一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种太阳光谱选择性吸收涂层，涂层结构从基底到空气界面依次为：基底1、红外反射层2、具有热匹配功能的吸收层层金属31和半导体吸收层锗32，减反层4，包括高折射率介质层41和低折射率介质层42；该太阳光谱选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性，吸收-反射过渡区陡峭；在太阳能光谱范围（0.3-2.5微米）具有较高的吸收率α，在热辐射红外区域（2-50微米）具有极低的辐射率ε，α/ε远高于现有的商业产品，适合于低倍聚焦的中温太阳能集热器；并且制备工艺简单、镀膜设备要求低，适合于大规模低成本生产。本发明专利技术提出的(SiO2/TiO2/Ge/Ti/Al)结构相比于锗单独做吸收层的(SiO2/TiO2/Ge/Al)结构，涂层的热稳定性能明显提高，且具有更高的吸收率和相近的辐射率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光谱选择性吸收涂层及其制备方法，特别是涉及一种基于基底 层、红外反射层、热匹配金属吸收层、半导体吸收层和减反层的太阳光谱选择性吸收涂层及 其制备方法。
技术介绍
太阳光谱选择性吸收涂层是实现太阳能光热转换的核心材料，一方面，它 在太阳光波段（〇.3μπι-2.5μπι)具有高的吸收率，另一方面，它在红外热辐射波段 (2. 5 μ m-50 μ m)具有低的吸收率，即辐射率，从而抑制了红外辐射散热。衡量选择性吸收性 能的重要指标之一是太阳光谱吸收率α与红外辐射率ε (T)之比，α/ε。 目前太阳能集热器采用的光谱选择性涂层膜系结构一般可以概括为基底/金属 底层/太阳光谱吸收层/表面减反射层。金属底层对红外波长有很高的反射率，是获得低 辐射性能的主要原因；表面减反层降低涂层与空气界面处太阳光的反射，使更多的太阳光 能量进入吸收层，提高集热效率。太阳光谱吸收层应对太阳光波段（0.3 μ m-2. 5 μ m)具有 高的吸收率，在红外热辐射波段（2 μ m-50 μ m)具有低的吸收率，从而对红外热辐射波段相 对透明，保证金属底层对红外波长的高反射率。吸收层根据不同的吸收机理可分为以下类 型：1.电介质 -金属-电介质干涉吸收膜系；2.在电介质基体中嵌入金属粒子形成的金属 陶瓷；3.半导体材料对高于禁带宽度Eg (对应近红外波段的本征吸收限)能量光的吸收，以 及对低于禁带宽度Eg能量光的透明；如果构造特定尺度的半导体表面粗糙结构，使其对太 阳光通过陷光作用进一步提高吸收率，。 第 1、2 类太阳光谱吸收层如 Al203-Mo_Al203、Crx0y、AlN-Al、TiNx0y、Al(Mo、W、Ni、 C〇)-A1203等的共同的特点是吸收层主要为金属态或者金属-电介质混合态，消光系数在红 外波段较大，影响涂层结构中红外反射金属层的辐射率，导致太阳光谱吸收率α高的同时 (一般高于90%)，红外辐射率ε (T)也较高(一般高于5%，80°C )，而且从太阳光吸收到红外 反射的过渡区较宽，导致等效红外辐射率ε (T)随温度上升较快（中高温区大于10%)，a/ ε -般小于10 (中高温区）_20 (80°C)。因此当这两类涂层应用于聚焦比较低的集热器， 工作温度200°C以上时集热器光热转换效率较低。 基于半导体本征吸收的第3类光谱选择性吸收层，对入射光能量低于Eg的波段 消光系数极小(几乎为〇)，当厚度不超过IOOnm时不影响整个膜系(金属反射层）的热辐射 率，因此可以获得很低的等效辐射率（~2%);对能量高于Eg的波段(大部分太阳光波段)消 光系数大，具有高吸收的可能性。但由于其折射率与空气相差较大，导致在半导体/空气 界面处存在高的反射率，例如锗膜（IO-1000 Onm)对太阳光谱的反射率为40-60%。美国专 利4252865中采用厚度超过4个微米的非晶态锗膜作为吸收层，通过对表面进行粗糙化处 理，形成间隙距离与可见光波长相近的针状间隙结构，产生"陷光"作用，使其太阳光谱吸收 率达到97%，但是没有报告其红外辐射率。而且这种设计锗膜厚度较厚，原材料成本昂贵。 Flordal等（Vacuum，Vol. 27, No. 4, Page:399-402)报告了采用蒸发镀膜方法制备的"减反 层SiO (60nm)-吸收层Ge (20-40nm)-红外反射层A1"选择性吸收涂层，得到太阳光谱吸 收率74%-79%，红外辐射率1. 