常好的太陽能選擇性能，其中金屬底層分別采用不銹鋼、鉬或者鎳做為金屬底層， 上述幾種金屬會在銅或者鋁板上具有非常強的結(jié)合牢度，從而增強整個吸收膜 層的固定牢度；另外上述的不銹鋼、鉬或者鎳均具有非常好的紅外反射性能，
可以非常有效的降低膜層的熱發(fā)射率，將氮化鋁做為吸收層，并在磁控濺射的 時候與真空室中充入的氮氣和氧氣反應，形成反應濺射膜，反應濺射出不同金
/閑T4M" M^口、J村/I又"^X^人刀夭広，旭Ai k)C且但^1 口U y口jfe"夭/石仔/叉^W'也/尚'KIM^ kLi ， 力,/J乂
光干涉吸收膜層，大大增強了膜層對可見光的吸收，從而大大增強上述膜層的
吸收率；另外在上述膜層的最上層通過反應濺射三氧化二鋁膜層或二氧化硅膜 層，可以利用三氧化二鋁或二氧化硅穩(wěn)定的性能，對其下的膜層起到減反射和 封閉的作用，保護吸收層不會受到大氣中的水份、鹽分等的腐蝕，大幅度提高 了膜層的耐候性，顯著延長了上述膜層的使用壽命，同時因該膜層具有微觀表 面多孔性，可以防止可見光的反射，因此還具有減反射的功能。

圖1為本實用新型的膜層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面對本實用新型進行詳細的說明
本實用新型是針對現(xiàn)有的平板式太陽能集熱器中使用的集熱芯片材料的 涂層工藝所做出的改進，現(xiàn)在常用的集熱片一般為薄銅板或者鋁板，因此本實 用新型中的太陽能選擇性吸收涂層就是以上述兩種常用的材料基材所做出的技 術(shù)改進。該涂層由多層金屬與非金屬復合而成，上述的選擇性太陽能涂層附著在金屬平板上，而這個金屬板也就是薄銅板或者鋁板。如圖1所示，所述的涂
層在金屬平板5上附著的次序依次為金屬底層4一氮化鋁復合層3—氮化鋁復合 層2 —三氧化二鋁1，根據(jù)不同的金屬特性，在本實用新型中的金屬底層4為不 銹鋼、鉬或者鎳中的一種。使用這幾種材料制成的復合膜層，也就是太陽能選 擇性吸收涂層，主要是上述的幾種金屬與鋁和銅通過反應濺射后，可以穩(wěn)定而
m aa< rr/丄廿一t口^K"水iPf甘士4 l2+v-al # a ^et入o±t p 入小m aa w丄舉廿r"i
千l￡U tfJ m有訌'tfc3現(xiàn)有W」整不孑丄，込1干力I,夂S—股7云廷i一'I,千IBJ tfj TO看整flE 。
另外這幾種金屬材料還具有較強的紅外反射性能，可以降低復合膜層的熱發(fā)射
率，提高太陽能板芯的熱性能，即對可見光的高吸收率和對紅外輻射的高反射，
把吸收的可見光的能量盡可能地留下。本實用新型所述的金屬底層4，金屬底層 的材質(zhì)(包括不銹鋼、鉬、鎳任意一種) 一氮化鋁復合層3 —氮化鋁復合層2 — 三氧化二鋁1的厚度為80nm-120nm。上述的這個厚度為篩選的比較合理的一個 膜層厚度。上述的膜層在進行反應濺射時所生產(chǎn)的每層膜層的厚度分別是金屬 底層4為15nm—25nm;氮化鋁復合層3吸收層為25nm-35nm;氮化鋁復合層 2為25nm-35nm;三氧化二鋁1為15 nm—25 nm。上述的這個厚度范圍可以根 據(jù)具體的使用要求和太陽能設(shè)備的用途等技術(shù)指標進行調(diào)整。但是在一般情況 下，最佳的膜層結(jié)構(gòu)金屬底層20nm;鋁—氮一鋁一共60nm;三氧化二鋁20nm。 上述的膜層的加工過程為，首先將金屬基材5，也就是薄銅板或者鋁板進 行表面預處理，然后將其放入預處理室中在l(T2Pa的真空條件下，經(jīng)過質(zhì)量流 量計通入Ar氣60sccm，調(diào)節(jié)真空度在0.6pa，開靶極電源，耙極電源480v，電 流4.5A，進行鍍制前的離子刻蝕，處理時間為10-25分鐘。用Ar離子源轟擊基材5表面，電流密度0.8A/cn^使上述的薄銅板或者鋁板表面的固體雜質(zhì)得到良 好的清理，進行離子刻蝕一般只需進行一個表面即可，因為鍍制太陽能選擇性 吸收涂層也至少在一個表面上進行。進行離子刻蝕可以使基材5即薄銅板或者 鋁板的表面得到徹底的清理，提高鍍制膜層時候的附著力，提高膜層使用壽命。
在進行基材5表面預處理之后，即可開始膜層的鍍制過程，這個過程是通 ^L共工mrri乂乂/^i!w牙j 7|^大>咒口1( 。 d寸丄處:&ijLi^i:理mH導wj,現(xiàn),'tn極"乂/、具工w汰 射室中，在0.5Pa的真空條件下通過磁控濺射鍍制金屬底層4，采用不銹鋼靶或 鎳靶或鉬靶進行，通入氮氣42sccm，保持工作氣壓為0.5pa，電流5A，磁控濺 射時間為5分鐘。在厚度達到20nm是即可進入下一個膜層的鍍制。
