DE102010034901B4

DE102010034901B4 - Solarthermische Anordnung

Info

Publication number: DE102010034901B4
Application number: DE102010034901.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Chen Jie; Prof. Dr. Lux-Steiner Martha Christina
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: CH703652B1; CH703652A2; DE102010034901A1

Abstract

Solarthermische Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat (S) und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht (A), dadurch gekennzeichnet, dass in der lichtabsorbierenden Schicht (A) vertikal freistehende, kegelstumpfförmige ZnO-Stäbe (NR) angeordnet sind, wobei die Höhe der ZnO-Stäbe (NR) größer ist als die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht (A), und die lichtabsorbierende Schicht (A) mit dem darin eingebetteten Teil der kegelstumpfförmigen ZnO-Stäbe (NR) eine Absorberschicht mit sich über ihre Dicke änderndem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen der kegelstumpfförmigen ZnO-Stäbe (NR) eine Antireflexionsschicht bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine solarthermische Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht.
Solarthermische Bauelemente wandeln Sonnenlicht direkt in nutzbare Wärme um. Bekannt sind beispielsweise Vakuumröhrenkollektoren, Flachkollektoren und solare Speicher. So sollen Kollektorröhren möglichst effizient Licht einkoppeln, in Wärme umwandeln und die erzeugte Wärme in ein Wärmeträgermedium (z. B. Wasser oder Öl) leiten.
Bekannt sind dem Stand der Technik nach Vakuumkollektorröhren, bei denen zwei konzentrisch ineinander angeordnete Röhren einen geschlossenen Raum bilden, der evakuiert ist. Die äußere Wandung der inneren Röhre ist mit einer selektiven, lichtabsorbierenden Beschichtung versehen. In dieser in DE 298 01 531 U1 beschriebenen Anordnung erfolgt der Wärmeübergang von der absorbierenden Schicht auf der Außenseite der inneren Röhre auf das direkt an der Innenseite der inneren Röhre vorbeiströmende Wärmemedium.
In US 4 148 294 A wird eine Schichtstruktur für eine Kollektorplatte beschrieben, bei der auf einem Substrat aus purem Aluminium eine Schicht aus Aluminiumoxid mit Poren aufgebracht ist. In diesen Poren sind Nickelstäbe angeordnet, die aus der Aluminiumoxidschicht herausragen und voneinander beabstandet sind. Diese Nickelstäbe bilden in der Schichtstruktur den Absorber.
Die bekannten Lösungen zur Lichteinkopplung brachten zwar eine Verbesserung, jedoch sind diese nur mit technischem Aufwand zu realisieren. Ein weiteres Problem sind die Reflexionen der Sonnenstrahlen bei fehlender Entspiegelung.
In den letzten Jahren wurden Strukturen im Nanometer-Bereich verschiedener Materialien auf ihre Eigenschaften und ihre Anwendungsmöglichkeiten untersucht.
In dem Artikel „ZnO Nanostructures as Efficient Antireflection Layers in Solar Cells“ von Lee et al. in Nano Lett., Vol. 8, No. 5, 2008, 1501–1505 wird über ZnO-Nanostrukturen, gewachsen auf einer auf einem Substrat angeordneten Keimschicht aus einer Lösung bei niedrigen Temperaturen, als effiziente Antireflexionsschichten in Solarzellen berichtet, um die Lichteinkopplung in die aktive Region des Bauelements zu verbessern.
In dem Artikel „Fabrication of ZnO Nanorods and Nanotubes in Aqueous Solutions“ von Li et al. in Chem. Mater. 2005, 17, 1001–1006 wird zur Herstellung von ZnO-Nanoröhren ein zweistufiger Prozess angewendet, bei dem zunächst eine gleichmäßige Keimschicht mittels ALD (Atomic Layer Deposition) auf ein beliebiges Substrat abgeschieden wird, auf der anschließend in einer wässrigen Lösung zweidimensionale ZnO-Nanostäbchen aufgewachsen werden.
Ein einstufiges Verfahren zur Herstellung von ZnO-Nanostäbchen mit hohem inneren Quantenwirkungsgrad mittels Elektrodeposition in wässriger Lösung aus Zn(NO₃)₂ und HNO₃ oder NH₄NO₃ oder NH₃ ist in WO 2009/ 103 286 A2 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine solarthermische Anordnung anzugeben, die eine vom Einstrahlwinkel des Sonnenlichts unabhängige Lichteinkopplung bei – im Vergleich zum Stand der Technik – verringerter Reflexion gewährleistet und die im Vergleich zum Stand der Technik weniger aufwändig in ihrer Herstellung ist.
