DE102011001525A1 - Method for manufacturing selectively absorbing titanium nitride layer for solar energy absorber utilized for e.g. swimming pools, involves manufacturing suspension by selectively absorbing nitride powders and binder in solvent - Google Patents

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Prof. Dr. Clasen Rolf
Daniela Petri
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Abstract

The method involves manufacturing a suspension by selectively absorbing electrically conductive nano-scale titanium nitride powders and a weak infrared-absorbing binder in a solvent, which is applied and dried to a substrate e.g. aluminum sheet, where the suspension comprises 2 to 5 weight-percentage of titanium nitride powder and 2 to 7 weight-percentage of binder. The binder is selected from a group consisting of organosilanes i.e. tetraethyl orthosilicate (TEOS), and fluoridated organosilanes. The solvent is selected from a group consisting of water and hydrous solvent e.g. ethanol.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und die Verwendung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing a selectively absorbing titanium nitride layer and the use of the method.

Die selektive Solarabsorberschicht stellt den wichtigsten Teil einer thermischen Solarkollektoranlage dar. Sie absorbiert die einfallende Sonnenstrahlung, erwärmt sich und gibt diese Wärme an ein Trägermedium weiter. Die kostenlose Energie der Sonne läßt sich somit sammeln, konzentrieren und an anderer Stelle als thermische Energie nutzen. Das System läßt sich sowohl großtechnisch als auch im Kleinen als Warmwasserquelle auf dem Dach eines Eigenheims nutzen.The selective solar absorber layer represents the most important part of a thermal solar collector system. It absorbs the incident solar radiation, heats up and transfers this heat to a carrier medium. The free energy of the sun can thus be collected, concentrated and used elsewhere as thermal energy. The system can be used both on a large scale and on a small scale as a hot water source on the roof of a home.

Die Solarabsorber werden nach ihrer Arbeitstemperatur in vier Klassen eingeteilt:

  • a. Niedrig-Temperatur-Anwendungen (T < 60°C), z. B. zur Beheizung von Schwimmbädern,
  • b. Mittlerer Temperaturbereich (60°C < T < 150°C), z. B. Flachkollektoren zur Brauchwassererwärmung,
  • c. Hochtemperaturanwendungen (150°C < T < 300°C), d. h. konzentrierende Systeme, wie Parabolrinnen, z. B. zur Dampferzeugung für Dampfturbinen, die einen Generator antreiben und so elektrischen Strom erzeugen,
  • d. Höchst-Temperaturbereich (T bis 1.000°C), d. h. Energietürme („solar thermal power plants”, z. B. zur Erzeugung von Strom über die thermoelektrische Wandlung oder von Prozeßwärme zur Wasserspaltung.
The solar absorbers are divided into four classes according to their working temperature:
  • a. Low temperature applications (T <60 ° C), eg. B. for heating swimming pools,
  • b. Medium temperature range (60 ° C <T <150 ° C), z. B. flat panels for domestic water heating,
  • c. High temperature applications (150 ° C <T <300 ° C), ie concentrating systems, such as parabolic troughs, e.g. B. for steam generation for steam turbines, which drive a generator and thus generate electricity,
  • d. Maximum temperature range (T up to 1,000 ° C), ie energy towers ("solar thermal power plants", eg for the generation of electricity via the thermoelectric conversion or process heat for water splitting.

Die selektiven Solarabsorberschichten, die hier betrachtet werden sollen, liegen in dem mittleren Temperaturbereich, d. h. im Durchschnitt wird der Kollektor bei T < 100°C betrieben, wobei die maximalen Stillstandstemperaturen jedoch bei ca. 200°C liegen. Das Absorbermaterial soll im Wellenlängenbereich bis 2,5 μm absorbieren, oberhalb von 2,5 μm aber reflektieren.The selective solar absorber layers to be considered here are in the middle temperature range, i. H. on average, the collector is operated at T <100 ° C, but the maximum standstill temperatures are around 200 ° C. The absorber material should absorb in the wavelength range up to 2.5 μm, but should reflect above 2.5 μm.

