太陽能選擇性吸收涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種太陽能選擇性吸收涂層。本發(fā)明中，包括金屬反射層和形成在金屬反射層上的半導(dǎo)體吸收層，金屬反射層為Al，半導(dǎo)體吸收層為Ge。本發(fā)明有效發(fā)揮Ge半導(dǎo)體能帶截止陡以及對Al金屬低紅外發(fā)射率負(fù)面影響小的優(yōu)勢，使得太陽能系統(tǒng)集熱器最大限度吸收太陽能光譜，并有效的抑制紅外輻射，突破了傳統(tǒng)選擇性吸收涂層高溫應(yīng)用的局限。
【專利說明】太陽能選擇性吸收涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種太陽能選擇性吸收涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，然而由于其到達(dá)地球后能量密度小，給大規(guī)模的開發(fā)利用帶來困難。這就決定了太陽能直接用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)前，必須提高太陽能的能量密度。太陽能選擇性吸收涂層對可見光的吸收率很高，而自身紅外輻射率很低，能夠把低品位的太陽能轉(zhuǎn)換成高品位的熱能，對太陽能起到富集作用，太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，然而由于其到達(dá)地球后能量密度小，給大規(guī)模的開發(fā)利用帶來困難。這就決定了太陽能直接用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)前，必須提高太陽能的能量密度。太陽能選擇性吸收涂層對可見光的吸收率很高，而自身紅外輻射率很低，能夠把低品位的太陽能轉(zhuǎn)換成高品位的熱能，對太陽能起到富集作用。因此，制備高效的太陽能選擇性吸收涂層是太陽能熱利用中的關(guān)鍵技術(shù)，對提高集熱器效率至關(guān)重要。
[0003]根據(jù)吸收原理和涂層結(jié)構(gòu)的不同，可以把選擇性吸收涂層分為以下幾種:①利用微觀粗糙的表面結(jié)構(gòu)，可吸收短波輻射，但對紅外輻射則產(chǎn)生鏡面反射，形成選擇性吸收；②利用多層膜之間的干涉效應(yīng)獲得選擇性吸收利用納米金屬-介電復(fù)合材料形成選擇性吸收層；④金屬-半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu):選擇禁帶寬度Eg較小的半導(dǎo)體，能量高于Eg的光子被吸收，能量低于Eg的光子(遠(yuǎn)紅外)則透過，而金屬對紅外光有良好反射性，從而形成光譜吸收選擇性?；跈C(jī)制③的選擇性吸收材料是目前絕大部分有應(yīng)用價值的太陽能集熱器采用的方案?；跈C(jī)制④的技術(shù)路線則在實際應(yīng)用中從未被采用，因為常見半導(dǎo)體對太陽光譜的吸收率較低(〈0.7)，應(yīng)用于常見的平板或管式集熱器時。
[0004]迄今為止，國內(nèi)外大部分研究工作集中在低溫選擇性吸收涂層上，這些涂層的選擇性過渡區(qū)很寬，但能夠滿足低溫下的選擇性。例如，100°c時紅外發(fā)射光譜的峰值波長約為5-6微米，遠(yuǎn)離太陽輻射光譜波長，這些涂層的選擇性已足夠?qū)⑵浞珠_。然而，隨著溫度升高，紅外發(fā)射峰將逐漸趨近太陽光譜的尾部。在400°C條件下，選擇性吸收材料的紅外發(fā)射峰與太陽光譜有較多重疊，理想分隔波長為2微米左右，需要非常窄的過渡區(qū)才能將其分隔開。因此，由于半導(dǎo)體材料具有較窄的吸收過渡區(qū)，使得半導(dǎo)體-金屬串聯(lián)結(jié)構(gòu)的選擇性吸收涂層相對于傳統(tǒng)三維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的選擇性吸收涂層具有明顯的優(yōu)勢。
[0005]對于半導(dǎo)體-金屬串聯(lián)的選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)，要求半導(dǎo)體吸收系數(shù)大且吸收邊陡，金屬熱發(fā)射系數(shù)低。目前，應(yīng)用最多半導(dǎo)體材料是硅，室溫下的吸收系數(shù)與發(fā)射系數(shù)之比可達(dá)到15%。但是硅的截止波長在1.1u m左右，將不能吸收1.lum-2um之間的太陽光譜能，降低了吸收能量，因此限制了?的提高。
[0006]但是，上述多種現(xiàn)有的選擇性吸收涂層由于在高溫下吸收膜結(jié)構(gòu)分子被氧化而變形，抗氧化能力弱，從而導(dǎo)致太陽光吸收率低的缺點(diǎn)，無法應(yīng)用在150°C _600°C的高溫集熱器領(lǐng)域，因此，本領(lǐng)域迫切需要研發(fā)一種高熱吸收效率、低熱發(fā)射率、能夠應(yīng)用在高工作溫度集熱器上的太陽能選擇性吸收涂層。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能選擇性吸收涂層，解決現(xiàn)有選擇性吸收涂層光譜過渡區(qū)較寬導(dǎo)致的高溫應(yīng)用受限的問題。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了太陽能選擇性吸收涂層，包括金屬反射層和形成在金屬反射層上的半導(dǎo)體吸收層，金屬反射層為Al，半導(dǎo)體吸收層為Ge。
