太阳光谱吸收涂层的制备方法及该涂层技术

本发明专利技术公开了一种太阳光谱吸收涂层的制备方法及涂层，包括：在溅射设备中安装好靶材、衬底以及两者之间的防护屏，将溅射设备的真空度和温度调节到目标值，引入惰性气体，产生等离子体；引入氧气/氮气与惰性气体的混合气流，移除防护屏，在衬底上进行纯合金沉积；随着沉积的进行，靶材逐渐发生靶中毒，继续沉积，在衬底上沉积包括大量合金和少量合金氧化物/氮化物的混合物；随着沉积的持续进行，靶中毒程度加深，在衬底上沉积包括少量合金和大量合金氧化物/氮化物的混合物；最后靶材完全中毒，在衬底上沉积纯合金氧化物/氮化物，获得所需的太阳光谱吸收层。本发明专利技术成本低廉，涂层一体成型，具有很大的光谱吸收潜力且热稳定性高、抗氧化性好。性好。性好。

【技术实现步骤摘要】
太阳光谱吸收涂层的制备方法及该涂层


[0001]本专利技术属于涂层制备的
，具体涉及一种太阳光谱吸收涂层的制备方法以及该涂层。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种清洁、绿色、免费和可再生的能源，几乎遍布世界各地。而对太阳能的开发和利用，最环保、高效的技术为太阳能光热转换系统，称为聚光太阳能系统(CSP)。聚光太阳能系统已经显示出巨大的应用前景，目前正在向全球范围内部署，预计到2030年它可以产生7％的全球电力，到2050年可以产生多达25％的全球电力。CSP系统一般由集热器，接收器，传热流体，热能储等部分组成，由沉积在接收器上的太阳能选择性吸收涂层(SSACs)将太阳能转化为热能，所以SSACs的性能决定了光热转换的效率。然而由于传热流体的温度越高，电厂的卡诺热效率越高，下一代CSP工厂的路线图预计中央塔的运行温度将超过650℃，太阳能场的工作温度从400℃升高到500℃以上。为了实现涂层的高光谱选择性，要求涂层：
[0003]①
在太阳辐射范围内，即紫外
‑
可见
‑
近红外波段内(0.3
‑
2.5μm)吸收尽可能多的太阳光(吸收率α＝1，反射率R＝0)；
[0004]②
在红外范围内(大于2.5μm)尽可能少地释放黑体热辐射ε；
[0005]③
具有大于600℃甚至更高的热稳定性，具有耐受长期暴露于湿气中和其他环境条件下的特性。
[0006]对于
②
，由于太阳能吸收涂层在400/>‑
600℃温度范围工作时，除了将吸收的能量转移给目标设施，同时自身会存在热辐射，即会在红外范围内(高于2.5μm)内造成热辐射损失，为尽可能减少这部分的黑体热辐射，由于ε＝α＝1
‑
R，所以可以通过增加反射率实现，而太阳光波段介于0.3
‑
2.5μm，即使在大于2.5μm波段反射率为1，也不会造成任何太阳能量的损失。
[0007]所以总体而言，理想的太阳光谱吸收涂层在紫外
‑
可见
‑
近红外波段内(0.3
‑
2.5μm，对应太阳光谱的全波段)应是理想的黑体，即吸收率α＝1，反射率R＝0；而在红外范围内(大于2.5μm，无太阳光辐照)相当于理想的反射镜，即吸收率α＝ε＝0，反射率R＝1。
[0008]因而可以通过使用具有高导热率、低膨胀系数、低折射率、抗氧化性的材料来实现。主要取决于单层和组合层的热稳定性和结构稳定性、基底与相邻层之间良好的附着力以及增强对热应力和机械应力的抵抗能力。
[0009]自上世纪50年代Tabor提出SSAC概念以来，涂层的制备和设计受到了广泛的关注。由于单层很难达到最大的吸收度，通过改变涂层的结构、选择不同的材料或沉积方式，可以起到优化SSAC的光谱选择性的作用。
[0010](1)改变吸收涂层结构：
①
由单层结构改进到多层干涉层涂层，涂层中的每一层均可由金属、电介质或金属电介质复合材料组成，利用光的干涉效应在太阳辐射峰值附近实
现吸收，而不是在红外波段吸收，对应了基底的高红外反射特性。
②
设计具有多层结构的选择性太阳吸收器，吸收器由三层高反射金属基板组成，基片上的第一层是吸收层，吸收层由介质基体中高浓度的金属颗粒组成，称作高金属体积分数(HMVF)层，第二吸收层的金属浓度较低，称为低金属体积分数(LMVF)层，HMVF和LMVF均为均质陶瓷层，最上面的第三层由低折射率n的介质材料制成，在可见范围内抑制表面反射，即该层具有防反射涂层的作用。但多层结构的吸收涂层对制造工艺和制造精度有严格的要求，对每一层都需要准备不同的靶材、设置单独的工艺参数，每一层的性能也需要单独测量把控，耗时长，成本高，制备难度大，可重复性低。
[0011]选择物理性能更好的材料：性能较好的有双金属陶瓷涂层、过渡金属碳化物和氮化物涂层、高温过渡金属氧化物涂层等，但并未在太阳能光热转化应用中提供更多的可能性。诸如Ag、Mo、W、Ni金属掺杂Al2O3、AlN、SiO2和AlSiO
x
双金属陶瓷涂层，HfC、TiC、TiN、ZrN过渡金属碳化物和氮化物、CrN/CrOD/CrOM/SiO2、CrAlO基等过渡金属氧化物涂层，获取了较多有价值的成果，在400℃以下取得了广泛的商业应用，但在更高温度下，由于纳米颗粒重组、元素扩散、相变导致涂层出现孔洞、裂纹、边界加宽等缺陷，甚至脱落，涂层热发射率增加、吸收率下降，热稳定性仍然不能满足于新一代CSP的要求。