Derartige, selektiv absorbierende Schichten sind schon lange bekannt und werden in den am Markt erhältlichen Solarkollektoren seit Jahren eingesetzt. Eines der bekanntesten Schichtsysteme besteht aus Titannitrid (TiN). Gesputterte Titannitrid-Schichten wurden bereits in den 70er Jahren auf ihre Eignung als selektive Schichten hin untersucht. In der US 4,098,956 A wird die Herstellung eines selektiven Absorbers, bestehend aus einem Stahlsubstrat, darauf eine gesputterte Titanschicht, darauf eine gesputterte Silberschicht und als Oberstes eine gesputterte TiNy-Schicht (ca. 160 nm) beschrieben. Die berechnete Absorption für AM 2 liegt bei α = 0,88 und die Emission bei ε(600 K) = 0,065. In J. C. Francois, G. Chassaing, P. Gravier, R. Pierisnard und A. M. Bonnot, „Reflexivity of ScNx thin films; comparison with TiNx, TiNxCy and ZrNx coatings and application to the photothermal conversion of solar energy”, Thin solid films 127 (1985) 205–214 werden ebenfalls über reaktives Sputtern hergestellte TiN-Schichten auf ihre Eigenschaften als intrinsiche selektive Solarabsorber untersucht. Es konnte für eine 0,5 μm dicke Schicht eine Absorption von α = 0 m 56 und eine Emission bei 700 K von ε = 0,18 gemessen werden.Such, selectively absorbing layers have long been known and are used in the solar collectors available on the market for years. One of the best-known coating systems consists of titanium nitride (TiN). Sputtered titanium nitride layers were investigated for their suitability as selective layers in the 1970s. In the US 4,098,956 A the production of a selective absorber, consisting of a steel substrate, thereon a sputtered titanium layer, thereon a sputtered silver layer and as the ultimate a sputtered TiN y layer (about 160 nm) is described. The calculated absorption for AM 2 is α = 0.88 and the emission at ε (600 K) = 0.065. JC Francois, G. Chassaing, P. Gravier, R. Pierisnard and AM Bonnot, "Reflexivity of ScN x thin films; Comparison with TiN x , TiN x Cy and ZrN x coatings and application to the photothermal conversion of solar energy ", Thin solid films 127 (1985) 205-214 are also investigated by reactive sputtering TiN layers on their properties as intrinsiche selective solar absorber , It was possible to measure an absorption of α = 0 m 56 and an emission at 700 K of ε = 0.18 for a 0.5 μm thick layer.

Aus M. Lazarov, „Prozeßwärme mit Temperaturen über 200°C aus der globalen Sonnenstrahlung durch selektive TiNxOy Interferenzabsorber”, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 6, Vol. 296. (1993), Düsseldorf, VDI-Verlag , ist die Herstellung von TiNxOy-Schichten über einen „Activated Reactive Evaporation-Prozeß” bekannt, die nach Weiterentwicklung und Optimierung in Solarkollektoren unter dem Handelsnamen TiNOX® kommerziell erhältlich sind. Diese Mehrschichtsysteme erreichen eine Absorption von α = 0,947 und eine Emission bei 100°C von ε = 0,036 in der zertifizierten Messung. Bei diesen Schichten handelt es sich um Interferenzabsorber, die eine besonders steile Absorptionskante ermöglichen. Schon eine kleine Abweichung der Schichtdicke oder Oberflächenrauhigkeiten führen zu Einbußen im Wirkungsgrad. Außerdem findet die Abscheidung im Vakuum statt, was zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten der Beschichtungsanlage führt.Out M. Lazarov, "Process heat with temperatures above 200 ° C from global solar radiation through selective TiNxOy interference absorbers", Progress Reports VDI, Series 6, Vol. 296. (1993), Dusseldorf, VDI-Verlag , the production of TiN x O y layers via an "Activated Reactive Evaporation Process" known, which are commercially available after further development and optimization in solar collectors under the trade name TiNOX ® . These multilayer systems achieve an absorption of α = 0.947 and an emission at 100 ° C of ε = 0.036 in the certified measurement. These layers are interference absorbers that allow a particularly steep absorption edge. Even a small deviation of the layer thickness or surface roughness leads to losses in the efficiency. In addition, the deposition takes place in a vacuum, which leads to high acquisition and operating costs of the coating system.

