一种选择性吸收薄膜制造技术

本发明专利技术公开了一种选择性吸收薄膜，包括自底向上层叠的基底、红外反射层、相位匹配层、第一吸收层、第一减反射层、第二吸收层和第二减反射层；其红外反射膜层采用金属铝薄膜层；第一吸收层和第二吸收层均采用金属钛薄膜层；第一减反射层、相位匹配层和第二减反射层均采用氮化硅薄膜层；本发明专利技术公开的这种选择性吸收薄膜对可见光和近红外的吸收率高达到97％，对中远红外的反射率高达96％，对于太阳光具有良好的选择吸收特性，具备耐磨损、耐腐蚀特性，生产成本低，制备工艺简便的优点，且解决了现有选择性吸收薄膜在非真空的高温环境下不能长期使用的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光谱选择性吸收材料
，更具体地，涉及一种选择性吸收薄膜。
技术介绍
能源问题是全世界范围内面临的最为突出的问题之一，而太阳能是人类取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳以电磁辐射的形式给地球带来光热，因而实现太阳能直接利用的方式主要是光－热转化技术。在太阳能热利用系统中，光谱选择性吸收材料可提高光热转换效率，能最大限度地吸收入射的太阳能，减少表面的辐射热损，达到改善吸热和储热效果的目的，以提高太阳能热利用效率。利用选择性吸收薄膜对于特定波段的光谱具有很高的吸收率和低的反射率、而对于其他波段的光谱具有高反射率和低吸收率的特性，对太阳能进行选择性吸收，并将吸收的太阳能转换成热能储存。现有的太阳能选择性吸收薄膜为四层结构，包括减反层、吸收层、红外反射层和基底层；吸收层采用TXT涂料、黑铬、AlN/Al、NiCrNxOy或者TiNxOy；采用TXT涂料的吸收层，其吸收率最高只有92％，中远红外区域的发射率却高达40％，使得收集到的能量很难储存；黑铬膜系因其工艺过程污染环境，已很少使用；由于AlN/Al材料不能在非真空的高温环境下长期使用，因此采用AlN/Al的吸收层已被淘汰；目前使用较多的NiCrNxOy、TiNxOy吸收层，其制备过程需要两种气体参与，工艺控制难度大；吸收层缺陷导致选择性吸收薄膜整体在中远红外区域发射率高，吸收效率不高，储能效果不佳。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种选择性吸收薄膜，其目的在于解决现有太阳能选择性吸收薄膜在中远红外区域发射率高、储能效果不佳的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种选择性吸收薄膜，包括自底向上层叠的基底层、红外反射层、相位匹配层、第一吸收层、第一减反射层、第二吸收层和第二减反射层；其中，第二减反射层用于导入入射光，使尽可能多的光进入到太阳能选择性吸收薄膜中，并对膜层具有保护作用；第二吸收层用于对第二减反层的出射光的可见光和近红外波段光进行吸收；第一减反射层用于对第二吸收层出射光的近红外波段光进行吸收，提高第二吸收层出射光的透射率；第一吸收层用于对第一减反射层出射光中可见光和近红外波段的光进行吸收；相位匹配层用于对第一吸收层的出射光进行过滤，滤除其中远红外波段的光，展宽可见光高吸收率的带隙，并提高对可见光和近红外光的吸收率；红外反射层用于对相位匹配层出射光进行过滤，滤除其中的可见光和近红外波段，对其中远红外波段的光进行反射。优选的，上述选择性吸收薄膜，当入射太阳光进入第二减反射层，依次穿过第二吸收层、第一减反射层、第一吸收层、相位匹配层，到达红外反射层，并在红外反射层与第一吸收层之间多次反射；第二减反射层既具有较好的保护作用，又不影响第二吸收层的光学特性，并具有减少入射的太阳光反射回大气中的作用，提高入射光的透射率，使尽可能多的光进入到太阳能选择性吸收薄膜中；第二吸收层对第二减反层的出射光进行吸收，尤其提高对可见光和近红外波段的吸收率；第一减反射层提高第二吸收层出射光的透射率；第一吸收层吸收第一减反射层出射光中的可见光和近红外波段的光；相位匹配层对第一吸收层的出射光进行过滤，滤除其中远红外波段的光，展宽可见光高吸收率的带隙，获得可见光和近红外波段的高吸收；红外反射层对相位匹配层的出射光进行过滤，滤除其中的可见光和近红外波段，获得中远红外波段的高反射；在上述过程中，第一吸收层和第二吸收层吸收大部分的太阳光辐射能量，剩余的太阳光辐射能则在第一吸收层与红外反射层之间被多次来回反射吸收，最大限度的实现对太阳光的吸收，起到提高选择性吸收薄膜吸收率的作用。优选的，上述选择性吸收薄膜，其第一吸收层和第二吸收层采用金属Ti材料；第一减反射层、第二减反射层和相位匹配层采用Si3N4；；由于Ti具有延展性，耐热性非常好，密度小，机械强度大，易于加工；且具有极好的抗腐蚀性能和可塑性，不受大气和海水的影响；并且，Si3N4材料的光学性能非常优良，化学稳定性好，使得选择性吸收薄膜具有耐腐蚀、耐磨损、抗划伤性、抗水汽性，抗高温氧化性高的优点，减少了薄膜表面的辐射热损；在上述各膜层选材的配合下，解决了现有选择性吸收薄膜发射率高，在高温非真空环境下稳定性差的问题，达到改善吸热和储热效果的目的；并且，由于采用了氮化硅材料，使得选择性薄膜对正入射或斜入射的太阳光均具有很大的吸收率，解决了现有选择性吸收薄膜对斜入射的太阳光吸收较差的问题。