一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于材料制备技术领域，提供了一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法。所述涂层由下而上依次是金属红外反射层、准光学微腔吸收体、光学减反层部分三部分，所述涂层材料为金属W，电介质Al2O3和SiO2，衬底为机械抛光的不锈钢304，易于制备获得。相对于已知涂层具体以下优点：(1)太阳吸收率高；(2)高温稳定性好；(3)光谱吸收范围易于调节，易于产业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
本专利技术属于材料制备
，提供了一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法。
技术介绍
长期以来，能源问题都尤为重要，太阳能作为传统能源的替代能源之一，其具有清洁无污染、储量大等优点。最常见的太阳能利用技术可大致分为光热和光伏两种。其中，光热技术具有能源利用率高、成本低、设备简单等诸多优势。太阳能光热转换技术以热能的形式对太阳能进行吸收利用被广泛应用在太阳能热水器、太阳冷却系统和集中式太阳能发电系统(CSP)中。太阳能的光热技术不仅是太阳能技术的另一种利用方式，更是弥补了光伏发电的固有缺陷，适用于现今已有的能源建设体系，是一种行之有效的新能源应用策略。在光热转换系统中，核心部位之一为太阳能选择性吸收涂层，具有对太阳光较高的吸收率(α)，同时保持尽可能低的热发射率(ε)，其作用是对太阳光进行吸收并转化为热能用于加热液体，使其形成高温蒸汽驱动电机发电，其性能的好坏直接决定了光热转换系统性能的优异。太阳能选择性吸收涂层太阳能选择性吸收涂层可分为以下六大类：1)本征吸收型涂层；2)多层膜型吸收涂层；3)金属-半导体串联型吸收涂层；4)表面织构型吸收涂层；5)选择性透射和类黑体吸收型涂层；6)金属陶瓷型吸收涂层。近年来，由于多层膜型选择性吸收涂层和金属陶瓷型选择性吸收涂层性能优异而被更加广泛的研究。太阳能的光热利用主要任务是提高其光热转换效率和热稳定性，而这两个性能指标直接由太阳光选择性吸收涂层的太阳光吸收率α、热发射率ε以及其稳定性决定。因此，太阳能光热利用技术主要研究集中在如何提高太阳光吸收率α、如何降低热发射率ε以及如何提高其高温稳定性。目前，太阳能光热转换技术的主要应用包括：太阳能热水器、干燥器、温室与太阳房、太阳灶、采暖和制冷、海水淡化装置、太阳能热发电装置和高温太阳炉等。其中太阳能热水器是太阳能热利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域。太阳能光热转换技术主要应用于中低温领域(<400℃)，与相对成熟的低温吸收涂层技术相比，研发中高温选择性吸收涂层面临着更大的挑战，如涂层在高温下循环使用后光学性能变差，光热转换效率变低等。解决这些问题，需要对材料、结构以及制备工艺进行更深入、系统地研究和分析。如已经报导的专利CN102954611A、CN102653151A、CN102286720A、CN106167892A、CN103572233A等均研究了双层金属陶瓷结构的选择性吸收涂层，其缺点在于：随温度的升高，涂层中金属原子的扩散会对涂层的光学性能产生影响，造成吸收率下降、发射率升高。也就是存在高温稳定性等问题。因此如何提高吸收涂层的吸收率，降低涂层的发射率，并使涂层具有良好的耐高温和耐候性能，是选择性吸收涂层制备的考虑方向。已有技术存在的主要问题包括：(1)研究单一，主要集中在多层膜型和金属陶瓷型吸收涂层；(2)热稳定性有待提升；(3)光谱选择性调节难。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法。本专利技术提供的一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层，可在高温环境下稳定工作，工作温度(600℃)，太阳光吸收率可达～96％，热发射率5％，光热转换效率可达～95％左右，并且易于调控吸收光谱。具体的，本专利技术通过以下技术方案来实现，一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层，包括三部分：由下而上依次是金属红外反射层、准光学微腔吸收体、光学减反层，其中，准光学微腔吸收体由金属陶瓷1-金属-金属陶瓷2结构构成，所述金属为金属W，金属陶瓷为W-SiO2金属陶瓷，光学减反层的电介质Al2O3和SiO2。其中，金属W具有高的熔点，同时在红外区反射率高，适合作为底层红外减反层。通过大量的实验研究发现，本专利技术采用金属陶瓷-金属-金属陶瓷结构结合金属陶瓷的吸收以及膜层间的相互作用，可以对光进行大范围的吸收，具有高的太阳光吸收。同时，电介质Al2O3和SiO2层与空气的光学常数匹配较好，在顶层作为减反层设计可以减小光的反射。这样的材料层选择，可以进一步优化太阳光吸收。