[发明专利]一种太阳能选择性吸收膜系及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜技术和太阳能技术等新能源开发技术领域，设计了一种特殊的基底结构，利用磁控溅射技术在经刻蚀工艺方法处理后的基底上进行了薄膜制备，获得一种基于特殊基底结构的太阳能选择性吸收膜系及其制备方法。

背景技术

太阳能热水器是依据光热转化原理将太阳能转化为高品质的热能装置，太阳能热水器的利用大大减少了人类对传统能源的依赖，为能源的可持续发展作出积极贡献；目前平板型太阳能热水器由于与建筑结合一体化、外表美观、热效率高等一系列优势成为太阳能热水器发展的潮流和趋势；平板太阳能热水器上选择性吸收薄膜的利用大幅地提高了热水器的光热转换效率；当前国内外关于各种太阳能选择性吸收薄膜的研究方兴未艾，如何高效地将太阳能转化成热能既是当前和长远社会发展所需解决的问题，也是广大科技工作者深感兴趣的重大研究课题。

利用选择性吸收薄膜的目的是对可见光区有较高的吸收率，而尽可能降低对红外光区的吸收以减小发射率，国内外研究者都在致力于寻找吸收性更好的材料、膜系结构及高效无污染的制备工艺；本发明前期研究表明，通过电化学方法改变基底形貌（如图1所示）可有效地提高薄膜的光吸收率，而单一微坑结构的减反效果最差，所以本发明设计并制备了一种特殊的基底，其表面形貌如图2所示，在该基底上制备的选择性吸收薄膜可更有效地提高对太阳能选择性吸收效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于特殊基底结构的选择性吸收膜系，以进一步提高太阳能热水器的光—热转换效率，它具有“制备效率高、效果显著”等优点。

一种太阳能选择性吸收膜系，以Al箔作为膜系的基底，所述吸收膜系从顶层至底层依次为：作为减反层的双层AlN膜(第一层膜厚30~40nm，第二层膜厚40~50nm)、作为吸收层的单层TiN_xO_y膜(膜厚70~100nm)、作为红外反射层的单层Al膜(膜厚50~60nm)和基底Al箔，其特征在于：所述基底Al箔上均匀布有玫瑰花瓣状结构，所述花瓣中心距h应满足300nm<h<2100nm。

所述TiN_xO_y膜，x：y=7：1。

本发明采用双层AlN作为减反层，采用单层TiN_xO_y作为膜系的吸收层，采用单层Al作为红外反射层，采用Al箔作为膜系的基底，其中基底采用刻蚀工艺方法处理成具有玫瑰花瓣状结构的形状，如图2所示。

本发明解决其关键问题所采用的技术方案是采用刻蚀方法对基底进行微观结构制备和利用磁控溅射技术生长各膜层，通过控制溅射参数严格控制各膜层的厚度以及膜层之间的界面特性。据此，其核心加工工艺如下：

1、              在洁净Al基底上制备微观结构；

2、              单层铝膜红外反射层制备,在具有微观结构的基体上制备单层Al膜；

3、              单层TiN₇O吸收层制备；

4、              双层AlN减反层制备。

    上述制备方案中，步骤1中先制作具有玫瑰花瓣反结构的PDMS模板，然后采用刻蚀法在基底表面刻蚀微观结构以增强Al箔基底上的薄膜对光的吸收性能；同时花瓣中心距应满足300nm<h<2100nm，以实现对可见及近红外光的吸收和对红外光的反射作用。

上述制备方案中，步骤2中利用磁控溅射技术制备铝膜时，所用靶材为Al靶，溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10^-4 Pa，腔室在200℃条件下预热处理60 min，以减小腔室中氧原子对Al膜的氧化作用；反应中所用腔室温度为200℃；所用工作气体为Ar气，流量为150 sccm；溅射功率为18 W；溅射直至获得所需厚度的Al膜。

上述制备方案中，步骤3中利用磁控溅射技术制备TiN_xO_y膜时，所用靶材为Ti靶，溅射生长前腔室压强预抽至1.6×10^-4 Pa，腔室在250℃条件下预热处理60 min；反应中所用腔室温度为250℃；所用工作气体为Ar气，流量为150 sccm，反应气体为高纯O₂和N₂，流量分别为10sccm和70sccm；溅射功率为15 W；溅射直至获得所需厚度的TiN_xO_y膜。