一种太阳能热发电反射镜用SiO2‑Ag‑SiO2复合膜及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能热发电反射镜用材料生产制造技术领域，具体涉及一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜及其制备方法。

背景技术：

随着世界范围内能源的短缺和环境问题的加剧，以太阳能为主的可再生能源的研究、开发、利用日益得到重视。太阳能发电主要分为光伏发电和光热发电。光伏发电在过去的几十年里已得到快速发展。近几年，光热发电以其效益好，清洁无污染、运行稳定、便于并入电网等诸多优点，受到关注。据专家预测，不久的将来光热发电容量将远远超过光伏，并有可能取代常规能源而广泛的被人类所利用。太阳能热发电系统使用大型太阳能反射镜收集太阳能以用来发电，这些系统在经济上是否可行主要取决于能否研发出耐久性好、反射率高且生产成本低的反射镜系统。光热发电站多建在光照充足、太阳辐射强的地区，如我国西部广袤的戈壁和大漠上，但是这些地区环境比较恶劣，因此太阳能热发电系统中反射镜的寿命将决定发电站的成本。故而反射率高、附着性好、使用寿命长的反射镜是目前研究的重点。

由于银在红外区域有较高的反射率，所以它有很大的潜力可以作为高性能反射镜膜层材料，然而，银膜在被用作反射材料时有一个很大的问题需要考虑，即耐久性不能保证，因为银膜机械强度和化学稳定性都不好，很容易被氧化或者硫化，失去光泽，这就会导致反射率的降低，故在银膜上镀一层保护膜是必不可少的。此外，由于Ag与玻璃基底的附着力比较差，而且在一些特殊的气氛中易被腐蚀而脱落，从而影响了其使用性能，因此，在实际应用中，还需要在两者之间镀一层介质层，以提高反射层与基底的附着力。可是如果保护膜厚度不能得到有效控制，也会影响反射率的提高。

为了得到高反射率、附着性好、使用寿命长的反射镜用反射材料，研究者们开展了一系列的研究。赵永赞等人研究了在太阳能聚光器薄膜的制备过程中附着力大小的问题，在蒸镀铝膜前先在基底表面上蒸镀一层薄的铬膜，由于铬会从氧化物基片中夺取氧并且形成氧化物，有较强的化学键力，所以极大地提升了聚光器膜层的附着性。Tetsuya Goto采用溅射法分别在环烯烃聚合物和二氧化硅上制备银膜，采用Si₃N₄膜作保护层，得到了反射率高而且耐久性好的反射膜。Kennedy等采用氧化铝作保护层，银为表面反射层，使其太阳光的反射率达到95％。徐勇军等采用纳米银为表面反射层，太阳光的反射率达到了96.74％。中国专利(专利公开号：CN102260854A)公开了一种自洁太阳能高反射率纳米薄膜及制造方法，当反射膜为银膜时，对太阳光的反射率为94％～97％，当反射膜为铝膜时，反射率为90％～92％。中国专利(专利公开号：CN104681662A)公开了一种高反射率太阳能薄膜的制备方法，当银膜的厚度为130nm和二氧化硅的厚度为320nm时，膜反射率最高，太阳光和可见光反射率分别为96.66％和98.84％，并且膜材的耐磨性和抗老化性良好。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为了避开现有技术中存在的缺陷和不足之处，本发明提供一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜及其制备方法，该方法得到的复合膜具有高反射率、附着性良好以及户外使用寿命长的特点。

本发明提供的技术方案是：一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜，其特征在于，它包含玻璃基板1以及形成于玻璃基板上的膜层；膜层由过渡层(或称介质层)、反射层和保护层构成，过渡层、反射层和保护层依次从玻璃基板1的表面向外布置，过渡层、反射层、保护层均是通过射频磁控溅射法制得；所述的过渡层2的材料为SiO₂，厚度为20nm-50nm；所述的反射层3的材料为Ag，厚度为100nm-200nm；所述的保护层4的材料为SiO₂，厚度为50nm-150nm。

上述一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质(脏物)然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗10-30min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗10-30min，得到玻璃基板；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5-1.5Pa，靶基距固定在60-100mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100-200W，溅射时间为10-30min；在玻璃基板上得到一过渡层；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5-1.5Pa，靶基距固定在60-100mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100-200W，溅射时间为10-30min；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5-1.5Pa，靶基距固定在60-100mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100-200W，溅射时间为20-40min；得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

采用该方法制备的膜系结构，红外反射率可以达到99.73％，而且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率可超过100％。

采用剥落实验，参考附着力测试标准GBT9286-1998，其附着力可以达到0级(一共6级，其中0级表示附着性最好，5级表示附着性最差)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明得到的膜系结构，红外反射率达99.73％以上。(2)膜层之间特别是膜层和玻璃基板之间具有良好的附着性，参考附着力测试标准GBT9286-1998，其附着力可以达到0级(一共6级，其中0级表示附着性最好，5级表示附着性最差)，在光热发电站所处的恶劣环境中具有长的使用寿命。(3)工艺路线简单，适合工业化大规模生产，既节约了成本，也节约了维护费用，减少了环境污染。

附图说明

图1为本发明一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的示意图。

图2为本发明实施例1中的SiO₂-Ag-SiO₂复合膜反射率图。

图3为本发明实施例1的一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜薄膜附着力测试图：其中，a为测试前图，b为测试后图。