Die Aufgabe wird für eine solarthermische Anordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei sind in der lichtabsorbierenden Schicht vertikal freistehende, kegelstumpfförmige ZnO-Stäbe angeordnet. Die Höhe der ZnO-Stäbe ist dabei größer als die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht. Die lichtabsorbierende Schicht mit dem darin eingebetteten Teil der ZnO-Stäbe bildet eine selektive Absorberschicht, die eine hohe Absorption und eine geringe Reflexion aufweist, mit sich über ihre Dicke änderndem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen der ZnO-Stäbe eine Antireflexionsschicht. Die als Antireflexionsschicht wirkenden ZnO-Stäbe vergrößern durch ihre Wirkung unabhängig vom Einstrahlungswinkel den Anteil des einfallenden Lichts, der absorbiert wird und damit zusätzlich für die direkte Einkopplung und Wärmeumwandlung im Substrat zur Verfügung steht.
In Ausführungsformen ist vorgesehen, das Substrat aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl zu bilden oder aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Glas oder einem Polymer, und einer darauf angeordneten elektrisch leitenden Schicht. Diese elektrisch leitende Schicht ist eine TCO-Schicht oder eine Metallschicht. Das Substrat kann röhrenförmig oder flach für die Aufnahme des Wärmeträgermediums ausgebildet sein.
Es ist vorgesehen, dass die ZnO-Stäbe einen Durchmesser von 30 bis 500 nm und eine Länge von 100 bis 3.000 nm aufweisen. Der Abstand der ZnO-Stäbe zueinander liegt im Nanometerbereich und beträgt insbesondere 10 nm bis einige 100 nm.
Die Herstellung der ZnO-Nanostäbe kann nach dem in WO 2009/ 103 286 A2 beschriebenen Verfahren erfolgen.
Die lichtabsorbierende Schicht kann beispielsweise aus CdO oder schwarzer Farbe oder einem Gemisch aus TiO₂ und TiN oder Silizium gebildet sein.
Die Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel anhand einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch eine Schichtenfolge einer erfindungsgemäßen solarthermischen Anordnung.
In der Figur ist eine ca. 120 nm dicke Schicht aus ITO auf einer Glasröhre angeordnet, wobei ITO-Schicht und Glasröhre das Substrat S bilden. Auf dem Substrat S befindet sich eine 1.500 nm dicke lichtabsorbierende Schicht A aus Si. In dieser Si-Schicht A sind kegelstumpfförmige ZnO-Stäbe NR angeordnet, die eine Länge von 2.500 nm aufweisen.
Durch die von ZnO-Stäben NR und lichtabsorbierender Schicht A gebildete Absorberschicht mit über ihre Dicke variierendem Brechungsindex und die aus der lichtabsorbierenden Schicht A hervortretenden Spitzen der ZnO-Stäbe NR wird ein größerer Anteil des einfallenden Lichts absorbiert, der für die direkte Einkopplung und Wärmeumwandlung im Substrat S zur Verfügung steht.

Claims

Solarthermische Anordnung, mindestens aufweisend ein Substrat (S) und darauf angeordnet eine lichtabsorbierende Schicht (A), dadurch gekennzeichnet, dass in der lichtabsorbierenden Schicht (A) vertikal freistehende, kegelstumpfförmige ZnO-Stäbe (NR) angeordnet sind, wobei die Höhe der ZnO-Stäbe (NR) größer ist als die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht (A), und die lichtabsorbierende Schicht (A) mit dem darin eingebetteten Teil der kegelstumpfförmigen ZnO-Stäbe (NR) eine Absorberschicht mit sich über ihre Dicke änderndem Brechungsindex und die aus der Absorberschicht hervortretenden Spitzen der kegelstumpfförmigen ZnO-Stäbe (NR) eine Antireflexionsschicht bilden.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) gebildet ist aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) gebildet ist aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Glas oder einem Polymer, und einer darauf angeordneten elektrisch leitenden Schicht.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht eine TCO-Schicht oder eine Metallschicht ist.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) röhrenförmig oder flach ausgebildet ist.
Solarthermische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ZnO-Stäbe (NR) einen Durchmesser von 30 bis 500 nm und eine Länge von 100 bis 3.000 nm aufweisen.