Andere Anwendungen für TiN-Schichten sind ebenfalls lange bekannt. Ein Beispiel sind Verschleißschutzschichten. TiN ist metallisch leitend und weist eine goldgelbe Farbe auf, da die Plasmakante der freien Elektronenabsorption im sichtbaren Spektralbereich liegt. Daher werden TiN-Schichten auch als verschleißfeste Dekorschichten an Stelle mechanisch empfindlicher Goldschichten eingesetzt.Other applications for TiN layers have also been known for a long time. An example is wear protection layers. TiN is metallically conductive and has a golden yellow color since the plasma edge of the free electron absorption lies in the visible spectral range. Therefore, TiN layers are also used as wear-resistant decorative layers instead of mechanically sensitive gold layers.

Nanoskalige TiN-Pulver sind jedoch im sichtbaren Spektralbereich (VIS) schwarz (Plasmonenresonanz). Die Synthese des TiN-Nanopulvers kann prinzipiell über drei verschiedene Wege erfolgen:

  • a. Direkte Nitrierung des metallischen Titans bei T > 1.200°C Ti + ½N2 → TiN
  • b. Nitrierung des metallischen Titans mit Ammoniak bei T > 1.200°C Ti + NH3 → TiN + 3/2H2
  • c. Gasphasensynthese von Titantetrachlorid bei T = 1.000°C in Wasserstoff- oder Stickstoffatmosphäre 2TiCl4 + 4H2 + N2 → 2TiN + 8HCl
However nanoscale TiN powders are black in the visible spectral range (VIS) (plasmon resonance). The synthesis of the TiN nanopowder can in principle be carried out in three different ways:
  • a. Direct nitration of the metallic titanium at T> 1,200 ° C Ti + ½N 2 → TiN
  • b. Nitration of the metallic titanium with ammonia at T> 1,200 ° C Ti + NH 3 → TiN + 3 / 2H 2
  • c. Gas phase synthesis of titanium tetrachloride at T = 1,000 ° C in hydrogen or nitrogen atmosphere 2TiCl 4 + 4H 2 + N 2 → 2TiN + 8HCl

Weitere Herstellungsverfahren durch Abwandlung dieser Routen sind möglich. Bei der Synthese muß allerdings auf eine sauerstoff- und feuchtefreie Atmosphäre geachtet werden, da sonst eine Oxidation des feinskaligen Pulvers erfolgt. Daher eignet sich zur Herstellung von nanoskaligem TiN-Pulver die Abscheidung aus der Gasphase nach dem CVR(chemical vapour reaction)-Prozess am Besten.Other manufacturing methods by modification of these routes are possible. In the synthesis, however, must be based on an oxygen and moisture-free atmosphere, otherwise oxidation of the fine-scale powder takes place. Therefore, for the production of nanoscale TiN powder, the deposition from the gas phase after the CVR (chemical vapor reaction) process is best suited.

TiN kann an Luft oxidiert werden. In M. Prtischow, „Titannitrid- und Titan-Schichten für die Nano-Elektromechanik”, Dissertation, Universität Stuttgart (2007) wird ein Überblick über die Theorien der Oxidation von TiN bei erhöhten Temperaturen gegeben. Die Reaktion TiN + O2 → TiO2 + ½N2 läuft exotherm ab (DG = –580 kJ/mol). Bei erhöhten Temperaturen (T > 400°C) wird sich also als Endprodukt immer eine dünne, kristalline TiO2-Schicht auf dem Titannitrid ausbilden. Der Stickstoff wird dabei nach und nach durch den Sauerstoff ersetzt, wobei es über die genauen Zwischenprodukte unterschiedliche Auffassungen gibt. Eine partielle Oxidation des TiN-Pulvers und die Ausbildung von Oxinitriden wäre für die Verwendung als selektiver Solarabsorber wahrscheinlich nicht von Nachteil, da TiNxOy, wie oben beschrieben, bereits kommerziell eingesetzt wird und die gebildete TiO2-Schicht als Antireflexschicht wirken und eine weitere Oxidation behindern kann.TiN can be oxidized in air. In M. Prtischow, "Titanium Nitride and Titanium Layers for Nanoelectromechanics", Dissertation, University of Stuttgart (2007) gives an overview of the theories of the oxidation of TiN at elevated temperatures. The reaction TiN + O 2 → TiO 2 + ½N 2 is exothermic (DG = -580 kJ / mol). At elevated temperatures (T> 400 ° C), therefore, a thin, crystalline TiO 2 layer will always form on the titanium nitride as the end product. The nitrogen is gradually replaced by the oxygen, where there are different views on the exact intermediates. A partial oxidation of the TiN powder and the formation of oxynitrides would probably not be disadvantageous for use as a selective solar absorber, since TiN x O y , as described above, is already used commercially and the TiO 2 layer formed act as an antireflective layer and a can hinder further oxidation.