图4为本发明实施例2中的SiO₂-Ag-SiO₂复合膜反射率图。

图5为本发明实施例3中的SiO₂-Ag-SiO₂复合膜反射率图。

图6为本发明实施例4中的SiO₂-Ag-SiO₂复合膜反射率图。

图7为本发明实施例5中的SiO₂-Ag-SiO₂复合膜反射率图。

图8为本发明实施例6中的SiO₂-Ag-SiO₂复合膜反射率图。

图1中：1为玻璃基板，2为过渡层，3为反射层，4为保护层。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质(脏物)然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗20min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗20min，得到玻璃基板1；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5Pa，靶基距固定在60mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100W，溅射时间为10min；在玻璃基板1上得到一过渡层(SiO₂膜)2，SiO₂膜厚度为30nm；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为108W，溅射时间为20min，在过渡层2上得到反射层3(银膜)，银膜厚度为110nm；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5Pa，靶基距固定在60mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100W，溅射时间为20min，SiO₂膜厚度为55nm；得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

实施例1所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜如图1所示，所述薄膜按顺序包括：

玻璃基板1；过渡层(SiO₂膜)2，材料为SiO₂，厚度为30nm；反射层3，材料为Ag，厚度为110nm，保护层4，材料为SiO₂，厚度为55nm。

实施例1所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜系红外反射率高于99.76％，且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率甚至超过100％，附着力可达0级，户外使用寿命长。

实施例2：

一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质(脏物)然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗20min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗20min，得到玻璃基板；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为20min；在玻璃基板1上得到一过渡层(SiO₂膜)2，SiO₂膜厚度为40nm；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为108W，溅射时间为20min，在过渡层2上得到反射层3(银膜)，银膜厚度为110nm；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为30min，，得到保护层(SiO₂膜)，SiO₂膜厚度为102nm；最后得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

实施例2所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜系红外反射率高于99.81％，且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率甚至超过100％，附着力可达0级，户外使用寿命长。

实施例3：

一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质(脏物)然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗20min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗20min，得到玻璃基板；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.5Pa，靶基距固定在100mm，氩流量为40sccm，溅射功率为200W，溅射时间为30min；在玻璃基板上得到一过渡层(SiO₂膜)，SiO₂膜厚度为50nm；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为108W，溅射时间为20min，在过渡层2上得到反射层3(银膜)，银膜厚度为110nm；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.5Pa，靶基距固定在100mm，氩流量为40sccm，溅射功率为200W，溅射时间为40min，SiO₂膜厚度为139nm；得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

实施例3所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜系红外反射率高于99.90％，且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率甚至超过100％，附着力可达0级，户外使用寿命长。

实施例4：

一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质(脏物)然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗20min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗20min，得到玻璃基板；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为20min；在玻璃基板上得到一过渡层(SiO₂膜)，SiO₂膜厚度为40nm；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为160W，溅射时间为20min，在过渡层2上得到反射层3(银膜)，银膜厚度为150nm；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为30min，SiO₂膜厚度为102nm；得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

实施例4所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜系红外反射率高于99.87％，且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率甚至超过100％，附着力可达0级，户外使用寿命长。

实施例5：

一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗10min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗10min，得到玻璃基板；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为20min；在玻璃基板上得到一过渡层(SiO₂膜)，SiO₂膜厚度为40nm；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.5Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为160W，溅射时间为30min，在过渡层2上得到反射层3(银膜)，银膜厚度为200nm；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为230min，SiO₂膜厚度为102nm；得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

实施例5所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜系红外反射率高于99.82％，且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率甚至超过100％，附着力可达0级，户外使用寿命长。

实施例6：

一种太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取普通载玻片(作为基底)，用洗洁精多次清洗(如2-5次)，洗掉表面的杂质然后用自来水冲刷干净，再放入去离子水中超声波清洗30min，最后放入无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中超声波清洗30min，得到玻璃基板；将清洗好的玻璃基板保存在无水乙醇【99.99％(质量)，分析纯】中备用；

2)在玻璃基板(或称玻璃基底)上制备过渡层(或称介质层)：方法是用射频磁控溅射沉积方式，SiO₂靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为1.0Pa，靶基距固定在80mm，氩流量为40sccm，溅射功率为150W，溅射时间为10-30min；在玻璃基板上得到一过渡层(SiO₂膜)，SiO₂膜厚度为40nm；

3)在过渡层上制备反射层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，反射层的材料为银，银的靶材尺寸为纯度为99.99wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5Pa，靶基距固定在60mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100W，溅射时间为30min，在过渡层2上得到反射层3(银膜)，银膜厚度为200nm；

4)在反射层上制备保护层：方法是用射频磁控溅射沉积方式，保护层的材料为SiO₂，靶材尺寸为纯度为99.999wt％，溅射气体为体积分数为99.999％的高纯氩，溅射室真空度为4.0×10^-4Pa，工作气压为0.5Pa，靶基距固定在60mm，氩流量为40sccm，溅射功率为100W，溅射时间为20min，SiO₂膜厚度为137nm；得到太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜。

在步骤2)、3)、4)中，溅射前均需对靶材进行5分钟的预溅射，以除去靶材表面残留的氧化物和污染物。

实施例6所得太阳能热发电反射镜用SiO₂-Ag-SiO₂复合膜系红外反射率高于99.89％，且由于SiO₂膜的增透效果，红外反射率甚至超过100％，附着力可达0级，户外使用寿命长。

以及本发明各工艺参数(如气压、靶基距、溅射功率、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干推演或替换，都应当视为本发明的保护范围。