太阳能选择性吸收薄膜常用制备方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:张霖

  太阳能选择性吸收薄膜的制作工艺与涂层的光谱辐射特性有着密不可分的关系。不同工艺方法制备的薄膜,其组织结构、机械、电学及光学性能都不同。太阳能选择性吸收薄膜常用的制备方法主要有化学镀、电化学沉积法( 电镀和阳极氧化法)、化学转换着色法、溶胶凝胶法、刷涂法、高频磁控溅射法、气相沉积法及等离子喷涂法等。其中金属- 陶瓷复合镀、塑料镀以及电刷镀是近几年开发的新工艺。应用较广的太阳能选择性吸收薄膜制备方法主要有:

  (1) 电化学沉积法

  即常规电镀法。将被加工部件置于含有所沉积元素的离子溶液中,溶液极板为正极,所镀金属部件为负极。薄膜厚度由电镀时间控制。电镀法的优点是设备工艺成熟,电镀材料多,生产效率高,成本低廉,可电镀大工件,并可连续生产;但缺点也显而易见,用电化学沉积法制备理想的、复杂组成的薄膜材料较为困难,且对于基体表面上晶核的生成和长大速度不能控制,制得的化合物半导体薄膜多为多晶态或非晶态,性能不高。个别工艺需用剧毒药品,无法在介电质材料上沉积镀膜,故此法一般只能制作中等吸收- 发射比的薄膜。

  (2) 化学转换着色法

  即采用化学方法,在待加工部件表面生成很薄的光谱选择性薄膜。其材料通常是金属氧化物和硫化物,采用浸渍处理或者喷涂处理制备。此法优点是工艺设备简单,操作方便,生产效率高,成本低廉,可做大工件、连续生产;缺点是个别工艺需用剧毒药品,且薄膜厚度有时不够均匀,因此该法只能制作中下等级的吸收- 发射比薄膜。

  (3) 溶胶凝胶法

  即采用合适的有机或无机盐配制成溶液,然后加入能使之成核、凝胶化的溶液,控制其凝胶化过程得到具有球形颗粒的凝胶体,经一定温度煅烧分解得到所需氧化物薄膜的方法。采用溶胶- 凝胶法制备的薄膜具有组分混合均匀、成分易控制、成膜均匀、可制备面积较大、成本低、周期短、易于工业化生产等优点。但其也存在一定问题,目前所使用的原料价格比较昂贵,有些原料为有机物,对健康有害,而且一般整个溶胶-凝胶过程所需时间较长,常需要几天或几周;凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物,并产生收缩等。

  (4) 高频磁控溅射法

  真空条件下,阴阳极之间加上正交磁场,从阴极发射的电子受到磁场作用,增大行程并撞击Ar 使其电离。电离后的Ar离子在强电场作用下轰击靶材,溅射出大量的金属原子,沉积在置于靶材附近的基材表面形成薄膜。这种方法已大量应用于工业生产,工艺成熟,成本低廉。但此法的缺点也比较明显,不能制备绝缘体膜, 而且磁控电极中采用的不均匀磁场会使靶材产生显著的不均匀刻蚀, 导致靶材利用率不高。

  (5) 真空蒸发沉积法

  利用物质在真空室中加热蒸发原理,使各种膜材的分子或原子从表面气化逸出,形成蒸汽流,入射到固体(衬底或者基片)表面制成薄膜。此法优点是简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高且可以准确地把握工艺参数和涂层厚度,能制备具有高反射率或者高吸收- 发射比的薄膜;缺点是薄膜与基片结合较差、工艺重复性不好,对真空室、蒸发源以及蒸发加热装置要求较高, 因此也会加大制作成本,且真空室大小限制了所能制备的产品尺寸。

  (6) 等离子喷涂法

  采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源,将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态,并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。该法能涂布任何可熔但不会分解的材料,喷涂速度较快,但基底材料需要能够承受高温,制备的选择性吸收薄膜吸收- 反射比不高,且均为漫反射。

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