一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法

技术领域

本发明属于新能源及节能技术领域，具体为一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法。

背景技术

如今随着人民对美好生活的向往，家庭和工业建筑在制冷上的需求不断增加，而空调等制冷设备也加速了化石燃料的消耗和全球变暖进程。此外，如太阳能电池等电子器件在高温下也会降低效率和寿命。由于外太空的环境温度极低，仅为大约3 K，辐射冷却就是把制冷对象携带的热量以热辐射的形式排放到外太空。辐射冷却作为一种能解决温室效应的被动制冷方式，在如今获得了广泛的关注。

辐射冷却的基本原理是基于大气层在波长8~13 μm范围内的透过率很高，通过大气窗口（即波长8~13 μm范围）向外太空散热。而日间辐射冷却技术需要同时在太阳光谱250~2500 nm 范围达到高反射以及在8~13 μm光谱范围达到高吸收（辐射）。

辐射冷却所使用的材料，需要在8~13μm内有高吸收率，常用的材料有氧化物、氮化物和高分子聚合物等。高分子聚合物如聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等，具有工艺成熟、成本低、易于大规模制备等优点，缺点是使用寿命较短。无机物辐射冷却材料如二氧化硅、氮氧化硅等，优点是工艺成熟、易于大规模制备，相比有机物更加坚固、寿命长。

目前的辐射冷却薄膜结构分为很多种。超表面结构是在表面通过光刻、刻蚀、纳米压印等方式增强或优化材料的反射与吸收光谱。微纳颗粒和微纳孔洞结构通常是微纳尺度的颗粒和孔洞结构在材料内随机分布，与体材料相比，微纳颗粒和微纳孔洞结构可以通过改变颗粒和孔洞的尺度、密度等因素，形成理想的结构以提高材料的辐射冷却性能。

由于8~13 μm波长的光谱范围非常宽，不同材料的折射率

发明内容

本发明的目的在于提出一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件及其制备方法。本发明通过对特定工艺条件下制备的金属与介质薄膜进行精确表征，获得可靠的薄膜材料光学常数，进而优化设计并制作出性能优异的辐射冷却薄膜器件。在设计中，通过改变多层膜的材料、层数以及厚度等参数，优化薄膜在太阳光谱波段的反射率以及大气窗口波段的辐射率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提供了一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件，其由衬底及衬底上方依次镀制的金属反射层、介质粘合层和选择性干涉吸收层构成；所述选择性干涉吸收层由非规整厚度的高折射率材料膜层、低折射率材料膜层交替堆叠而得。

上述器件在功能设计上，金属反射层采用合适的金属材料，用于实现薄膜器件在250~2500 nm波段高反射；选择性干涉吸收层采用氧化物介质材料，用于实现薄膜器件在8~13 μm波段高辐射率；介质粘合层，用于提高选择性干涉吸收层和金属反射层之间的结合力。

可选地，所述衬底材料为Si或者玻璃。

可选地，所述金属反射层材料为Ag、Al、Cu中的任一种，厚度在100~200 nm之间。

可选地，所述介质粘合层材料为Al

可选地，所述选择性干涉吸收层中，高折射率材料为Ta

本发明还提供一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件的制备方法，包括以下步骤：

1.选取合适的金属和氧化物介质薄膜材料，采用特定薄膜生长工艺条件，在衬底上分别制备金属薄膜和氧化物介质薄膜；

2．获取所述特定工艺条件制备的金属薄膜和氧化物介质薄膜在太阳光谱区250~2500 nm）及大气窗口光谱区（8~13 μm）的光学常数；

3.根据所述光学常数，优化设计具有日间辐射冷却功能的薄膜器件膜系；

4.根据所述薄膜器件膜系，采用所述特定薄膜生长工艺条件，制备辐射冷却薄膜器件。

可选地，所述特定薄膜生长工艺条件采用电子束蒸发或电阻热蒸发工艺，氧化物介质膜层镀制时均采用离子束辅助。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 通过对特定工艺条件下制备的金属与介质薄膜进行精确表征，获得可靠的薄膜材料光学常数，基于此优化设计并制作出辐射冷却薄膜器件，可使器件具有更薄的膜层厚度以及更高的辐射冷却效率。

2. 相比传统的辐射冷却薄膜器件，本发明通过在金属反射层与选择性干涉吸收层之间增加介质粘合层，可提升薄膜器件力学性能，具有高环境可靠性、长寿命等优点。

3. 本发明辐射冷却薄膜器件采用金属与氧化物介质薄膜材料，工艺可操作性强，同时具有低成本、易于推广等优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件的结构(衬底1/金属反射层2/介质粘合层3/选择性干涉吸收层4)示意图。