2%。众所周知，非化学配比成分的氧化硅SiOx，X可存在于一 个范围（0 < X < 2 =，在制备中要将成分稳定在X=l，镀膜工艺控制难度大，而若偏离成分 化学配比，将增加近红外区的吸收，因此该膜系结构不适合于大批量生产。。本专利专利技术人 在申请号为######的专利中提出一种基于半导体锗本征吸收的"红外反射层（Al)-吸收层 (Ge)-减反层（Ti02/Si02) "膜系结构的太阳光谱选择性吸收涂层，具有吸收-反射过渡区 陡峭，α/ε高于现有商业产品，适用于低倍聚焦的中高温太阳能集热器；昂贵金属吸收层 锗厚度薄，材料成本低；减反层为理想化学配比介质层，制备工艺成熟、材料性能稳定，适用 于大规模低成本生产等特点。但是使用中发现这种结构的光谱选择性吸收涂层当工作温度 高于250°C时，存在膜系从吸收层Ge开始撕裂导致膜系吸收率明显降低的问题。研究分析 发现吸收层Ge与红外反射层Al热膨胀系数相差较大，当工作温度超过250°C时，Ge/Al界 面处产业热应力，导致Ge膜系开裂。因此，本专利技术中提出在吸收层Ge与红外反射金属层Al 之间加入膨胀系数介于Ge与Al之间的金属层，该金属层不仅仅是热匹配层，而且通过参与 整个膜系的干涉吸收设计在不影响膜系红外反射性能的前提下提高膜系的吸收率。
技术实现思路
为了克服上述现有技术问题，本专利技术提供一种太阳光谱选择性吸收涂层，不需要 增加本征半导体吸收层厚度，即可提高其吸收率，并且不影响涂层的红外辐射率。 本专利技术的另一目的在于提供一种太阳光谱选择性吸收涂层，使用廉价的金属材料 部分代替昂贵的半导体锗材料，达到增加吸收率的同时不影响涂层红外辐射率。 本专利技术的又一目的在于廉价的金属材料不仅仅起到吸收层的作用，而且是半导体 吸收层与底部红外反射金属层之间的热匹配层，其介于两者之间的热膨胀系数使半导体材 料在中温环境中的热稳定性得到明显提高。 为了达到上述目的，本专利技术目提供一种结合半导体锗本征吸收和极金属吸收的 "减反层-吸收层（Ge/金属）-红外反射层"结构的太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方 法。其特点在于1.膜系具有优异的光谱选择性。吸收-反射过渡区陡峭，膜系辐射率ε极 低(约2%)，吸收率α较高(高于80%)，α/ε高于现有商业产品，适用于低倍聚焦的中高温 太阳能集热器；2.通过非晶锗半导体本征吸收和高折射率、高消光系数金属吸收的共同作 用，结合光学干涉减反使吸收层（Ge/金属）在减反层和红外反射层之间实现多次反射与吸 收，并且反射层也参与部分太阳光谱吸收，大幅度降低了昂贵的锗原料成本；3.吸收层金 属的作用还包括作为半导体吸收层Ge与底部红外反射金属层之间的热匹配层，提高了涂 层的热稳定性。4.金属层厚度极薄不影响涂层的红外辐射性能。5.引入廉价极金属层作 为吸收层，整个膜系结构中半导体锗昂贵的用量降低25%以上，降低了涂层制造成本。6.涂 层制备工艺简单、镀膜设备所需条件要求低，适用于大规模低成本生产。 为了实现上述专利技术目的，本项目采用以下技术方案： 依据本专利技术提出的一种太阳光谱选择性吸收涂层，其结构依次包括：基底、红外反 射层、吸收层和减反层；所述的基底为玻璃或者铝、铜、不锈钢等材料；所述红外反射层优 选Al,也可是(：11、41148、附、0等导电性能好的金属 ；所述的吸收层为（66/金属),金属优选 金属钛，也可以是Cu, Ag, Au, Ni等热膨胀系数介于Ge和红外反射层金属底层之间的金属； 所述的减反层由折射率从高到低的两层理想化学配比介质层组成，其中：内层高折射率材 料优选TiO2 (550nm处，n=2. 3-2. 5)，也可采用其他折射率在2. 0-3. O之间的理想化学配比 介质层如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于，依次包括：基底层、红外反射层、热匹配金属吸收层、半导体吸收层和减反层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：项晓东，刘静，汪洪，
申请(专利权)人：太浩科技有限公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛;KY