同樣將該鍍制完金屬底層的基材放入真空室中，通過反應濺射鍍制吸收 層，采用鋁靶進行磁控濺射，濺射時通入氧氣30 sccm，氮氣20sccm，保持工 作氣壓為0.5pa，電流5A，磁控濺射時間為7分鐘。在厚度達到30nm是即可進 入下一個膜層的鍍制。在濺射吸收層的時候還可以通入其他可以通入的氣體。 在鍍制不同的膜系時，通入不同的氣體，按照膜系中的先后順序。
同樣將該鍍制完金屬底層的基材放入真空室中，通過反應濺射鍍制吸收 層，采用鋁靶進行磁控濺射，濺射時通入氧氣25 sccm，氮氣15 sccm，保持工 作氣壓為0.5pa，電流5A，磁控濺射時間為10分鐘。在厚度達到30nm是即可 進入下一個膜層的鍍制。
最后將該鍍制完金屬底層的三氧化二鋁1，將基材5放入真空室中，通過 反應濺射鍍制表面的陶瓷層，采用鋁靶進行磁控濺射，濺射時通入氧氣45 sccm，保持工作氣壓為0.5pa，電流5A，磁控濺射時間為5分鐘。在厚度達到20nm是 即可進入下一個膜層的鍍制。
上述描述只能被看作是較佳實施例。本技術(shù)領(lǐng)域中的那些熟練技術(shù)人員以 及那些制造或使用本實用新型的人應意識到本實用新型的其它多種變化型式。 因此，要理解的是，上述圖示實施例僅僅是作示范用的，它并不會對本實用新 生口'jyiiraT"jp乂p艮巾'j， ,+、大/"tt形i生口、jYiiraTK:i/s ，'jfs口、j;!^yvj、'巴:r。守:x乂'寸刃mj;i牙、w畫j
所解釋的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求1、一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，該涂層由多層金屬與非金屬復合而成，上述的選擇性太陽能附著在金屬平板上，其特征在于所述的涂層在金屬平板上附著的次序依次為底層-氮化鋁復合層-氮化鋁復合層-三氧化二鋁。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，其特征在于所 述的底層為不銹鋼、鉬或者鎳中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，其特征在于所 述的底層一氮化鋁復合層一氮化鋁復合層一三氧化二鋁的厚度為 80nm-120nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，其特征在于所 述的底層 一氮化鋁復合層 一氮化鋁復合層 一 三氧化二鋁各層的厚度為，底層15 nm_25 nm;鋁25nm-35nm;鋁25nm-35nm;三氧化二鋁15 nm— 25 nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，其特征在于所 述的底層一氮化鋁復合層一氮化鋁復合層一三氧化二鋁各層的最佳厚度 為，底層20nm;氮化鋁復合層30nm;氮化鋁復合層30nm;三氧化二鋁 20 nm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，其特征在于所 述的氮化鋁復合層一氮化鋁復合層,涂層在進行發(fā)應濺射時需要在真空室中加入氮氣，氮氣的加入量為20sccm-40sccm帕。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，其特征在于所述的不銹鋼為SUS304不銹鋼。
專利摘要本實用新型屬于太陽能設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種使用在平板式太陽能集熱器表面，用于吸收利用太陽能的選擇性吸收涂層。一種選擇性太陽能光熱吸收涂層，該涂層由多層金屬與非金屬復合而成，上述的選擇性太陽能附著在金屬平板上，其特征在于所述的涂層在金屬平板上附著的次序依次為底層—氮化鋁復合層—氮化鋁復合層—三氧化二鋁(這個中的第二層鋁與N₂等反應氣體之后，是否生成新的氮化鋁復合物質(zhì))。本實用新型可以提供一種具有優(yōu)良的太陽能選擇性吸收特性，且膜層牢固的選擇性吸收膜層，該膜層具有較高的結(jié)合強度和良好的耐候性，同時在生產(chǎn)中是具有較高的生產(chǎn)效率的。
文檔編號F24J2/48GK201344667SQ20082023593
公開日2009年11月11日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者丘仁政, 賓 羅, 陳漢文 申請人:丘仁政;陳漢文;羅 賓