图2为本发明提出的一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件制作流程图。

图3为本发明实施例中多层膜结构的辐射冷却薄膜器件在250~2500 nm反射光谱图。

图4为本发明实施例中多层膜结构的辐射冷却薄膜器件在8~13 μm吸收光谱图。

图5为本发明实施例中多层膜结构的辐射冷却薄膜器件在室外测试箱太阳照射下与测试箱内环境温度以及未镀膜的衬底温度之间的对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

本发明提出的一种多层膜结构的辐射冷却薄膜器件结构如图1所示，其特点是由衬底1及衬底1一侧依次镀制的金属反射层2、介质粘合层3和选择性干涉吸收层4构成。本发明辐射冷却薄膜器件基于光学薄膜设计理论，通过改变多层膜的材料、层数、厚度等参数优化薄膜在太阳光谱波段的反射率以及大气窗口波段的辐射率，以能够在与太阳光的主要光谱区相匹配的250~2500 nm波段实现高反射率的同时在8~13 μm波段实现高吸收（辐射）率的辐射冷却。本发明辐射冷却薄膜器件制备方法如图2所示，包括以下步骤：

1.选取合适的金属和氧化物介质薄膜材料，采用特定薄膜生长工艺条件，在衬底上分别制备金属薄膜和氧化物介质薄膜；

2.获取所述金属薄膜和氧化物介质薄膜在太阳光谱区（250~2500 nm）及大气窗口光谱区（8~13 μm）的光学常数；

3.根据所述光学常数，优化设计具有日间辐射冷却功能的薄膜器件膜系；

4.根据所述薄膜器件膜系，采用所述特定薄膜生长工艺条件，制备辐射冷却薄膜器件。

具体实施如下：

针对步骤1，首先，选取在紫外波段低吸收且在8~13 μm波段高吸收的氧化物介质材料。本发明具体实施例中采用Ta

针对步骤2， 使用可见近红外以及红外椭圆偏振光谱仪在入射角为55-75°下测定所选薄膜材料的椭偏参数psi和delta值。通过点对点拟合算法，获取所选金属膜层和氧化物介质膜层在太阳光谱区（250~2500 nm）及大气窗口光谱区（8~13 μm）的光学常数。金属与介质薄膜材料光学常数的精准获得，为之后辐射冷却薄膜器件的设计增强了严谨性和准确性，也能够在实际制备中取得更好的效果。

针对步骤3，在辐射冷却薄膜器件的设计方面，以往的辐射冷却膜的设计方法普遍是通过增加厚度和层数来增加吸收率，这样会增加薄膜在太阳光波段的吸收率并且加大材料的成本。通过光的干涉原理结合光学薄膜设计软件，在材料选择和薄膜厚度中通过软件优化降低了厚度的同时增加了薄膜在8~13 μm波段的吸收率。实施例中，使用光学薄膜软件Film Wizard 对膜系进行设计优化，最终得到总膜层数为10层的膜系。具体膜层厚度分布如表1所示，表中第1层为金属反射层，第2层为介质粘合层，第3~10层为选择性干涉吸收层。

表1 辐射冷却薄膜器件膜系膜层厚度分布

针对步骤4，采用常规电子束蒸发与电阻热蒸发工艺制备辐射冷却薄膜器件。当真空室真空达到1×10

图3为上述实施例中的辐射冷却薄膜器件在250~2500 nm反射光谱图。经测量，该薄膜器件在250-2500 nm波段，平均反射率为96.3%。图4为上述实施例的辐射冷却薄膜器件在8~13 μm波段吸收光谱图。经测量，该薄膜器件在8~13 μm波段，平均吸收率为87.6%。由测量结果可知，相比传统的辐射冷却器件，本发明获得的辐射冷却薄膜器件具有高辐射冷却效率的同时，选择了价格较低廉的薄膜材料，并且镀制的膜层更薄，进一步降低了制作成本。图5为上述实施例的辐射冷却薄膜器件在测试箱中室外太阳照射下，与测试箱内环境温度以及未镀膜的衬底温度之间的温度变化对比。该组数据于2023年6月10日在上海（东经121°30′02′′，北纬31°17′53′′）测得。经实验测量，在太阳直射下，通过比较测试环境与未镀膜的基板的温度发现，在3小时内该辐射冷却薄膜器件的温度显著低于测试箱内温度和未镀膜衬底的温度，显示出很好的辐射冷却效果，可获得实际应用。