技术领域
[0001] 本
发明涉及
太阳能光热转换技术领域，具体涉及一种高掺杂MoOx基光热转换涂层及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着全球经济的高速发展，对石油，
天然气和
煤等化石
燃料的需求日益增长，然而
化石燃料的消耗会对环境造成严重的影响，威胁人类的生存发展，
能源环境问题已然成为全球关注的重要问题之一，开发可替代的新能源迫在眉睫。太阳能作为一种清洁无污染的可再生自然能源，可以视为解决环境污染和能源消耗危机的潜在解决方案。在光热转换技术领域中，为了能够从
太阳辐射能中捕获更多的
能量，近年来各个领域的学者，不断探索并开发性能优异的光热转换材料，将其研究应用到不同的方向中，使其成为了光热转换利用技术领域中一项十分活跃的研究课题。目前，大多数的光热转换涂层的结构设计中，通常都涉及到一个复杂的多层结构，例如3层的“
电介质-金属-电介质”叠堆结构，4层的双“
金属陶瓷”基涂层结构，多个介质层和金属层的
串联的光学干涉结构，光学性能渐变的金属氮化物/氮
氧化物多层结构等。然而，上述提到的这些涂层结构的制备工艺都非常复杂，需要使用两个靶材甚至多个靶材的共溅射技术，这使得涂层的制备成本非常高，并且复杂结构设计使得涂层的扩展性较差，也不利于大规模化的商业化生产。总的来说，寻求一种结构工艺简单、成本低廉且光学性能优异的太阳能光热转换涂层，具有非常重要的应用前景。
[0003] 众所周知，本征
吸收材料主要是反映了材料本身内在的光学吸收特性，在自然界中除了
半导体材料之外，一些过渡族金属及其氧化物，
碳化物和
硼化物等，也都具有非常好的本征吸收特性，但是
单层的本征吸收
薄膜在可见光
波长范围内的光热效率并不理想。一般来说，在吸收层的表面引入一个减反射层能够有效地促进光热涂层的光吸收能
力，这是由于薄膜的相消干涉作用，降低了整个膜系的反射损失，使更多的太阳光入射到涂层表面，被光热涂层吸收。近几年，一些学者基于单层的金属碳化物和
硼化物的本征吸收特性，制备了结构简单的双层光热转换涂层，也显示了非常好的光学吸收性能。然而，制备这些涂层的碳化物和硼化物的靶材通常都比较昂贵，非常不适合于低价和大面积的工业化生产，对廉价的性能优异的吸收材料仍然是迫切需求的。
[0004] 类似地，过渡族金属钼(Mo)具有非常高的熔点，显示了低的
热膨胀系数和高的红外反射特性，但是单层的Mo薄膜在可见光波长范围内的光热效率并不理想，目前在光热转换涂层的设计中，Mo主要是被用于红外金属反射层或者掺杂到吸收层中，如Mo-Al2O3，Mo-SiO2，NbMoON，MoAlN等。
[0005] 同时，单一的掺杂MoOx薄膜具有高的吸收特性，但是其吸收限波长比较短，在可见光区域的吸收并不理想，其光热转换效率比较低。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种高掺杂MoOx基光热转换涂层及其制备方法，解决了现有的复杂的多层结构的光热转换涂层，涉及到的制备工艺复杂，制备成本昂贵，且不利于大规模的工业化生产的问题。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0008] 本发明提供的一种高掺杂MoOx基光热转换涂层，包括基底，所述基底上按照由下至上的顺序依次设置的高吸收层和减反射层，其中，基底为具有红外反射功能的基底，所述高吸收层为MoOx层，减反射层为MoOx或SiO2介质层。
[0009] 优选地，所述高吸收MoOx层的厚度为60～80nm。
[0010] 优选地，所述减反射层的厚度为80～130nm。
[0011] 一种高掺杂MoOx基光热转换涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤1，对基底进行预处理；
[0013] 步骤2，在基底上沉积高吸收层；
[0014] 步骤3，在高吸收层上沉积介质性质的MoOx或SiO2介质层。
[0015] 优选地，步骤1中，首先，将基底分别在酒精、丙
酮和去离子
水中经
超声波清洗，其次，将清洗之后的基底装入
磁控溅射沉积系统中进行等离子清洗，其中，等离子清洗的条件是：室内
真空度小于1.0×10-3Pa、通入纯度为99.999％的氩气、氩气流量为60sccm、室内气压为5Pa、负
