真空镀膜技术介绍(殷志强讲课幻灯片)

100 90 80 70 ü Õ ±¨ Î Ê È £ AM1.5£ ©
0.936
´äÈHale Waihona Puke Baidu© ²É ±£ %£
60 50 40 30 20 10 0 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 ¨¤¨ ² ³ £ nm£ ©
单靶溅射技术成本低，用于生活热水，为什么说铝-氮/铝 太阳选择性吸收涂层是性能价格比最优的涂层?
2007年世界太阳能集热器安装量～2830万m2， 中国2300万m2，约占世界81.3%
1 3
2
1 2 3
平板集热器4.65％ 玻璃－金属真空管集 热器3.8% 全玻璃真空管 集热器91.5%
全玻璃真空管集热器91.5%
2007年中国太阳能热水器产品类型份额
光谱太阳选择性吸收涂层
一、传热学有关基础
:
Al - AlNx
Al
玻 璃
磁控溅射铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层。目前仍是低中温太 阳能热利用中吸收涂层性能/价格比最好的。具有自主知识产权。 从发明成果到产业化中的技术创新： 1、开发与制造了第二、三代圆柱形磁控溅射镀膜机 2、开发了圆柱面吸收涂层的太阳吸收比准确测量等技术 3、宜大生产整管涂层色泽均匀，环封口吸收涂层的耐温性好 4、真空烘烤后吸收性能提高
R (1-R)2R (1-R)2R2
垂直透射比细计算
（1-R)R （1-R)R3
T=(1-R)2∑R2n =1-R/1+R=0.923, R=0.04
d
玻璃
1-R （1-R)R2 (1-R)2
＜＜d
多光束，不相干
（1-R)2R2 （1-R)2R4
增透要减反层，要低折射率的介质, k~0
薄膜 Mg AlSiO2 (SiAl) Al2O3 AlNx F2 (N/O/ Ox /AlNx C:H C)-F /(SiAl Oy )NxOy
二次电子
经CDS
加速
反射回并中和为原子 碰撞电离中性原子 一次电子 未碰撞
阳极
（ 2）磁控溅射
B
非反应溅射，Ar
反应溅射, Ar+O2… E
溅射产额(Yield)：每个入射离子溅射出阴极原子数 P、Sigmund 给出产额表达式
y 3.5
Z 1 Z 2
[Z
2/3 1
Z
2 / 3 1/ 2 2
靶1 铜 铝 铂 铝 铜 铜 铜 铝 铝
靶2 不锈钢 不锈钢 铝 不锈钢 铂 不锈钢 不锈钢
靶3
α
ε
年 1982 1988 1984 1998 1984 1986 1997 1986 1988
作者 Harding等 侯苏平等 Thornton等 章其初等 Thornton等 殷志强等 章其初 殷志强等 殷志强等
2 c
图2-6 反常辉光后电阴极位降 与 的实验曲线
三、磁控溅射有关基础 1、 二极溅射
典型的工作条件：氩压强 7.5×10-2 托(10Pa)，溅射镍， 阴极与阳极间距离4.5厘米，电 压 3000V ， 电 流 密 度 ～ 1mA/cm2,沉积率360Å/分
以中性原子返回 阴极 经碰撞返回 碰撞电离，正离子 返回(自溅射效应) 经CDS 正离子 撞击阴极表面 加速 溅射出阴极原子 沉积在基片上
1.4 1.45 ~1.5 1.65 1.80 1.85
SnO2/ TiO2 Cr2O3
折射率 1.4
2.0
2.4
第一代（1985）
第二代（1991）： 30支/
批，立式结构，在管状阴极 中放置环形永久磁铁形成周 期场，生产效率提高，质量 基本稳定，但由于磁场不均 匀，溅射100炉后，阴极呈现 葫芦状，凹处越陷越深，涂 层不均匀，阴极容易穿孔漏 水，材料利用率低。
杂志 Applications of surface sci. 太阳能学报（中国） Solar Energy Materials J. Vac. Sci. Technol. Solar Energy Materials 太阳能学报（中国） 国际会议论文(ISES) 国际会议论文 真空科学与技术
