TWI411699B - 太陽能選擇性吸收膜及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種太陽能選擇性吸收膜及其製造方法，特別有關於一種具高選擇比的單層太陽能選擇性吸收膜及其製造方法。
雙陶瓷合金層結構應用於太陽能選擇性吸收膜的研究開發始於1990年代。雙陶瓷合金層結構，例如金屬-氮化鋁(M-AlN)和金屬-氧化鋁(M-Al2
O3
)，傳統上是使用一種雙靶材直流電磁控管電漿濺鍍技術(two-target DC magnetron plasma sputtering technology)來製備，應用於太陽能選擇性吸收膜，可得到非常高的光熱轉換效率。
傳統之選擇性吸收膜製程大部份是利用雙靶材濺鍍產生的複合膜，例如以不鏽鋼與鋁的雙靶材製程，製作陶瓷金屬膜(Cermet)做為選擇性吸收膜。適當的金屬陶瓷複合膜厚度與金屬分率，可在太陽能輻射區域表現出高吸收而對熱輻射(紅外線區域)表現出高度反射性。該複合物沈積在對紅外線反射的金屬基材上可以形成太陽能選擇性吸收膜。
第1圖係顯示傳統多層選擇性吸收膜結構製作於金屬基材的剖面示意圖。於第1圖中，傳統多層選擇性吸收膜結構110-130以雙或多靶材濺鍍方式形成於金屬基材100上。吸收膜結構130-110具漸進式的的光學特性，亦即各層的折射率(n)、消光係數(k)、膜厚(d)均不同。欲達到對太陽能輻射區域具高吸收性而對熱輻射(紅外線區域)具高度反射性的選擇性，習知技術需仰賴多層陶瓷金屬膜(Cermet)結構，方能達到所欲的特性。再者，多層陶瓷金屬膜(Cermet)需依賴多靶多腔體製程，耗費製造資源及成本。
近年來，業界已開始研究開發單靶材濺鍍選擇性吸收膜。雖然單靶材製程優於雙靶材製程，如節省機台設置空間及成本，但在單靶材製程下，單一靶須同時分擔傳統雙靶的金屬層及陶瓷層兩種膜層，在氣氛及功率的控制上較雙靶製程要求要更精確，也因此增加其鍍膜的穩定控制困難性。
本發明之實施例提供一種太陽能選擇性吸收膜的製造方法，包括：提供一基材於一真空濺鍍腔體中；以及濺鍍一金屬同時通入一氣體，以形成一單層金屬-陶瓷複合膜於該基材上；其中該單層金屬-陶瓷複合膜具有吸收可見光且反射紅外光的性質。
本發明之實施例另提供一種太陽能選擇性吸收膜，包括：一基材；以及一單層金屬-陶瓷複合膜於該基材上；其中該單層金屬-陶瓷複合膜具有吸收可見光且反射紅外光的性質。
為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。
本發明之實施例提出一種製備單層陶瓷-金屬結構及方法，作為太陽能選擇性吸收膜，經過光學模擬預先計算該單層吸收膜最適當的光學常數，包括折射率(n)、消光係數(k)、膜厚(d)，亦即模擬計算出單層陶金吸收膜所需的金屬含量與鍍膜厚度。
第2A-2C圖係顯示根據本發明之一實施例的太陽能選擇性吸收膜製造方法的剖面示意圖。請參閱第2A圖，首先提供一基材200於一真空單靶材濺鍍腔體中，濺鍍一金屬同時通入一氣體，以形成一單層金屬-陶瓷複合膜210於該基材200上。該單層金屬-陶瓷複合膜具有吸收可見光且反射紅外光的性質。
請參閱第2B圖，在經過自然大氣下曝曬L，利用高金屬分率的吸收膜表面之金屬原子與大氣中的氧原子形成氧化物薄層215。應注意的是，該氧化物薄層215亦為一光學薄膜，經匹配設計可有效減少太陽光的反射率，達抗反射效果，亦提升選擇性吸收膜的吸收效能。並該氧化物之材料特性具有抗腐蝕特性，亦即防止氧原子的氧化擴散，可達到吸收膜與大氣的阻隔效果，對產品在日光下曝曬有性能穩定、抗老化之特性。
本發明另一實施例樣態為提供一種單一金屬靶材，利用真空濺鍍法製作太陽能選擇性吸收膜。在真空濺鍍製程中，以鋁金屬靶材為例子，調整特定氣氛及功率即可使電漿轟擊出鋁金屬原子，被擊出之鋁原子在與通入之反應氣體(氮氣)產生反應，並沉積於基板上形成金屬-陶瓷複合膜，即陶金膜(cermet film)。此陶金膜對太陽光有很好的吸收效果。根據本發明之一實施例，利用高金屬分率的陶金膜來進行自然表面氧化，來自然形成一層氧化物薄膜。該氧化物薄膜可作為抗反射層，同時增加入射光的通量，提升吸收膜的吸收率。