技术实现思路

[0012]本专利技术的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种太阳光谱吸收涂层的制备方法，该方法工艺简单，成本低廉，制备出的涂层一体成型，具有很大的光谱吸收潜力且热稳定性高、抗氧化性好。
[0013]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0014]一种太阳光谱吸收涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0015]步骤1：在溅射设备中安装好靶材、衬底以及靶材与衬底之间的防护屏，将溅射设备的真空度和温度调节到目标值，引入惰性气体，此时将产生等离子体；
[0016]步骤2：引入氧气与惰性气体的混合气流或者氮气与惰性气体的混合气流，移除防护屏，在衬底上初步进行纯合金沉积；
[0017]步骤3：随着沉积的进行，靶材逐渐发生靶中毒，靶材表面出现中毒层，继续沉积，在衬底上沉积包括大量合金和少量合金氧化物/氮化物的混合物；
[0018]步骤4：随着沉积的持续进行，靶材中毒程度加深，在衬底上沉积包括少量合金和大量合金氧化物/氮化物的混合物，继续沉积直至靶材完全中毒，在衬底上沉积纯合金氧化物/氮化物，从而获得所需的成分渐变、梯度结构太阳光谱吸收层。
[0019]优选的，继续上述步骤，在上述制得的梯度涂层表面进一步沉积一层纯合金氧化物、氮化物作为抗反射层，完成含有吸收层、抗反射层的太阳能光谱吸收涂层的制备。
[0020]优选的，步骤1中，真空度低于10
‑3Pa，温度介于100
‑
300℃之间。
[0021]优选的，步骤2中的混合气流流量一般为1.5
‑
5Pa，氧气与惰性气体比/氮气与惰性气体比介于0
‑
1之间。
[0022]优选的，所述靶材为高熵合金。
[0023]本专利技术的另一个目的是提供一种根据上述制备太阳光谱吸收涂层的制备方法获得的太阳光谱吸收涂层。
[0024]优选的，在0.3
‑
2.5μm波段内，所述渐变梯度高熵合金太阳光谱吸收涂层的反射率不高于0.02，光吸收率α不低于0.95，在高于2.5μm波段内，热辐射ε不高于0.095，光谱吸收选择比α/ε高于10。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0026](1)本专利技术提供的太阳光谱吸收涂层的制备方法成本低，对设备要求低，操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太阳光谱吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在溅射设备中安装好靶材、衬底以及靶材与衬底之间的防护屏，将溅射设备的真空度和温度调节到目标值，引入惰性气体，此时将产生等离子体；步骤2：引入氧气与惰性气体的混合气流或者氮气与惰性气体的混合气流，移除防护屏，在衬底上初步进行纯合金沉积；步骤3：随着沉积的进行，靶材逐渐发生靶中毒，靶材表面出现中毒层，继续沉积，在衬底上沉积包括大量合金和少量合金氧化物/氮化物的混合物；步骤4：随着沉积的持续进行，靶材中毒程度加深，在衬底上沉积包括少量合金和大量合金氧化物/氮化物的混合物，继续沉积直至靶材完全中毒，在衬底上沉积纯合金氧化物/氮化物，从而获得所需的成分渐变、梯度结构太阳光谱吸收层。2.根据权利要求1所述的太阳光谱吸收涂层的制备方法，其特征在于，继续上述步骤，在上述制得的梯度涂层表面进一步沉积一层纯合金氧化物、氮化物作为抗反射层，完成含有吸收层、抗反射层的太阳能光谱吸收涂层的制备。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦西里，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：