偏压为-350V。
[0016] 优选地，步骤2中，将预处理后的基底放置在样品托上，将钼靶作为
溅射靶材，向真空室内通入纯度99.999％的氩气，调节
阀板阀来控制沉积气压，开启钼靶，采用射频电源磁控
溅射法轰击钼靶，在基底上沉积MoOx高吸收层，其中，氩气流量为35sccm，氧气来源于真空室内残余的空气，气压为0.3～0.4Pa，溅射功率为100～110W。
[0017] 优选地，步骤3中，以钼靶为
阴极，以氩气和氧气为反应气体，向真空室内通入纯度99.999％的氩气和氧气，开启钼靶，在MoOx高吸收层上沉积一层MoOx减反射层，其中，氩气流量为35sccm，氧气流量为30～50sccm，气压为0.4～0.5Pa，溅射功率为100～110W。
[0018] 优选地，步骤3中，以SiO2靶为阴极，以氩气为溅射气体，向真空室内通入纯度99.999％的氩气，开启SiO2靶，在MoOx高吸收层上沉积一层SiO2减反射层，其中，氩气流量为
35sccm，气压为2.5Pa，溅射功率为130～160W。
[0019] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020] 本发明提供的一种高掺杂MoOx基光热转换涂层及其制备方法，吸收层为MoOx金属陶瓷薄膜，减反射层为介质性质的MoOx或SiO2薄膜，由于MoOx薄膜具有独特的多价态结构，该多价态结构表现出非常好的光学特性和电学性能，其中，单斜晶系的MoO2存在金属-金属键，所以MoO2具有类似金属的性质，是一种不透明的导电薄膜，而纯的MoO3薄膜的透过率在80％以上，是一种透明的介质性薄膜；这种非化学计量比的MoOx薄膜的多种价态之间的变化，使其成为一种性能优异的吸收材料，在光热转换涂层的设计中具有非常潜在的应用价值；完全氧化的MoOx薄膜具有非常高的透过率，并且MoOx薄膜的禁带宽度Eg为2.8～3.6eV，其截止波长λc为344～442nm，这说明大于442nm的太阳
光谱能够不被WOx薄膜吸收，所以，本发明将完全氧化的MoO3薄膜用作光热转换涂层的减反射薄膜；本发明将光热转换效率比较低的掺杂MoOx薄膜作为高吸收层，结合MoOx或SiO2薄膜作为减反射层的相消干涉作用，制备出新型的双层MoOx基太阳能光热转换涂层，该涂层不同于传统的复杂的多层膜系设计，这种双层结构的涂层具有工艺简单，制备成本低，结构扩展性好，光学性能易调控的特点，在太阳能热利用技术中具有非常广阔的应用价值。
附图说明
[0021] 图1是本发明涉及的光热转换涂层的结构示意图；
[0022] 其中，1、基底 2、高吸收层 3、减反射层。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0024] 如图1所示，本发明提供的一种高掺杂MoOx基光热转换涂层，包括基底1，基底1上按照由下至上的顺序依次设置的高吸收层2和减反射层3。
[0025] 所述基底1为具有红外反射功能的基底，基底1的材质为
铝、
铜或不锈
钢，具体的，可以是
铝片、铜片或
不锈钢(316L，304)。
[0026] 所述高吸收层2为MoOx层，厚度为60～80nm；这种MoOx薄膜，在可见光波段具有非常明显的光谱吸收特性，在光热吸收材料的设计中，可以将其用于吸收层，具有非常潜在的应用前景。在制备过程中，氧气来源于沉积内残留的空气，非常有限的氧
原子，使得MoOx薄膜形成一种高金属Mo纳米颗粒掺杂的复合薄膜，具有非常优异的光学吸收能力。
[0027] 所述减反射层3是一种介质性质的薄膜，用于减少涂层表面的反射损失；减反射层3为MoOx或SiO2介质层，厚度为80～130nm；完全氧化的氧化钼可以穿透大于344nm的
太阳光谱，其
消光系数k<0.1，是一种非常有价值的减反射层材料；传统的SiO2减反射层的消光系数数k＝0，具有非常优异的减反射效果。
[0028] 这种双层的梯度结构，由于薄膜的干涉效应，可以有效地吸收太阳光，增强涂层的光吸收效率。
[0029] 将本发明的高掺杂MoOx基光热转换涂层按照GB/T25968—2010进行检测，测的MoOx/MoOx光热转换涂层的太阳能吸收率在0.91～0.92之间，热发射率为0.05～0.06之间；MoOx/SiO2光热转换涂层的太阳能吸收率在0.89～0.91之间，热发射率为0.05～0.06之间，说明双层结构的高掺杂MoOx基光热转换涂层具有优异的光学性能。
[0030] 对本发明MoOx/MoOx涂层进行真空下
热处理，在450℃下200h保温处理后，按照上述方法再次检测测得MoOx/MoOx涂层的太阳能吸收率～0.913，发射率为0.05～0.06之间，数据无较大变化。对本发明MoOx/SiO2涂层进行真空下热处理，在450℃下200h保温处理后，按照上述方法再次检测测得MoOx/SiO2涂层的太阳能吸收率～0.899，发射率为0.05～0.06之间。
真空退火后，数据无较大变化，本发明的MoOx基光热转换涂层可适应于中高温太阳能光热转换技术。
[0031] 本发明的高掺杂MoOx光热转换涂层的制备方法如下：
[0032] ①对基底1进行预处理
[0033] 将
抛光的基底1在酒精、丙酮和去离子水中经
超声波清洗，装入磁控溅射沉积系统(沈阳鹏程真空技术有限公司560C型磁控溅射仪器)中，将磁控溅射系统的真空室的真空度-3抽至小于1.0×10 Pa；然后向真空室内通入纯度99.999％的氩气，调整气压为5Pa，开启负偏压-350V，对基底1进行离子溅射清洗，去除基底1表面的污染物及氧化皮，以提高基底1和涂层的结合力。
[0034] ②在基底1上沉积高吸收层2
[0035] 将步骤①预处理后的基底1放置在样品托上，将钼靶(纯度为99.95％)作为溅射靶材，向真空室内通入纯度99.999％的氩气，调整沉积气压，开启钼靶，采用射频电源磁控溅射法轰击钨靶，在基底1上沉积MoOx层，即为高吸收层2.
[0036] 参数设置如下：氩气流量为60sccm，气压为0.4～0.5Pa，溅射功率为100～110W，溅射时间为20～30分钟，通过控制溅射时间来控制MoOx层的厚度，调控MoOx层的光学吸收。
[0037] ③在高吸收层2上沉积MoOx减反射层3
[0038] 以钨为阴极，以氩气和氧气为反应气体，向真空室内通入纯度99.999％的氩气和氧气，开启钼靶，在高吸收层上沉积一层介质性质的MoOx减反射层3。
[0039] 参数设置如下：氩气流量为60sccm，氧气流量为30～50sccm，气压为0.4～0.5Pa，溅射功率为100～110W，溅射时间为25～40分钟，通过控制溅射时间来控制MoOx减反射层3的厚度。
[0040] ④在高吸收层2上沉积SiO2减反射层3
[0041] 在步骤②的
基础上，保持氩气流量不变，以SiO2靶为阴极，以氩气为溅射气体，向真空室内通入纯度99.999％的氩气，开启SiO2靶，在MoOx吸收层上沉积一层SiO2减反射层3。
[0042] 参数设置如下：氩气流量为60sccm，气压为2.5Pa，溅射功率为130～160W，溅射时间为120～180分钟，通过控制溅射时间来控制SiO2减反射层3的厚度。
[0043] 本发明具有积极的效果：
[0044] (1)本发明的MoOx基光热转换涂层由具有红外反射功能的基底、高吸收层和减反射层组成。
[0045] 其中，高吸收层为MoOx薄膜，这种MoOx薄膜，在可见光波段具有非常明显的光谱吸收特性，在光热吸收材料的设计中，可以将其用于吸收层，具有非常潜在的应用前景。在制备过程中，氧气来源于沉积内残留的空气，非常少的氧原子，使得MoOx薄膜形成一种高金属Mo纳米颗粒掺杂的复合薄膜，具有非常高的光学吸收能力。
[0046] 复合吸收层为双层的梯度结构，由于光的干涉作用，该梯度结构能有效吸收太阳光，增强涂层的光吸收效率。
[0047] 减反射层为MoOx或SiO2介质层；完全氧化的氧化钨可以穿透大于344nm的太阳光谱，其消光系数k<0.1，是一种非常有价值的减反射层材料；传统的SiO2减反射层的消光系数数k＝0，具有非常优异的减反射效果。
[0048] 经测试，MoOx/MoOx光热转换涂层的太阳能吸收率在0.90～0.92之间，热发射率为0.05～0.06之间；MoOx/SiO2光热转换涂层的太阳能吸收率在0.89～0.91之间，热发射率为
0.05～0.06之间，说明双层结构的MoOx基光热转换涂层具有优异的光学性能。
[0049] (2)本发明的光热转换涂层仅仅为2层结构，不同于已报道的复杂的多层结构设计，这种双层的MoOx基涂层具有结构简单，制备成本低，易扩展的特点，具有非常广泛的应用前景。