0.925 0.040 0.962 0.056 0.93 0.95 铝 铝 铝 0.96 0.95 0.92 0.05 0.05 0.04 0.07 0.06
太阳吸收比，热发射比 (T)
根据基尔霍夫定律
,,T＝,,T
• 热平衡，表面单色定向发射比等于表面单色定向吸收比
• 不热平衡也成立
漫射表面，,T＝,T 辐射与方向无关 灰表面，,T ＝,T 辐射与波长无关
对于漫灰体，
(T)＝ (T)
太阳光谱相当约6000K黑体表面的辐射， 而普通物体温度低，因而物体的热辐射 和太阳辐射分别在不同的波长范围内，
限，单阴极磁控溅射 有最好的性价比（陆 1999）
太阳吸收比 0.956(AM1.5) ---open end
太阳吸收比 0.946(AM1.5) ---middle
6）吸收层： 层数4层及4层以上称多层或渐变 2～3层称干涉－吸收型
实际都是干涉－吸收型
当 厚度 波长，多光束, 相 干， - 0.3~3µ d-20nm~40nm ,
假定入射到固态块材物体表面的辐射能为Qi
Qi Q


Q
Q
根据能量守恒定律 ＋R ＋ ＝1 分别称为单色吸收比，单
色反射比和单色透射比
＋R＋＝1
=Q / Qi ＝0
式中
R=Q R / Qi =Q / Qi
分别称为吸收比，反射比和透射比
＝1－ R
物体对太阳的平均吸收比，简称太阳吸收比
GB/T 17049–2005
序号 参数名称 符号 合格值 最佳值 （生活 用） 0.92 0.06 0.91 最佳值 （中高温 用） 0.95 0.04 0.95 增透膜 5×10- 3
1 2 3 4
太阳吸收比 (AM1.5) 发射比 (80℃) 罩管太阳透射比 (AM1.5) 管内气体压强 (Pa)
图2-2
3、辉光放电的外貌与参量分布
• 阴极暗区(Cathode Dark Space)电子的能量大于激发电
位，激发几率小，发光弱，衬托成暗区。电子能量大于气
体粒子电离能量，产生大碰撞电离与电子雪崩过程。
• 负辉区(Negative Glow)发光最强。电子在阴极暗区由于 碰撞电离失去很多能量，同时还在电场中获得能量，在这 区内负空间电荷积累，电场趋于零。产生许多激发碰撞， 因而产生明亮的辉光。 • 正光柱区(Positive Column)出现均匀的光柱。电场沿管 轴方向分布是均匀的，区内电子密度与离子密度相等，为
1、维恩（Wien） 定律，1891年，用热 力学推出黑体辐射的 峰值波长max 与绝对 温度T关系
maxT=2897.6 ( K) max(6000K)=0.48
太阳辐射达地面的光谱
试算max – 80 ℃, 150
℃, 250 ℃
2、普朗克(Planck)定律，
1900年，用量子力学，揭示了黑 体辐射光谱规律
四、金属学与结晶化学有关基础 五、物理光学有关基础 N=n-ik 复折射率
单界面, R=(n1)2/(n+1)2, n=1.5, R=0.04 双界面, R＝0.08, 普通玻璃最大透射比0.92 1
n 折射率; k 消光系数；K＝0 无吸收；k＞0，有吸收 无吸收玻璃， K＝0, 光垂直入射，
第三代（1998）：立式结构，
开发创新了大回路闭合溅射轨迹 柱状磁控阴极，磁场绕阴极轴旋 转，俗称旋转磁场。阴极在溅射
中均匀剥蚀，使阴极材料利用率
增加约8倍，镀层均匀，质量稳定， 生产工艺已实现自动控制。
磁控溅射渐变铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层
1985年申请发明专利，1987年授权
AlNx
AlNx-Al
1、性能：吸收比，发射比 Au , Ag , Cu, Al, Ni, Mo…. 复合层（陶瓷层） 2、Al材，Ar, N2 价低
3、单阴极（靶）
1980年以来，经历了双靶、三靶发展到铝单靶磁控 溅射技术，制备太阳选择性吸收涂层
