TiAlNSiO2太阳能选择性吸收薄膜的制备与研究余超

ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ 太阳能选择性吸收薄膜的制备与研究／余 超等
· ４３ ·
ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ 太阳能选择性吸收薄膜的制备与研究＊
余 超 ，冒 守 栋 ，汪 少 杰 ，谢 婷 婷 ，孙 可 卿 ，宋 振 纶
（中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波 ３１５２０１）
摘要 采用直流磁控溅射法在铜基底上制备了 ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ 选择性吸收薄膜。通过调整制备过程中的工艺参 数，得到优化后的组合薄膜（铜基底），其吸收率 可 达 ０．９２、发 射 率 为 ０．０６。 在 此 组 合 膜 系 中，ＴｉＡｌＮ 为 吸 收 层，ＳｉＯ２ 为减反层。对基底为铜片的样品在５５０℃退火２ｈ，其性质保持稳定，表明 ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ 组合薄膜在高温太阳能选择性 吸收领域具有一定的应用前景。
关键词 选择性吸收薄膜 吸收率 发射率 热稳定性 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３３２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２Ｓｏｌａｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ Ｆｉｌｍ
ＹＵ Ｃｈａｏ，ＭＡＯ Ｓｈｏｕｄｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｓｈａｏｊｉｅ，ＸＩＥ Ｔｉｎｇｔｉｎｇ，ＳＵＮ Ｋｅｑｉｎｇ，ＳＯＮＧ Ｚｈｅｎｌｕｎ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｆｉｌｍ，ａｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ，ｅｍｉｔｔａｎｃｅ，ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
太阳 辐 射 能 主 要 集 中 在 可 见 光 和 近 红 外 波 长 范 围 内 （０．３～２．５μｍ）。 对 于 一 个 受 热 物 体 而 言，辐 射 主 要 在 大 于 ２．５μｍ 的红外区域。 如 果 某 种 材 料 对 于 太 阳 辐 射 能 中 的 可 见光和近红外波段有高的吸收，而自身受热时向 外 辐 射 的 能 量很小，那么这种材料即具备选择 吸收 性。通 过 转 换 装 置 把 太阳辐射能转换成热能加以利用 的太阳能 集热 器 中，太 阳 光 谱选择性吸收薄膜是极为重要的关键材料 。 ［１］
本实验制备 了 ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ 选 择 性 吸 收 薄 膜，调 节 并 优
化了工艺参数，通过 ＸＲＤ、ＳＥＭ、分 光 光 度 计、椭 偏 仪 等 测 试 手 段 考 察 了 优 化 后 的 薄 膜 晶 体 结 构 、形 貌 和 性 能 。
１ 实 验
本实验使用磁控溅射方法 制 备 ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ 双 层 膜。溅 射 前 腔 室 真 空 度 为 ８×１０－４Ｐａ。 基 底 为 铜 片 ，厚 度 为０．３ｍｍ， 尺寸为１００ｍｍ×６５ｍｍ。将铜 片 抛 光，然 后 分 别 在 丙 酮 和 无 水乙醇中超声清洗 １０ｍｉｎ，置 于 真 空 腔 室 中，通 入 氩 气，用 离 子源溅射清洗 ２０ｍｉｎ，溅 射 气 压 约 为 ０．１Ｐａ。 然 后 对 靶 材 进 行清洗，时 间 为 １０ｍｉｎ，目 的 是 去 除 靶 材 表 面 的 氧 化 物。 ＴｉＡｌＮ 薄膜采用直流 磁 控 溅 射 法 制 备，靶 材 为 钛 铝 合 金 靶， 纯度为９９．９９％，Ｔｉ与 Ａｌ的 原 子 比 为 ５０∶５０，工 作 气 体 为 ９９．９９９％高纯氩气，反应气体 为 ９９．９９９％高 纯 氮 气。ＳｉＯ２薄 膜采 用 直 流 脉 冲 磁 控 溅 射 方 法 （靶 材 为 硅 靶，纯 度 为 ９９．９９％ ）在 氩 气 和 纯 度 为 ９９．９９９％ 的 氧 气 中 反 应 制 成 。 １．１ 单层 ＴｉＡｌＮ 薄膜的制备
目前国内太阳能选择性吸收薄膜主要应用于低温领域。 Ａｌ－Ｎ／Ａｌ多层膜吸收涂层 广 泛 应 用 于 热 水 器［２］，具 有 较 好 的 光热转换性能。但从长远看，中高温太阳能 选 择 性 吸 收 薄 膜 可以扩展太阳能的利用范围（如太阳能发电等），具 有 更 好 的 前景和应用价值。
ＴｉＡｌＮ 涂层具有 硬 度 高、耐 磨 性 好 的 特 点，近 年 来 受 到 了越来越多的关注 ，由 ［３－５］ 于 其 在 高 温 下 具 有 良 好 的 热 稳 定 性 用 于 铜 表 面 的 防护层［６］，但 是 其 光 热 学 性 质 尚 未 得 到 充 分 研 究。 研 究 表 明，单 层 ＴｉＡｌＮ 薄 膜 的 太 阳 光 吸 收 率 为 ０．８ 左 右 。 ［７］ Ｂａｒｓｈｉｌｉａ［８］采 用 直 流 磁 控 溅 射 法 在 铜 基 体 上 制 备 ＴｉＡｌＮ／ ＴｉＡｌＯＮ／Ｓｉ３Ｎ４ 体系的太阳能 吸 热 涂 层，其 具 有 很 好 的 光 谱 吸收性，证明 ＴｉＡｌＮ 可以作为太阳能选择性吸收薄膜材料。
（Ｎｉｎｇｂｏ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５２０１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｆｉｌｍ ｗａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ＤＣ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｒｅａｃ－ ｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔａｎｄｅｍ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｉｓ ０．９２ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ ｉｓ ０．０６．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔａｎ－ ｄｅｍ ａｂｓｏｒｂｅｒ ＴｉＡｌＮ ｉｓ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ＳｉＯ２ａｃｔｓ ａｓ ａｎ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ－ｍａｔｒｉｘ ｔａｎｄｅｍ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｗｅｒｅ ａｎｎｅａｌｅｄ （ｉｎ ａｉｒ）ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ２ｈ，ａｎｄ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ｇｏｏｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｕｐ ｔｏ ５５０℃．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ＴｉＡｌＮ／ＳｉＯ２ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｏｌａｒ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ．