一种多叠层组合结构的太阳能光热薄膜

技术领域

本发明涉及一种多叠层组合结构的太阳能光热薄膜，属于光热新能源功能薄膜技术领域。

背景技术

以太阳能为代表的可再生能源开发和利用是人类社会推动能源结构转型、解决环境问题的重点途径和方向。采用特定装置，高效地捕集太阳辐射能转换为热能、电能、化学能等其他安全清洁的能量形式加以利用是新能源研究开发的重点，已形成了太阳能光热利用、太阳能光伏发电、太阳能光化学利用、太阳能光生物利用四种基本技术路径并已商业化推广应用。其中，太阳能光热利用技术根据使用温度的不同，形成了低温、中温、高温利用的各种场景，已广泛应用在太阳能热水器、干燥器、工业热水与水蒸气、热空气或导热油系统、太阳能空调制冷或采暖系统、太阳能冶金、太阳能大型光热发电站等，相较其他太阳能利用途径，具有绿色低碳环保、高效安全清洁且可长效储存利用的显著特征，将成为未来新型能源结构的重要组成部分。

太阳能光热利用包含聚光、集热、换热、储热、热功转换循环系统等多个环节，其中聚光集热过程中如何高效稳定地收集阳光并将光能高效转换为热能决定着太阳能光热利用系统整体质效能效的高低，为此，人们研究开发了多种光热转换器件来适应太阳能光热利用技术的需要，主要技术路径采用太阳能光谱选择性吸收涂层来实现，其评估能效的方法采用a/e系数，其中：a代表太阳能吸收率，e代表热辐射率。理想的光谱选择性光热薄膜要求在太阳能光谱的主要波段（＜3μm）有尽可能高的吸收系数（a＞98%），来保障最大的光热转换效率；在热辐射波段（＞3μm）有尽可能低的热辐射系数（e＜5%），来保障光热系统在升温过程中和高温工作状态下减少对外因热辐射效应导致的热能损耗；同时必须满足在热空气（100-900℃）气氛中保持结构和性能的稳定。因此，为提升光热薄膜的能效，优化光吸收与辐射比的薄膜涂层技术在持续改进和提升，从材料到膜层结构与制备技术得到了很大的发展，许多新成果已实现了商业化应用和推广。

现有技术从早期的金属基涂敷黑色吸热薄膜开始应用，由于其薄膜在吸热升温后发出的长波段辐射会损失高达45%的能量，导致太阳能光热利用效率低于50%。近年来，通过研究开发具有光谱选择性的薄膜材料和膜层结构，显著改善了光热薄膜的效能，在吸热材料方面主要开发了包括本征吸收材料如参硼硅、金属W、Mo、Cr或一些过渡金属的碳化物和氮化物、ZrB

但现有技术还存在阳光倾斜入射条件下太阳光谱反射率较高导致光能利用效率不高、高温下长时间工作容易老化导致光热转换效率衰减下降、热传导效率较低等突出问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种多叠层组合结构的太阳能光热薄膜。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多叠层组合结构的太阳能光热薄膜，在基底表面从上至下依次采用大角度宽带减反射薄膜叠层001、高效光吸收薄膜叠层002、高效热导薄膜叠层003组合而成；

所述叠层001为含介电材料SiO

所述叠层002为含Si、Ge、W、Mo、Ni、Cu、Ag、Cr、V、Ti、Zr、La、Nb、Ta、Al或其氧化物、硼化物、氮化物中的一种或多种构成的光吸收层，厚度控制在3μm以内；

所述叠层003为含石墨烯薄膜（GPE）、类金刚石碳基薄膜（DLC）、类石墨碳基薄膜（GLC）、类聚合物碳基薄膜（PLC）、AlN薄膜中的一种或多种材料与基底结合的热导层，厚度控制在3μm以内。

进一步，所述叠层001由SiO

进一步，在基底上的多叠层组合结构从上至下依次由120nmSiO

进一步，所述叠层001由SiO

进一步，在基底上的多叠层组合结构从上至下依次由130nmSiO

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、一种多叠层组合结构的太阳能光热薄膜，在基底表面从上至下依次采用大角度宽带减反射薄膜叠层001、高效光吸收薄膜叠层002、高效热导薄膜叠层003组合而成。叠层001、叠层002、叠层003组合为一个整体的结构设计，其新颖性与创新性效果体现在：更高的阳光利用效率、更高效的热传导效率、更宽幅的温度使用范围、更低的光衰减系数、更耐久的使用寿命。

2、更高的阳光利用效率是本发明通过将该组合的所有膜层等效为一个导纳的设计方法，通过叠层001的调控实现了阳光光谱大角度宽带减反射效果，满足阳光在±60°倾斜入射条件下从可见光到红外线光谱（＜3μm）的平均反射率小于1.5%，使更多的光能量进入光吸收层提升了光热转换效率。而现有技术的减反射层设计只能满足阳光正入射或小角度倾斜入射且主要针对可见光光谱有较好的窄带减反射效果，而阳光照射大部分时间是倾斜入射到集热薄膜表面的，现有技术产品在阳光60°倾斜入射条件下从可见到红外光谱的反射率高达10%以上，影响了光能利用效率的提升。