應注意的是，本發明實施例的太陽能選擇性吸收膜製作方法，僅需要單一金屬材質靶材與單一氣氛下進行，並且經光學薄膜設計，只需濺鍍單一層吸收膜，並自然曝曬形成抗反射效果，無須經過高溫熱處理，可降低真空濺鍍製程的操作成本與提升連續濺鍍製程的量產能力。
相較於習知技術，本發明之實施例將雙靶減為單靶。更明確地說，以單金屬靶，例如鋁(Al)靶、鈦(Ti)靶或其他金屬做為濺鍍靶材，在氮反應氣氛下，利用真空濺鍍製作太陽能選擇性吸收膜。根據本發明另一實施例，利用反應性濺鍍法製備太陽能選擇性吸收膜。
再者，本發明實施例藉由光學模擬計算，控制特定反應濺鍍參數，如濺鍍功率、濺鍍反應氣氛濃度、濺鍍時間，製備出特定光學常數之膜層，使太陽能選擇性吸收膜僅需濺鍍單一層吸收膜，即可所欲的光學效能。該吸收膜層為陶瓷-金屬之薄膜結構，在可見光與近紅外光波段有高吸收，在遠紅外波段有高反射。經過自然曝曬，利用大氣中的氧原子來進行吸收膜表面的氧化，表面形成一層氧化物薄膜。該氧化物薄層亦為一光學薄膜，可有效減少太陽光的反射率，及提升選擇性吸收膜的吸收效能。並該氧化物之材料特性具有抗腐蝕特性，亦即防止氧原子的氧化擴散，可達到吸收膜與大氣的阻隔效果，對產品在日光下曝曬有性能穩定、抗老化之特性。
光學模擬
第3圖係顯示本發明實施例的光學模擬步驟，並對應以第2A-2C圖實施的流程示意圖。首先利用在不同氮化程度下的單層膜(陶金層吸收膜)之光學常數來模擬最適之光學特性，即有較低的反射率(步驟330)。接著，附加一層氧化層來模擬吸收膜經大氣曝曬氧化時所產生之氧化層，即進行雙層膜匹配(步驟320)。最後，模擬計算單層吸收膜與附加氧化層之選擇性吸收膜效能(吸收率)，如步驟330所示。
有鑑於此，本發明各實施例僅需濺鍍單層吸收膜，故光學模擬中呈現不同氮化程度與不同膜厚度之單層膜。表1係顯示模擬背景是以鋁靶(Al)為靶材基礎，在不同N2
濃度氣氛(3-12%)下進行反應性濺鍍。由此可形成不同氮化程度之一系列的陶瓷-金屬單層膜，並分析其光學特性，包括反射率(Reflectance，%)。除了模擬不同金屬分率的單層膜，同時也模擬不同膜厚下(30-120nm)的結果。因為，不同的膜厚會產生不同的光學干涉效果，而產生特定的光學特性影響，如反射率與截止波長位置等。在表1的模擬結果中，當氮氣濃度為7.5%且膜厚達90nm時，有較低的反射率。即在單層的吸收膜特性中，有較高的吸收率。
步驟一：改變大範圍(30-120nm)之膜厚以尋找較佳之膜厚，並找出較合適薄膜之金屬分率。模擬具最佳性能的Al/AlN-Al2
O3
做為選擇性吸收膜，其吸收率如表1所示，其中氧化層是以氧化鋁作為氧化層。
步驟二：比較不同膜厚下之反射率，並找出較合適的薄膜厚度。根據表1的模擬結果顯示，薄膜於氮氣氛率7.5%及薄膜厚度90nm時具有最低之反射率，故於膜厚90nm附近小範圍尋找最佳之薄膜厚度，如表2所示，根據模擬結果顯示為95nm。
步驟三：比較不同金屬分率之薄膜於膜厚95nm下之單層及雙層之吸收率。因為第二層膜厚之限制，且其作用為“抗反射”效果，故第二層膜對吸收率僅些微貢獻。若能突破氧化層的膜厚限制，則有利於達到更佳的抗反射效果。表3列出單、雙層膜吸收率之比較差異。單層鋁陶金膜其厚度為95nm，第二層氧化鋁膜其厚度20nm。該結果顯示，實施例的模擬組別中，C組有較佳的結果顯示，吸收率可達0.8。
第4與5圖分別顯示根據本發明實施例在不同氮化程度下的單、雙層膜的反射光譜示意圖，其中單層膜為不同金屬分率之鋁陶金單層膜，雙層膜分別為第一層的鋁陶金膜及第二層的氧化鋁膜。請參閱第4與5圖，分別比對樣品編號40a-40f和50a-50f，可發現C組別(40c和50c)之反射率較低且截止波長發生在較長波長之位置1400nm，故其吸收率也較佳。在後續的研究中可以利用不同氮化氣氛濃度與不同膜厚來進行匹配，找出截止波長發生在1600nm位置的單層吸收膜。