优选的，上述选择性吸收薄膜，其第一吸收层和第二吸收层均采用金属钛薄膜，第一吸收层厚度为15nm～30nm；第二吸收层厚度为8nm～15nm；第一吸收层厚度在上述范围内取值时，对可见光具有较高的吸收率；若膜层过厚，透过的太阳光较少，膜层反射会制约可见光高透射以及薄膜对太阳能的吸收率；若膜层过薄，在沉积工艺操作时无法形成连续的薄膜，并且使得薄膜对太阳光的透过率增加，反射减小，导致太阳光束在红外反射层和第一吸收层之间的多次反射无法实现；Ti膜在该厚度范围内具有最好的光谱特性，最大限度的对可见光进行高吸收。优选的，上述选择性吸收薄膜，其第一减反射层、相位匹配层、第二减反射层均采用Si3N4薄膜层；第一减反射层厚度为50nm～70nm；相位匹配层厚度为50nm～70nm；第二减反射层厚度为50nm～70nm；上述膜层在该厚度范围内取值，使得选择性吸收薄膜具有最好的光谱特性，既满足对太阳光的高透射，又能起到提高选择性吸收薄膜对可见光的高吸收率效果。优选的，上述选择性吸收薄膜，采用金属铝膜作为红外反射层，厚度不小于15nm，起到提高红外反射层对中远红外光谱区域的反射率的作用；当金属铝膜的厚度小于15nm时，在可见光波段具有可透过性；而将该选择性吸收薄膜用于太阳能热水器时，红外反射层主要用于反射太阳能热水器内部热量的红外辐射；因此采用金属铝膜作为红外反射层时，其厚度应大于15nm。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的选择性吸收膜，在第一减反射层、相位匹配层和第二减反射层对入射光进行减反射的处理，让入射光尽可能的进入该选择性吸收薄膜，使得该选择性吸收薄膜对太阳光具有很高的吸收性；通过控制相位匹配层的厚度能够调节截止波长λ向短波或者长波方向移动，使得该薄膜对于2.5um以下的光谱具有很高的吸收率；第一吸收层和第二吸收增加了薄膜对于可见光和近红外的吸收，使得选择性吸收膜对太阳光的可见光波段和近红外波段(太阳辐射主要波长范围0.25-2.5μm)具很高的吸收率；而其红外反射层，由于该膜层选用金属铝薄膜，因此对中远红外波段的光具有较高的反射，使得选择性吸收膜在中远红外波段(热辐射波长范围主要分布在2.5-25μm)具有很高的反射率，且对于太阳光具有良好的选择吸收特性；(2)本专利技术提供的选择性吸收膜，其第一减反射层和第二减反射层采用Si3N4材料，具有耐腐蚀、耐磨损、抗划伤性、抗水汽性高，热稳定性高，抗高温氧化性高的优点，可对薄膜起到保护作用，是太阳能热水器集热器的优选材料；(3)本专利技术提供的选择性吸收膜，其第一吸收层和第二吸收层材料在基底上的附着力好，熔点高，抗腐蚀性、耐热性好，并且储存量多、价格低，解决了现有选择性吸收薄膜在非真空的高温环境下不能长期使用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种选择性吸收薄膜，其特征在于，包括依次层叠的基底(1)、红外反射层(2)、相位匹配层(3)、第一吸收层(4)、第一减反射层(5)、第二吸收层(6)和第二减反射层(7)；所述第二减反射层(7)用于导入入射光，并对膜层具有保护作用；第二吸收层(6)用于对第二减反层(7)的出射光的可见光和近红外波段光进行吸收；第一减反射层(5)用于对第二吸收层(6)出射光的近红外波段光进行吸收，提高第二吸收层(6)出射光的透射率；第一吸收层(4)用于对第一减反射层(5)出射光中可见光和近红外波段的光进行吸收；相位匹配层(3)用于对第一吸收层(4)的出射光进行过滤，滤除其中远红外波段的光，并提高对可见光和近红外光的吸收率；红外反射层(2)用于对相位匹配层(3)的出射光进行过滤，滤除其中的可见光和近红外波段，对其中的远红外波段的光进行反射。

【技术特征摘要】
1.一种选择性吸收薄膜，其特征在于，包括依次层叠的基底(1)、红外反射层(2)、相位匹配层(3)、第一吸收层(4)、第一减反射层(5)、第二吸收层(6)和第二减反射层(7)；所述第二减反射层(7)用于导入入射光，并对膜层具有保护作用；第二吸收层(6)用于对第二减反层(7)的出射光的可见光和近红外波段光进行吸收；第一减反射层(5)用于对第二吸收层(6)出射光的近红外波段光进行吸收，提高第二吸收层(6)出射光的透射率；第一吸收层(4)用于对第一减反射层(5)出射光中可见光和近红外波段的光进行吸收；相位匹配层(3)用于对第一吸收层(4)的出射光进行过滤，滤除其中远红外波段的光，并提高对可见光和近红外光的吸收率；红外反射层(2)用于对相位匹配层(3)的出射光进行过滤，滤除其中的可见光和近红外波段，对其中的远红外波段的光进行反射。2.如权利要求1所述的选择性吸收薄膜，其特征在于，当入射太阳光进入第二减反射层(7)，依次穿过第二吸收层(6)、第一减反射层(5)、第一吸收层(4)、相位匹配层(3)，到达红外反射层(2)，并在红外反射层(2)与第一吸收层(4)之间多...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鲜，李博文，祁冬，王方，龚荣洲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42