3、更高效的热传导效率是本发明通过叠层003与基底结合形成高效热导层来实现的。现有技术普遍采用耐高温金属或合金或半导体的氧化物、碳化物、氮化物等组成光吸收与基底的结合层，这些材料的热导率不高，例如金属导热率最高的Ag、Cu其导热率分别为420（W/m·K）、401（W/m·K），而其他金属及合金与介电陶瓷材料的热导率更低。本发明采用的高效热导率薄膜材料例如石墨烯薄膜（GPE）、类石墨碳基薄膜（GLC）其热导率分别为5300（W/m·K）、2200（W/m·K），通过材料与膜层结构的创新大大提升了光热薄膜的热传导效率，同时也有效降低了热辐射。

4、更宽幅的温度使用范围、更低的光衰减系数、更耐久的使用寿命是本发明所设计和采用的膜层材料均是通过验证具有良好的抗强光冲击、热冲击、温湿度与酸碱盐雾硫化物可靠性，其稳定性和抗环境老化性能好，适应900℃以下各种高中低温场景。宽带减反射叠层001、光吸收材料叠层002、高效热导叠层003与基底的牢固结合的组合结构形成了有效的膜系整体自我保护，较现有技术在热空气（100-900℃）气氛中能更好地保持结构和性能的稳定。

5、按照本发明的所设计的上述多叠层组合结构的太阳能光热薄膜其制备方法可采用成熟的物理气相沉积法（PVD）或化学气相沉积法（CVD）等实现工业化规模制造，优选多腔连续磁控溅射镀膜设备制造。

附图说明

图1为本发明多叠层组合结构的太阳能光热薄膜结构示意图；

图2为本发明实施例1多叠层组合膜层结构示意图；

图3为本发明实施例1光吸收率与热辐射率光谱曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明一种多叠层组合结构的太阳能光热薄膜，如图1所示，在基底表面从上至下依次采用大角度宽带减反射薄膜叠层001、高效光吸收薄膜叠层002、高效热导薄膜叠层003组合而成。

采用本发明所述结构进行设计开发和制备太阳能光热薄膜时，按照能效高、寿命长、经济性好的原则，可根据使用场景要求与制备工艺条件形成材料与膜层厚度不同的若干种膜系结构。

首先，选定与基底结合的叠层003的膜层材料与结构：根据基底材料热导率匹配、使用温度、光吸收叠层的不同在石墨烯薄膜（GPE）、类金刚石碳基薄膜（DLC）、类石墨碳基薄膜（GLC）、类聚合物碳基薄膜（PLC）、AlN薄膜中选择一种或多种材料与基底结合组成高效热导层。例如即可选择类石墨碳基薄膜（GLC）一种材料作为高效导热层，也可以选择类石墨碳基薄膜（GLC）与AlN薄膜二种材料组合，或类石墨碳基薄膜（GLC）、类聚合物碳基薄膜（PLC）与AlN薄膜三种材料组合成高效热导层等多种叠层组合结构。

上述薄膜可采用公知的成熟技术或制备方法获得，其中石墨烯薄膜（GPE）、类聚合物碳基薄膜（PLC）在真空含碳气体例如甲烷等采用CVD或PECVD沉积制备技术；类金刚石碳基薄膜（DLC）SP

其次，在叠层003的膜层材料与结构确定的基础上匹配叠层002的膜层材料与结构，在Si、Ge、W、Mo、Ni、Cu、Ag、Cr、V、Ti、Zr、La、Nb、Ta、Al或其氧化物、硼化物、氮化物中选择一种或多种构成光吸收叠层002，实现高效吸收3μm以内的太能光而且与底层结合的热导层形成最低的热辐射率。例如在叠层003选择为单一膜层形成“基底/GLC”结构或选择为双膜层形成“基底/GLC/AlN”结构，叠层002可选择为Mo-Al

最后，在叠层003与叠层002的膜层材料与结构确定的基础上匹配叠层001，选择介电材料SiO

按上述实施方法并经过薄膜设计软件的仿真设计与优化，构成了下述实施例。

实施例1

如图2所示，本实施例的膜系结构具体为：基底/100nmGLC/10nmAlN/150nmMo-Al

该多叠层结构组合的光热薄膜在小于3μm波段的表面平均反射率约为1.5%，其光吸收率达到了98%，热辐射率约为5%（图3），膜层结构稳定，抗老化性能强，经测试可在900℃以下稳定工作。

上述实施例优选采用多腔连续磁控溅射镀膜设备制造，具体工艺方法是：将清洗后的基底送入镀膜室，在装载有不同靶材的腔室依次溅射上述每一层特定厚度的类石墨、AlN、掺杂Mo-Al

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例的膜系结构具体为：基底/200nmGLC/200nmMo-Al

该多叠层结构组合的光热薄膜在小于3μm波段的表面平均反射率约为1.7%，其光吸收率达到了98%，热辐射率约为5%，膜层结构稳定，抗老化性能强，经测试可在900℃以下稳定工作。

以上所述实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域的技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落在本发明权利要求书确定的保护范围。