Eine weitere Möglichkeit, TiNxOy-Pulver herzustellen, ist die partielle Nitrierung von TiO2-Pulver. Aus der DE 34 43 622 C2 ist die Herstellung eines schwarzen Titanoxinitrid-Pigmentpulvers durch die Reaktion von Titanoxid-Pulver mit Ammoniak bei Temperaturen zwischen 550°C und 950°C bekannt. In der US 7,491,349 B2 wird dieses Verfahren in ähnlicher Weise aufgegriffen, wobei das hergestellte TiNxOy-Pulver aber zusätzlich mit einer SiO2-Schicht versehen wird.Another possibility for producing TiN x O y powder is the partial nitration of TiO 2 powder. From the DE 34 43 622 C2 For example, the preparation of a black titanium oxynitride pigment powder by the reaction of titanium oxide powder with ammonia at temperatures between 550 ° C and 950 ° C is known. In the US Pat. No. 7,491,349 B2 this method is taken up in a similar manner, but the produced TiN x O y powder is additionally provided with an SiO 2 layer.

Titannitrid wird als schwach wassergefährdend und leichtentzündlich eingestuft. Für die Verwendung des Nanopulvers sind die üblichen Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Die Handhabung des TiN-Nanopulvers an Luft und in wäßrigen Suspensionen stellt kein Problem dar. Durch die kovalente Bindung besitzt Titannitrid eine hohe Härte und einen hohen Schmelzpunkt (Tm = 2.950°C). Es wird von Salzsäure, Salpetersäure oder Schwefelsäure nicht angegriffen, während es in Königswasser (Gemisch aus Salz- und Salpetersäure) leicht löslich ist.Titanium nitride is classified as slightly hazardous to water and highly flammable. For the use of nanopowder, the usual safety measures must be taken. The handling of the TiN nanopowder in air and in aqueous suspensions is not a problem. Due to the covalent bonding titanium nitride has a high hardness and a high melting point (T m = 2.950 ° C). It is not attacked by hydrochloric acid, nitric acid or sulfuric acid, while it is easily soluble in aqua regia (mixture of hydrochloric and nitric acid).

Die bekannten Lösungen im Stoffsystem TiN sind insofern von Nachteil, als die Herstellung der Schichten über ein Vakuumbeschichtungsverfahren sehr kostenintensiv sind und damit einer preisgünstigen Lösung bei einer Massenproduktion entgegenstehen. Bei dem zu erwartenden Preisdruck ist daher damit zu rechnen, dass die Produktion zunehmend in Niedriglohnländer verlagert wird und somit Arbeitsplätze in Europa verloren gehen.The known solutions in the material system TiN are disadvantageous in that the production of the layers by means of a vacuum coating process is very cost-intensive and thus precludes a cost-effective solution in mass production. Given the expected price pressure, it is therefore to be expected that production will increasingly be relocated to low-wage countries and thus jobs in Europe will be lost.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von selektiv absorbierenden Titannitridschichten zu schaffen.The object of the invention is therefore to provide a simple and inexpensive method for producing selectively absorbing titanium nitride layers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Suspension von selektiv absorbierendem elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulver und einem schwach IR-absorbierenden Binder in einem Lösungsmittel hergestellt wird, die auf ein Substrat aufgetragen und getrocknet wird.This object is achieved in that a suspension of selectively absorbing electrically conductive nanoscale titanium nitride powder and a weakly IR-absorbing binder is prepared in a solvent which is applied to a substrate and dried.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde es ermöglicht, selektiv absorbierende Titannitridschichten über den pulvertechnologischen Ansatz eines selektiv absorbierenden elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulvers, das aufgrund der strukturbedingten Plasmonenresonanz selektiv absorbiert, in Kombination mit einem schwach IR-absorbierenden Binder, der zugleich als Antireflexschicht und/oder Schutzschicht wirken kann, zu schaffen. Die Vorteile der Erfindung bestehen im Wesentlichen in den deutlich niedrigeren Beschichtungskosten, die mit diesem Verfahren zu erreichen sind.In the context of the present invention, it has been possible to selectively adsorb titanium nitride layers via the powder technology approach of a selectively absorbing electrically conductive nanoscale titanium nitride powder, which selectively absorbs due to the structural plasmon resonance, in combination with a weakly IR-absorbing binder, which at the same time as an antireflection layer and / or protective layer can create, create. The advantages of the invention consist essentially in the significantly lower coating costs that can be achieved with this method.