1997 ~ 2003 AR/ Al-AlNOx/Al/glass 生产上 0.93 ~ 0.95 0.05~0.06 涂层的反射曲线接近理论
= 物体吸收的投射在它上面的太阳辐照度/太阳辐照度
= G / G G — 物体吸收的太阳辐照度 G — 太阳辐照度 (W/m2)
绝对黑体简称黑体，它是对任何波长和任意方向的 入射辐射完全吸收的物体，即＝1。自然界不存在绝对黑 体，只有少数如碳黑等表面，以及空腔壁上小孔接近于黑 体。黑体不仅是吸收能力最大的物体，也是发射能力最大 的物体，在相同的温度条件下，黑体在各方向上所发射各 波长的辐射能比任何其他物体都多。此外，黑体的发射和 吸收与方向无关。 实际物体的辐射力与同温度条件下黑体辐射密度的 比值称为物体的发射比，小于1。这里的辐射密度是指 在半球发射的总辐射力，因此称为半球发射比，
]
S n (E) M1 M1 M 2 U 0
其中Z1与Z2分别为入射离子与靶原子的原子序数；M1与M2为 入射离子与靶原子的质量；U0为靶材原子表面结合能 (Binding Energy)， U0小。靶材汽化温度低，产额大； Sn(E)为传递至靶用于溅射的相对能量，称靶扣留功率 (Stopping power)。
d «
AM 0 AM1.5
大气层 地球表面
AM1.5 AM0 AM1 s= 41.8°
VIS
0.824
0.843
0.871
0.926
太阳吸收比（AM1.5）
0.3
1
2
3
两吸收亚层的发射比小
太阳选择性吸收 涂层专利初讨一例 20081118为专利审 查员报告
圆管
铝靶
金属靶
AlN
M
靶
玻璃管 遮挡屏
等离子体。电场强度比阴极区小几个数量级
3、正常辉光与反常辉光放电
正常辉光放电时，阴极电流密度是恒定的，阴极部 /p jc U正常辉光放电时，阴极电流密度是恒定的，阴极部分表面发射电子，当放电电流增加，阴极发射电子面积随之增大，而放电电压保持 分表面发射电子，当放电电流增加，阴极发射电子面积随 不变，一直到阴极 之增大，而放电电压保持不变，一直到阴极全部表面发射 电子为止。典型的阴极位降为150-400伏。
这样可以设计与制造一个表面，对太阳
光有高的吸收比，而表面的发射比低，
称为太阳选择性吸收表面
二、气体放电有关基础
直流辉光放电 1、放电管的阴极C和阳极A均为具 2
有10cm 面积的圆形平板铜电极，极 间距离为50cm，充133Pa压强的氖气。
AB段包括被激导电及非自持的暗放电两
种放电形式。BC段是自持的暗放电。EF段为
0.933 0.055
铝
铝
0.954
0.955
0.06
0.04
1991
1997
殷志强等
杨晓继等
中国科学A辑
太阳能学报（中国）
太阳选择性吸收涂层生产工艺 中的几个问题
1）玻璃管的清洗：烘干；热风干 节能 2）夏天易掉膜，因湿度大 3）本底：3 x 10-2 ~ 6 x 10-3 Pa；调节流阀； 30～60sccm，0.3 ~ 0.5Pa 4）靶冷却水温，入口水温在25～28 ℃，春、 秋季环温适宜 5）环封口退火后，膜变色
黑体辐射力与T(K)及波长 关系
E(,T) ~ ,T – 微米 E(,T) –黑体温度为T时
的单色辐射力(W/m2 )，
辐射力，单位时间内，物体的每 单位面积向半球空间所发射全波 长的总能量 W/m2 ，（功率密度， 辐照度有同量纲）；
将E(,T) 对波长求极值得到Wien表达式
3、入射到固态块材物体表面的辐射能
正常辉光放电，FG段为反常辉光放电，H点的 右侧为弧光放电，这三段均为稳定的放电形
式。GH段为反常辉光放电到弧光放电之间的
过渡区。
2、放电着火条件
电子在电场中运动，获能，电子碰撞气体原 子、分子，能量交换，引起原子、分子电离。 当一个电子从阴极跑向阳极时，顺序发生第 1,2,3,4…次碰撞电离， 相应的向阳极运动 的电子数增加到 2,4,8,16…个。 电子愈走愈多， 像雪崩式增长。 称电子雪崩。
p
0.86 0.080 0.89
5×10-2 5×10- 3
谢 谢