太陽能選擇性吸收涂層制備方法研究
發布時間：2015-06-23 點擊量：2278
太陽能選擇性吸收涂層的制備方法有涂漆法、水溶液化學轉化法、溶膠凝膠法、電化學沉積法、氣相沉積法和真空鍍膜法等，金屬陶瓷復合鍍、塑料鍍以及電刷鍍等方法是近幾年開發的新工藝。
金屬陶瓷復合高選擇性吸熱膜
用高壓強磁聚凝技術生產的金屬陶瓷復合選擇性吸收膜層———黑鈦高選擇性太陽能吸熱膜是功能性金屬基復合材料、新型惰性電極材料及特種功能復合粉體材料、納米金屬復合材料加工及制備技術的運用，與有機化工相互依托，利用強磁高速渦流高壓異極性吸附原理在靜電高壓環境下于基材表面形成一層500 納米以下的對太陽可見光近紅外、中紅外波段具有選擇性吸收功能的致密超薄膜層。該膜層通過國家檢測中心檢測，α>94%，ε <10%，耐中性鹽霧性能5%氯化鈉、35℃實驗時間280h，無任何變化。耐高溫老化：250℃實驗時間100h，吸收比無任何變化，發射比反而會降低到5%以下。耐加速紫外老化3000h，實驗后無任何變化，耐洗刷實驗50%砂石漿、棕毛刷洗刷30萬次，實驗后沒有任何變化。高低溫沖擊實驗后無任何變化。在85%濕度85℃實驗箱中實驗1000h，無任何變化。
電化學沉積法
用電鍍來制備選擇性吸收涂層的方法稱為電化學沉積法。制備的涂層有電沉積膜和電化學轉化膜。
1.電鍍法：黑鎳是電鍍工藝最早制備的典型涂層之一，黑鎳涂層多數為鎳合金涂層，黑鎳的電鍍液常用的有兩類，即硫酸鋅電鍍液和含鉬酸鹽電鍍液。由氯化物電解液生產的黑鎳主要由純鎳組成，其α >92%，ε <25%，鍍層是由空隙率不同且孔不重疊的兩層膜構成。不同基材上沉積的黑鎳，加熱到200℃，維持80h，然后在潮濕室內濕老化500h，光學性能不變。
黑鉻鍍層是電沉積涂層的另一個典型例子，不僅高選擇性，且耐溫、耐濕性能良好，是一種綜合性能極佳的選擇性吸收涂層。黑鉻工藝需要在高電流密度（15~200A/dm2）和低溫度（25℃）下操作。因溶液導電性差，生產時會產生大量的焦耳熱，需要冷卻才能維持生產。
黑鈷涂層也可用于太陽能光熱轉換，如作為熱管式真空集熱管的吸熱板涂層，其基體為預先鍍銅或者化學鍍鎳的玻璃。一般黑鈷涂層的主要成分是CoS，具有蜂窩網狀結構，其α=84%~90%，ε=22%~24%，在220℃耐熱試驗后光學性能穩定。
2. 電化學轉化法：電化學轉化膜中最成熟的工藝是鋁陽極氧化膜。鋁及鋁合金的陽極氧化，可在硫酸或者磷酸介質中進行，但在太陽能光熱轉換中主要使用磷酸氧化膜。鋁陽極氧化膜是一種無色透明的多孔膜，空隙率可高達22%。
物理氣相沉積法
真空蒸發、濺射鍍膜和離子鍍等常稱為物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD法）是基本的薄膜制作技術之一。它們均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度。
1. 真空蒸發鍍膜法：是在真空室中，加熱蒸發容器中薄膜的原材料，使其分子或原子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到固體表面，凝結形成固態薄膜的方法。
2. 濺射沉積：所謂“濺射”是指荷能粒子轟擊固體表面，使固體原子（或分子）從表面射出的現象。射出的粒子大多呈原子狀態，常被稱為濺射原子。由于直接實現濺射的是離子，所以這種鍍膜技術又稱為離子濺射鍍膜。磁控濺射與真空蒸發相比，其真空設備較簡單，工藝控制較方便，容易在大面積上獲得均勻一致的選擇性吸收涂層。
磁控濺射技術因控制膜組成、厚度比較容易，所以經常與光學設計結合以制備高性能選擇性吸收涂層。
目前工作溫度在500℃以上的太陽能選擇性吸收涂層，通常采用真空鍍膜的射頻濺射工藝制備。20世紀80年代研制的金屬陶瓷膜通常采用Al2O3介質作為基體材料，主要有Ni-Al2O3、Co-Al2O3、Pt-Al2O3、Mo-Al2O3以及Fe-Al2O3等。但射頻濺射技術，相對于直流濺射技術而言，設備復雜，生產效率低，因而涂層成本昂貴。在漸變AlN-Al 的基礎上，研制出以AlN 介質為基體的金屬陶瓷選擇性吸收涂層，采用直流反應濺射沉積AlN 介質，并用直流共濺射方法將不銹鋼、鎢等金屬粒子注入介質基體，提高了濺射速率，大幅度降低了膜層成本。其α ＞91%，ε ＜22%（500℃），適合中高溫集熱器使用要求，但在中低溫利用領域，該膜層對應用環境要求極嚴格，以目前國內的環境來講，該膜層的使用壽命很短，膜層很容易被外界腐蝕。
水溶液化學轉化法
利用化學方法使金屬表面生成具有選擇性吸收薄膜的黑色金屬氧化物或硫化物。通常是采用噴涂或噴浸處理產生銅黑，鋅黑等。涂層的吸收比在90%以上，發射比在10%左右。生產設備簡單、操作方便、成本低廉，污染小，是研究涂層一種重要而有效的方法。
其他方法
1. 快速原子蝕刻法：2003年Hitoshi Saia等人研究亞微型周期的二維W 表面光柵的光譜性質和熱穩定性以制備適用于高溫應用的太陽能選擇性吸收表面。結果表面微孔光柵具有良好的光譜選擇性，適宜于高溫應用。它們在897℃的真空中表現良好的光譜選擇性以及足夠的熱穩定性。α可超過85%，ε=7.5%（527℃），ε =14.2%（927℃）。
2. 化學氣相沉積法：化學氣相沉積是一種化學氣相生長法，簡稱CVD技術。借助氣相作用或在基片表面的化學反應（熱分解或化學合成）生成要求的薄膜。Berghaus 等人采用低壓冷壁CVD系統，同時熱分解W（CO）6和Al（C3H7O）3（ATI），制備得到無定型的W-WOX-Al2O3薄膜。在銅基材上形成的膜，其α為85%，ε為4%。通過吸收膜中鎢含量的梯度變化、加減反射層和粗化基材及膜的表面等方法可提高膜層的吸收比，該陶瓷膜至少耐溫500℃。
3. 溶膠- 凝膠法：采用適當的金屬有機化合物等溶液水解的方法，可獲得所需的氧化物薄膜。
采用溶膠- 凝膠法制備的薄膜具有多組分均勻混合、成分易控制、成膜均勻、能大面積實施、成本低、周期短和易于工業化生產等優點。LeonKalulza等人通過溶膠-凝膠法由醋酸錳、氯化鐵及氯化銅前驅物浸涂和500℃熱處理得到黑色CuFeMnO4尖晶石結構粉末和薄膜。CuFeMnO4（500℃）和（Mn：Cu：Fe）/TEOS 膜（500℃）的α 和ε值表明CuFeMnO4膜是太陽能集熱系統中很有潛力的吸收涂層。（dgl）
來源：新浪地產