[0009]可選的，金屬反射層和半導(dǎo)體吸收層之間設(shè)有紅外透明氧化物層。
[0010]可選的，紅外透明氧化物層為Cr203、Al2O3或TiO2。
[0011]可選的，金屬反射層下方設(shè)有粘附層，粘附層為N1、Ti或Cr203。
[0012]可選的，半導(dǎo)體吸收層表面為微觀粗糙絨面。
[0013]可選的，微觀粗糙表面涂覆抗氧化保護(hù)層。
[0014]可選的，半導(dǎo)體吸收層表面設(shè)有I?3層增透膜。
[0015]可選的，2層增透膜依次覆蓋在導(dǎo)體吸收層表面，增透膜為Si3N4、Si02+SiN4。
[0016]可選的，增透膜表面涂覆抗氧化保護(hù)層，抗氧化保護(hù)層為Si02。
[0017]可選的，其特征在于，選擇性吸收涂層涂覆在高光潔度的表面上。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于:半導(dǎo)體吸收層和金屬反射層相結(jié)合，將有效發(fā)揮Ge半導(dǎo)體能帶截止陡以及對Al金屬低紅外發(fā)射率負(fù)面影響小的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)集熱器最大限度吸收太陽能光譜，并有效的抑制紅外輻射。在400°C條件下，選擇性吸收材料的紅外發(fā)射峰與太陽光譜有較多重疊，理想分隔波長為2微米左右。因此為了促進(jìn)選擇性吸收涂層的中高溫應(yīng)用，選用截止波長為2微米左右的半導(dǎo)體材料最為理想，Ge半導(dǎo)體的截止波長為1.85um左右，且吸收邊較陡，完全符合作為半導(dǎo)體-金屬串聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)選擇性吸收涂層吸收層材料的條件。另方面Al金屬反射層熱發(fā)射系數(shù)可抵御0.02，且高溫下不易氧化，非常適合作為半導(dǎo)體-金屬串聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)選擇性吸收涂層的金屬反射層。該太陽能選擇性涂層能夠廣泛應(yīng)用于光熱系統(tǒng)中(熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水器系統(tǒng)、太陽能空調(diào)系統(tǒng)等)，大大降低系統(tǒng)的熱輻射損失，從而提高系統(tǒng)的效率；應(yīng)用于太陽能熱水器系統(tǒng)中可使工作溫度提高2-3倍；應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中可使系統(tǒng)效率提高5-6%左右，大大促進(jìn)太陽能集熱器在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明太陽能選擇性吸收涂層的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明太陽能選擇性吸收涂層的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明太陽能選擇性吸收涂層應(yīng)用于太陽能熱水器時與無選擇性涂層及傳統(tǒng)選擇性涂層太陽能熱水器的工作溫度的區(qū)別圖。
【具體實施方式】
[0022]在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。圖中相同或相似的構(gòu)件采用相同的附圖標(biāo)記表示。
[0024]圖1示出了本發(fā)明的太陽能選擇性吸收涂層的第一實施例，參見圖1，太陽能選擇性吸收涂層包括:金屬反射層I和形成在金屬反射層I上的半導(dǎo)體吸收層2，金屬反射層I為Al，半導(dǎo)體吸收層2為Ge。圖1中，半導(dǎo)體吸收層2與Al金屬反射層I為選擇性吸收涂層的基本物理功能單元體，而其他單元體均為實現(xiàn)高低溫循環(huán)長期穩(wěn)定性所需的單元體。Ge半導(dǎo)體吸收層2的薄膜厚度大致為0.l-5um，可采用電鍍/CVD/蒸發(fā)/濺射等薄膜制備方法獲得；A1金屬反射層I的厚度為IO-1OOOnm可采用通過濺射、電鍍、蒸發(fā)、化學(xué)鍍、銀鏡反應(yīng)等制備方法獲得；緩沖層薄膜可采用電鍍/CVD/蒸發(fā)等薄膜制備方法獲得。
[0025]為了保證選擇性吸收涂層的穩(wěn)定性與可靠性，可以有針對性的加入粘附層4、紅外透明氧化物層3、抗氧化保護(hù)層5等膜層結(jié)構(gòu)。為了改善半導(dǎo)體介電常數(shù)高，界面反射大引起的吸收系數(shù)低的問題，可將半導(dǎo)體吸收層表面設(shè)置成微觀粗糙絨面，如圖1所示。
[0026]金屬反射層I和半導(dǎo)體吸收層2之間設(shè)有紅外透明氧化物層3。紅外透明氧化物層可以選擇Cr203、Al2O3或TiO2等材料。可在派射金屬反射層Al時放入部分氧氣,氧氣與該金屬反射層表面反應(yīng)，形成一層Al2O3紅外透明氧化物層3，該紅外透明氧化物層的目的是為了避免半導(dǎo)體吸收層I與金屬反射層2相互擴(kuò)散反應(yīng)所帶來的選擇性吸收功能的降低問題。
[0027]金屬反射層I下方設(shè)有粘附層4，粘附層4的目的是為了保證選擇性吸收膜層在高低溫循環(huán)過程中的穩(wěn)定性，可選擇加Ni/Ti的氧化物、Cr2O3以及其混合物等材料。粘附層可采用電鍍/CVD/蒸發(fā)等薄膜制備方法獲得。