比較第4與5圖中效果最好的C組別，將其重新繪製如第6圖所示。其中，於單、雙層膜反射率中，第二層膜有往長波長方向移動，且整體反射率都有下降的趨勢，故雙層膜之吸收率0.8較單層膜吸收率0.75來的高。因此，在本發明實施例中，以選擇適合的單層吸收膜即可達到高的吸收率0.75，並該單層吸收膜具有選擇性特性，在可見光與近紅外光區有高吸收，並在遠紅外光區有反射特性。當經放置於大氣中自然加熱氧化，自然形成一薄層氧化膜，則可達抗反射效果，並提升選擇性吸收膜之吸收效能。目前的實施例模擬中，除了具選擇性的特性以外，吸收率可達0.8。
濺鍍製備
濺鍍實驗製備一系列不同氮化程度之陶金薄膜，並同時了解單層選擇性吸收膜之性能，及實際進行曝曬，分析其氧化(老化)之情形。首先鍍製金屬鋁膜12片，做為Al基板，在每一不同氣氛濺鍍條件下，放入2片Al基板和1片玻璃基板。濺鍍完成後，將Al基板上之薄膜進行反射率、放射率、吸收率之量測。將鍍於玻璃基板之薄膜以橢圓儀分析光學常數及膜厚。表4為鍍膜實驗之參數，濺鍍壓力約為2mtorr，Ar流量固定為40sccm，氮氣流量為0-4sccm，濺鍍功率為150W，鍍製10分鐘。
根據陶金鋁膜之顏色外觀，兩組膜之鍍製條件完全相同僅基板不同，分別為陶金鋁膜鍍製於金屬鋁膜上，和陶金鋁膜鍍製於透明玻璃基材上。在通入氮氣之後薄膜則不似純鋁膜為銀色而呈現褐色。
第7圖顯示陶金鋁膜鍍於金屬鋁膜上之反射光譜(實心)，以及放置15天後薄膜之反射光譜(空心)，以樣品編號A3、A4具有較佳之吸收率，又因為A3之截止波長位置較長，故吸收率較高為0.771。第8圖係顯示陶金鋁膜鍍於透明玻璃基材上之穿透光譜(實心)，以及放置15天後薄膜之穿透光譜(空心)。由第7和8圖中的結果得知，薄膜放置15天後其穿透率及反射率皆有變化，顯示薄膜表面或是薄膜結構已產生變化，故其吸收率及放射率也有所改變，如表5所示。吸收率皆有小幅度的增加，A3試片之吸收率更高達0.785，唯獨A4試片之吸收率下降，由第7圖的反射圖譜即可發現是因為放置15天後其反射圖譜有上升趨勢所致。在放射率部分變動不大，皆為1%幅度之變化，且均在0.1以下。
以上之模擬與實際鍍膜之實施例，都驗證了單層吸收膜經曝曬後，可提高吸收膜之吸收率效能。未來，若將實際鍍膜搭配光學模擬設計，將可製備更關鍵之合適單膜層，使吸收率(α)達0.8以上。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．金屬基材
110-130．．．多層吸收膜結構
200．．．基材
210．．．單層金屬-陶瓷複合膜
215．．．氧化物薄層
310-330．．．光學模擬步驟
L．．．自然大氣下曝曬
40a-40f和50a-50f．．．樣品編號
第1圖係顯示傳統多層選擇性吸收膜結構製作於金屬基材的剖面示意圖。
第2A-2C圖係顯示根據本發明之一實施例的太陽能選擇性吸收膜製造方法的剖面示意圖。
第3圖係顯示本發明實施例的光學模擬步驟，並對應以第2A-2C圖實施的流程示意圖。
第4與5圖分別顯示根據本發明實施例在不同氮化程度下的單、雙層膜的反射光譜示意圖，其中單層膜為不同金屬分率之鋁陶金單層膜，雙層膜分別為第一層的鋁陶金膜及第二層的氧化鋁膜。
第6圖係顯示比較第4與5圖中效果最好的C組，並重新繪製的反射光譜示意圖。
第7圖顯示陶金鋁膜鍍於金屬鋁膜上之反射光譜(實心)，以及放置15天後薄膜之反射光譜(空心)。
第8圖係顯示陶金鋁膜鍍於透明玻璃基材上之穿透光譜(實心)，以及放置15天後薄膜之穿透光譜(空心)。
200．．．基材
210．．．單層金屬-陶瓷複合膜
L．．．自然大氣下曝曬
Claims (10)