Es ist zweckmäßig, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-% Titannitridpulver enthält.It is expedient that the suspension contains 1 to 20 wt .-%, preferably 2 to 5 wt .-% titanium nitride powder.

Weiterhin ist es sinnvoll, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 7 Gew.-% Binder enthält.Furthermore, it makes sense that the suspension contains 1 to 20 wt .-%, preferably 2 to 7 wt .-% binder.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Organosilanen, insbesondere TEOS, und fluorierten Organosilanen.It is within the scope of the invention that the binder is selected from the group consisting of organosilanes, in particular TEOS, and fluorinated organosilanes.

Der Binder sollte eine geringe Absorption im nahen infraroten Spektralbereich (Wellenlängen von 1 bis 7 μm) aufweisen.The binder should have low absorption in the near infrared spectral range (wavelengths of 1 to 7 μm).

Es wird bevorzugt, dass das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser und wasserfreien Lösungsmitteln, insbesondere Ethanol.It is preferred that the solvent is selected from the group consisting of water and anhydrous solvents, especially ethanol.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Suspension Benetzungsmittel und/oder Entschäumer enthält.It is provided according to the invention that the suspension contains wetting agents and / or defoamers.

Zur Erfindung gehörig ist auch, dass die Suspension im Tauchbeschichtungsverfahren, im Walzenbeschichtungsverfahren oder im Kapillardüsenverfahren auf das Substrat aufgetragen wird.It is also part of the invention that the suspension is applied to the substrate in the dip coating process, in the roll coating process or in the capillary jet process.

Neben hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten (Tauchbeschichtungsverfahren: 0,5 m/min, Walzenbeschichtungsverfahren: 2 bis 3 m/min, Kapillardüsenverfahren: 20 m/min) ermöglichen diese Verfahren den Aufbau von Anlagen mit wesentlich geringeren Investitionskosten, da bei diesen atmosphärischen Verfahren kein Vakuum benötigt wird. In addition to high coating speeds (dip coating method: 0.5 m / min, roller coating method: 2 to 3 m / min, capillary nozzle method: 20 m / min), these methods allow the construction of systems with significantly lower investment costs, since no vacuum is required in these atmospheric processes ,

Zu der Erfindung gehörig ist, dass das Substrat ein Aluminiumblech ist.Belonging to the invention is that the substrate is an aluminum sheet.

Grundsätzlich ist jedes Blech geeignet, das eine hohe Reflektion im infraroten Wellenlängenbereich (ab 2,5 μm) aufweist.Basically, any sheet is suitable, which has a high reflection in the infrared wavelength range (from 2.5 microns).

Weiterhin ist erfindungswesentlich, dass die Suspension mit einer Schichtdicke von 50 bis 2.000 nm, bevorzugt von 100 bis 500 nm aufgetragen wird.Furthermore, it is essential to the invention that the suspension is applied with a layer thickness of from 50 to 2,000 nm, preferably from 100 to 500 nm.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Trocknen der Suspension bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 300°C, vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und 200°C erfolgt.According to the invention it is provided that the drying of the suspension takes place at temperatures between room temperature and 300 ° C, preferably between room temperature and 200 ° C.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von selektiv absorbierenden Titannitridschichten für Solarabsorber liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.The use of the method according to the invention for the production of selectively absorbing titanium nitride layers for solar absorbers is likewise within the scope of the invention.