作为本专利技术的一种优选技术方案，本专利技术通过大量实验，利用单层膜的光学常数进行拟合优化设计，得到膜层结构厚度：W红外反射层约为50-150nm，W-SiO2金属陶瓷1约为30-60nm，中间金属W层约为3-15nm，W-SiO2金属陶瓷2约为45-65nm，Al2O3光学减反层1约为10-30nm，SiO2光学减反层2厚度约为45-70nm。前述各材料层的厚度的选择是通过大量实验优化得出的，其他未选择前述相应厚度的组合的吸收率不能得到提升。作为本专利技术的一种优选技术方案，金属陶瓷成分体积比(W：SiO2)为1：5到2：3。前述材料成分体积比选择的依据主要是根据单层膜的光学常数决定，形成的涂层具有好的光学性能就需要膜层之间具有好的光学常数匹配。并且，如果成分体积比选择不恰当，同样吸收会变差。本专利技术进一步提供了一种制备前述一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括：采用机械抛光的不锈钢304作为衬底，利用高真空多靶磁控溅射系统对该吸收涂层进行由下而上沉积，其中，金属W采用的是直流溅射沉积，功率密度为2.00-2.50(Wcm-2)，Al2O3和SiO2采用的是射频溅射，功率密度为3.00-4.00(Wcm-2)，W-SiO2金属陶瓷依次是直流和射频共溅射沉积，其溅射功率密度分别为0.50-1.00(Wcm-2)和3.50-4.50(Wcm-2)。前述制备方法的工艺参数的选择主要是依据单层膜沉积时采用的沉积功率以及相应材料沉积速率，结合单层膜的光学常数确定。工艺参数不同，相应的膜层结构和成分比都会有相应的变化。该工作的大致步骤就是先通过选用不同的工艺参数(沉积功率)沉积单层膜，再通过光学常数确定最佳的工艺参数进行膜层沉积。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述制备方法中金属陶瓷成分体积占比(W：SiO2)为1：5到2：3。相应体积的W：SiO2是通过磁控溅射系统，两靶同时溅射沉积形成。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述制备方法具体制备过程：1)机械抛光的不锈钢先后用丙酮和无水乙醇进行擦洗干净，进行基片固定；2)抽真空，本底真空小于～4×10-4Pa；3)对基片进行偏压清洗，氩气环境，气压为0.6-0.8Pa左右，清洗时间3-5min；4)开始溅射，在氩气环境下，气压为0.3-0.5Pa左右，依次溅射红外金属W反射层,QOM准光学微腔吸收层，和光学减反层；5)沉积完成后，在真空腔内放置20-25min以上，取样。前述制备方法的工艺参数的选择主要是依据单层膜沉积时采用的沉积功率以及相应材料沉积速率，结合单层膜的光学常数确定的最佳工艺参数。本专利技术提供的高温稳定的准光学微腔太阳光谱选择性吸收涂层，具有以下优点：(1)太阳吸收率高，可达～96％；(2)高温稳定性好，在高温600℃真空环境下稳定250h性能没有变坏趋势；(3)光谱吸收范围易于调节，基于准光学微腔的选择性吸收涂层，可以根据调节金属成分占比、金属陶瓷厚度以及中中间金属层的厚度进行方便的调节。附图说明图1，本专利技术高温稳定的W本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，包括三部分：由下而上依次是金属红外反射层、准光学微腔吸收体、光学减反层，其中，准光学微腔吸收体由金属陶瓷1‑金属‑金属陶瓷2结构构成，所述金属为金属W，金属陶瓷为W‑SiO2金属陶瓷，光学减反层的电介质Al2O3和SiO2。

【技术特征摘要】
1.一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，包括三部分：由下而上依次是金属红外反射层、准光学微腔吸收体、光学减反层，其中，准光学微腔吸收体由金属陶瓷1-金属-金属陶瓷2结构构成，所述金属为金属W，金属陶瓷为W-SiO2金属陶瓷，光学减反层的电介质Al2O3和SiO2。2.根据权利要求1所述的一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，W红外反射层约为50-150nm，W-SiO2金属陶瓷1约为30-60nm，中间金属W层约为3-15nm，W-SiO2金属陶瓷2约为45-65nm，Al2O3光学减反层1约为10-30nm，SiO2光学减反层2厚度约为45-70nm。3.根据权利要求1所述的一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，金属陶瓷成分体积占比(W：SiO2)为1：5到2：3。4.一种制备权利要求1-3任一项所述的一种高温稳定的准光学微腔结构太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用机械抛光的不锈钢304作...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹峰，伍作徐，张倩，刘一杰，魏东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44