- 一種太陽能選擇性吸收膜的製造方法，包括：提供一基材於一真空濺鍍腔體中；以及濺鍍一金屬同時通入一氣體，以形成一單層金屬-陶瓷複合膜於該基材上；放置具有該單層金屬-陶瓷複合膜的該基板於大氣中，以形成一氧化層於該單層金屬-陶瓷複合膜的表面，其中該單層金屬-陶瓷複合膜具有吸收可見光且反射紅外光的性質。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能選擇性吸收膜的製造方法，其中該基材包括銅或鋁金屬基板，或者玻璃基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能選擇性吸收膜的製造方法，其中通入該氣體包括氮氣和氬氣，其氮氣/氬氣比率大抵介於0%-10%。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能選擇性吸收膜的製造方法，其中該單層金屬-陶瓷複合膜包括Al/AlN-Al2 O3 選擇性吸收膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能選擇性吸收膜的製造方法，其中該單層金屬-陶瓷複合膜的折射率(n)範圍大體為2-3.5、消光係數(k)的範圍大體為0.5-3，以及膜厚(d)的範圍大體為60-120nm。
- 一種太陽能選擇性吸收膜，包括：一基材；一單層金屬-陶瓷複合膜於該基材上；以及 一原生氧化層於該單層金屬-陶瓷複合膜的表面，其中該單層金屬-陶瓷複合膜具有吸收可見光且反射紅外光的性質。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能選擇性吸收膜，其中該基材包括銅或鋁金屬基板，或者玻璃基板。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能選擇性吸收膜，其中該單層金屬-陶瓷複合膜為單一均質結構。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能選擇性吸收膜，其中該單層金屬-陶瓷複合膜包括Al/AlN-Al2 O3 選擇性吸收膜。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能選擇性吸收膜，其中該單層金屬-陶瓷複合膜的折射率(n)範圍大體為2-3.5、消光係數(k)的範圍大體為0.5-3，以及膜厚(d)的範圍大體為60-120nm。
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| TW097147797A TWI411699B (zh) | 2008-12-09 | 2008-12-09 | 太陽能選擇性吸收膜及其製造方法 |
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| US20070196670A1 (en) * | 2006-02-21 | 2007-08-23 | Harish Chandra Barshilia | solar selective coating having higher thermal stability useful for harnessing solar energy and a process for the preparation thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Shen Yue, Shi Yueyan, Wang Fengchun, "High-temperature optical properties and stability of AlxOy-AlNx-Al solar selective absorbing surface prepared by DC magnetron reactive sputtering", Solar Energy Materials and Solars Cells, vol. 77, 2003, page:393-403. * |
Also Published As
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