Da Solarkollektoren zunehmend von Architekten als Gestaltungselement von Fassaden oder Dächern eingesetzt werden, ist es von Vorteil, nicht auf Interferenzsysteme angewiesen, die blickwinkelabhängige Farben zeigen, der für eine Hochskalierung von Solarkollektorflächen entscheidend sein kann.As solar collectors are increasingly being used by architects as a design element of facades or roofs, it is advantageous not to rely on interference systems that exhibit viewing-angle dependent colors that can be critical to scaling up solar collector surfaces.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Beispiel 1:Example 1:

Als Binder wurde vorhydrolysiertes Tetraethylenorthosilicat (TEOS) verwendet. Für einen solchen Ansatz werden 15 ml TEOS, 14 ml Ethanol, 14 ml entionisiertes Wasser und 0,1 ml Schwefelsäure vermischt und auf einem Magnetrührer 24 h bei Raumtemperatur verrührt. Für die Suspension wurden 2,3 Gew.-% Titannitrid-Nanopulver (ABCR GmbH & Co. KG, mittlere Teilchengröße ca. 20 nm) in Wasser eingerührt. Zur Stabilisation wurde der pH-Wert mittels Zugabe von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) auf 10 eingestellt. Des Weiteren wurden 2,3 Gew.-% TEOS-Ansatz (Binder) hinzugegeben. Die Suspension wurde anschließend 15 min bei 30% Amplitude im Ultraschalldesintegrator behandelt.The binder used was prehydrolyzed tetraethylene orthosilicate (TEOS). For such an approach, 15 ml of TEOS, 14 ml of ethanol, 14 ml of deionized water and 0.1 ml of sulfuric acid are mixed and stirred on a magnetic stirrer for 24 h at room temperature. 2.3% by weight of titanium nitride nanopowders (ABCR GmbH & Co. KG, mean particle size about 20 nm) were stirred into water for the suspension. For stabilization, the pH was adjusted to 10 by addition of tetramethylammonium hydroxide (TMAH). Furthermore, 2.3% by weight of TEOS batch (binder) was added. The suspension was then treated for 15 minutes at 30% amplitude in the ultrasonic disintegrator.

Die Suspension wurde mittels Dip-Coating auf Aluminiumsubstrate von ca. 33 mm × 50 mm aufgebracht und 2 h bei 120°C getrocknet.The suspension was applied by dip coating on aluminum substrates of about 33 mm × 50 mm and dried at 120 ° C for 2 h.

Die Spektren von drei Proben, die aus dieser Suspension hergestellt wurden, sind in dargestellt. Die beste Probe hatte eine Absorption von α = 91% und eine Emission von ε = 13%.The spectra of three samples prepared from this suspension are in shown. The best sample had an absorption of α = 91% and an emission of ε = 13%.

Beispiel 2:Example 2:

Als Binder wurde vorhydrolysiertes Tetraethylenorthosilicat (TEOS) verwendet. Für einen solchen Ansatz werden 15 ml TEOS, 14 ml Ethanol, 14 ml entionisiertes Wasser und 0,1 ml Schwefelsäure vermischt und auf einem Magnetrührer 24 h bei Raumtemperatur verrührt. Für die Suspension wurden 2,3 Gew.-% Titannitrid-Nanopulver (ABCR GmbH & Co. KG, mittlere Teilchengröße ca. 20 nm) in Wasser eingerührt. Zur Stabilisation wurde der pH-Wert mittels Zugabe von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) auf 10 eingestellt. Des Weiteren wurden 0,07 Gew.-% Glydol N109, einige Tropfen Contraspum K1012 (beides Fa. Zschimmer & Schwarz) und 2,2 Gew.-% TEOS-Ansatz (Binder) hinzugegeben. Die Suspension wurde anschließend 15 min bei 30% Amplitude im Ultraschalldesintegrator behandelt.The binder used was prehydrolyzed tetraethylene orthosilicate (TEOS). For such an approach, 15 ml of TEOS, 14 ml of ethanol, 14 ml of deionized water and 0.1 ml of sulfuric acid are mixed and stirred on a magnetic stirrer for 24 h at room temperature. 2.3% by weight of titanium nitride nanopowders (ABCR GmbH & Co. KG, mean particle size about 20 nm) were stirred into water for the suspension. For stabilization, the pH was adjusted to 10 by addition of tetramethylammonium hydroxide (TMAH). Furthermore, 0.07% by weight of Glydol N109, a few drops of Contraspum K1012 (both from Zschimmer & Schwarz) and 2.2% by weight of TEOS batch (binder) were added. The suspension was then treated for 15 minutes at 30% amplitude in the ultrasonic disintegrator.