[0028]半導(dǎo)體吸收層2表面為微觀粗糙絨面。為了改善由于半導(dǎo)體介電常數(shù)高，界面反射大引起的吸收系數(shù)低的問題，可利用半導(dǎo)體各向異性刻蝕形成絨面微觀粗糙絨面將形成光陷阱，降低Ge半導(dǎo)體表面的反射率，微觀粗糙絨面可以采用H2O2刻蝕得到。
[0029]微觀粗糙絨面表面涂覆抗氧化保護(hù)層5，在絨面層表面引入抗氧化元素來防止薄膜的高溫氧化，提高復(fù)合材料層的高溫穩(wěn)定性與可靠性。
[0030]圖2示出了本發(fā)明的太陽能選擇性吸收涂層的第二實施例，該實施例與第一實施例的區(qū)別在于，Ge半導(dǎo)體吸收層2表面為平面結(jié)構(gòu)，在Ge半導(dǎo)體吸收層表面設(shè)有兩層增透膜6。增透膜6的作用是為了降低由于半導(dǎo)體介電常數(shù)高，界面反射大引起的吸收系數(shù)低的問題，增透膜可采用CVD的方法通過調(diào)節(jié)Ν20/ΝΗ3的比例來獲得Si3N4-SiOJSi3N4-SiO2系列增透膜層。
[0031]另外，在增透膜6表面涂覆抗氧化保護(hù)層5，在選擇性吸收層2表面引入抗氧化元素，如SiO2，來防止薄膜的高溫氧化，提高復(fù)合材料層的高溫穩(wěn)定性與可靠性。
[0032]第一實施例和第二實施例的選擇性吸收涂層，較佳的，應(yīng)涂覆在高光潔度的表面上，如玻璃或金屬，可對金屬基底先進(jìn)行拋光，保證其平整性，以保證選擇性貼膜的穩(wěn)定性和可靠性。
[0033]參見圖3，示出了本發(fā)明的太陽能選擇性涂層涂覆在太陽能熱水器與無選擇性涂層及傳統(tǒng)選擇性涂層熱水器的工作溫度與效率的關(guān)系，由圖可見，當(dāng)輻射損失占總損失的60%，熱水器的工作效率為0.6時，無選擇性涂層的太陽能熱水器的工作溫度能夠達(dá)到35°C左右，具有選擇性涂層的太陽能熱水器的工作溫度能夠達(dá)到100°C左右，而采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的新型選擇性太陽能熱水器能夠達(dá)到280°C的工作溫度。新型的選擇性吸收涂層打破了現(xiàn)有選擇性吸收涂層工作溫度低的局限，解決了由于傳統(tǒng)三維納米選擇性吸收涂層過渡區(qū)較寬導(dǎo)致的高溫應(yīng)用受限的缺陷，替代了傳統(tǒng)三維納米選擇性吸收材料，有效發(fā)揮半導(dǎo)體能帶截止陡以及對良金屬低紅外發(fā)射率負(fù)面影響小的優(yōu)勢來吸收更多能量并有效降低紅外熱輻射損失。廣泛應(yīng)用于光熱系統(tǒng)中(熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水器系統(tǒng)、太陽能空調(diào)系統(tǒng)等)，大大降低系統(tǒng)的熱輻射損失，從而提高系統(tǒng)的效率；應(yīng)用于太陽能熱水器系統(tǒng)中可使工作溫度提高2-3倍；應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中可使系統(tǒng)效率提高5-6%左右。
[0034]雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式，已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，包括金屬反射層和形成在所述金屬反射層上的半導(dǎo)體吸收層，所述金屬反射層為Al，半導(dǎo)體吸收層為Ge。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述金屬反射層和半導(dǎo)體吸收層之間設(shè)有紅外透明氧化物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述紅外透明氧化物層為 Cr203、Al203 或 Ti02。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述金屬反射層下方設(shè)有粘附層，所述粘附層為N1、Ti或Cr203。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述半導(dǎo)體吸收層表面為微觀粗糙絨面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述微觀粗糙絨面表面涂覆抗氧化保護(hù)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述半導(dǎo)體吸收層表面設(shè)有I?3層增透膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述2層增透膜依次覆蓋在導(dǎo)體吸收層表面，所述增透膜為Si3N4、Si02+SiN4。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述增透膜表面涂覆抗氧化保護(hù)層，所述抗氧化保護(hù)層為Si02。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述選擇性吸收涂層涂覆在高光潔度的表面上。
【文檔編號】F24J2/48GK103574948SQ201210279294
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月7日
【發(fā)明者】項曉東 申請人:益科博能源科技（上海）有限公司