Die Suspension wurde mittels Dip-Coating auf Aluminiumsubstrate von ca. 50 mm × 750 mm aufgebracht und 2 h bei 300°C getrocknet.The suspension was applied by dip coating on aluminum substrates of about 50 mm × 750 mm and dried at 300 ° C for 2 h.

Die Spektren von drei Proben, die aus dieser Suspension hergestellt wurden, sind in dargestellt. Die beste Probe hatte eine Absorption von α = 90% und eine Emission von ε = 16%.The spectra of three samples prepared from this suspension are in shown. The best sample had an absorption of α = 90% and an emission of ε = 16%.

Die Viskositäten der Suspensionen von (Beispiel 1) und von (Beispiel 2) sind in dargestellt.The viscosities of the suspensions of (Example 1) and of (Example 2) are in shown.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 3443622 C2 [0011] DE 3443622 C2 [0011]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • M. Lazarov, „Prozeßwärme mit Temperaturen über 200°C aus der globalen Sonnenstrahlung durch selektive TiNxOy Interferenzabsorber”, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 6, Vol. 296. (1993), Düsseldorf, VDI-Verlag [0006] M. Lazarov, "Process heat with temperatures above 200 ° C from global solar radiation through selective TiNxOy interference absorbers", Progress Reports VDI, Series 6, Vol. 296. (1993), Dusseldorf, VDI-Verlag [0006]

Claims (11)

Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension von selektiv absorbierendem elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulver und einem schwach IR-absorbierenden Binder in einem Lösungsmittel hergestellt wird, die auf ein Substrat aufgetragen und gehärtet wird.A method of making a titanium nitride selectively absorbing layer, characterized in that a suspension of selectively absorbing electrically conductive nanoscale titanium nitride powder and a low IR absorbing binder is prepared in a solvent which is applied to a substrate and cured. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-% Titannitridpulver enthält.A method according to claim 1, characterized in that the suspension contains 1 to 20 wt .-%, preferably 2 to 5 wt .-% titanium nitride powder. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 7 Gew.-% Binder enthält.A method according to claim 1, characterized in that the suspension contains 1 to 20 wt .-%, preferably 2 to 7 wt .-% binder. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Organosilanen, insbesondere TEOS, und fluorierten Organosilanen.A method according to claim 1, characterized in that the binder is selected from the group consisting of organosilanes, in particular TEOS, and fluorinated organosilanes. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser und wasserfreien Lösungsmitteln, insbesondere Ethanol.A method according to claim 1, characterized in that the solvent is selected from the group consisting of water and anhydrous solvents, in particular ethanol. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension Benetzungsmittel und/oder Entschäumer enthält.A method according to claim 1, characterized in that the suspension contains wetting agent and / or defoamer. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension im Tauchbeschichtungsverfahren, im Walzenbeschichtungsverfahren oder im Kapillardüsenverfahren auf das Substrat aufgetragen wird.A method according to claim 1, characterized in that the suspension is applied to the substrate in the dip coating method, in the roll coating method or in the capillary nozzle method. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Aluminiumblech ist.A method according to claim 1, characterized in that the substrate is an aluminum sheet. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mit einer Schichtdicke von 50 bis 2.000 nm, bevorzugt von 100 bis 500 nm aufgetragen wird.A method according to claim 1, characterized in that the suspension with a layer thickness of 50 to 2,000 nm, preferably from 100 to 500 nm is applied. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen der Suspension bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 300°C, vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und 200°C erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the drying of the suspension takes place at temperatures between room temperature and 300 ° C, preferably between room temperature and 200 ° C. Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von selektiv absorbierenden Titannitridschichten für Solarabsorber.Use of the method according to claims 1 to 10 for the production of selectively absorbing titanium nitride layers for solar absorbers.
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