DE102011083166A1 - Verbundmaterial mit spektral selektivem Mehrschichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial mit spektral selektivem Mehrschichtsystem 2 für Solarkollektoren und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Mehrschichtsystem 2 einen metallischen Träger 1 umfasst, auf welchem ein Schichtsystem angeordnet ist, welches eine metallische IR-Reflexionsschicht 9, darüber liegend einen Absorber zur Absorption solarer Strahlung und darüber liegend eine transparente Deckschicht 14 aufweist. Um ein Mehrschichtsystem 2 anzugeben, dessen Absorber nicht auf Chrom basiert und dessen Absorptionswerte im Bereich von 95% und größer sowie Emissivitätswerte im Bereich von 5% und kleiner liegen, wird der Absorber mit einer unteren Teilschicht 10, welche ein Nitrid von Aluminium enthält, sowie einer oberen Teilschicht 12, welche ein Nitrid einer Silizium-Aluminium-Verbindung enthält, abgeschieden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung mit spektral selektivem Mehrschichtsystem, welches eine hohe Absorption im Bereich der Solarstrahlung und eine hohe Reflexion im infraroten Spektralbereich, gleichbedeutend mit einer geringen Emissivität in diesem Bereich, aufweist.
  • Derartige Reflektor-Absorber-Tandems werden für Solarkollektoren benötigt, die sich durch eine hohe Energieaufnahme im gesamten solaren Spektrum im Wellenlängenbereich zwischen 0,3 und ca. 2,5 µm und eine geringe Wärmeabstrahlung, d.h. Emissionen im langwelligen IR-Bereich auszeichnen. Diese Art des spektral selektiven Verhaltens ermöglicht es, die solar zur Verfügung stehende Energie im Solarkollektor aufzunehmen und über Wärmeableitung durch dessen Trägermaterial und Wärmeübertragung auf ein Wärmeableitungssystem, das auf der Rückseite des Verbundmaterials angeordnet ist, einer Nutzung zuzuführen.
  • Es gibt verschiedene Verbundmaterialien, die diese Forderung erfüllen. Ein gattungsgemäßes Verbundmaterial besteht aus einem gut wärmeleitendem Trägermaterial, z.B. Kupfer, Aluminium oder Stahl, das sich zudem gut verarbeiten lässt und eine hohe thermische und chemische Langzeitbeständigkeit aufweist. Auf dem Träger ist, gegebenenfalls auf einer oder mehreren Zwischenschichten, eine IR-Reflexionsschicht angeordnet, die mehrere Teilschichten aufweisen oder als gradierte IR-Reflexionsschicht abgeschieden sein kann. Über der IR-Reflexionsschicht ist ein Absorber angeordnet, der ebenfalls in Teilschichten oder gradiert ausgeführt sein kann. Das selektive Mehrschichtsystem wird durch eine, gegebenenfalls auch mehrteilige, Deckschicht abgeschlossen, die hohe Transparenz, eine mechanische und chemische Beständigkeit aufweist und darüber hinaus meist auch als Antireflexionsschicht dient.
  • Die IR-Reflexionsschicht weist eine hohe Reflexion und damit eine geringe Emissivität im Infrarotbereich auf und besteht meist aus Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Aluminium und/oder Molybdän. Für den darüber angeordneten Absorber sind verschiedene Ansätze bekannt. Z.B. werden chromoxidische Schichten oder Schichtsysteme verwendet, die auch mit chromnitridischen Komponenten kombiniert sein können. Andere Absorber, die die Verwendung von Chrom und damit die mögliche Freisetzung von gesundheitsschädlichem Chrom(IV) umgehen, basieren auf der Verwendung von Aluminium. So sind z.B. auf Kupferträger aufgebrachte Al-AlNx-AlN-Schichtsysteme bekannt, die effektiv und beherrschbar herzustellen sind. Jedoch entsprechen solche Absorbersysteme nicht mehr den gegenwärtigen Effizienzforderungen, die Absorptionswerte im Bereich von 95% und größer sowie Emissivitätswerte von 5% und kleiner nennen.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein spektral selektives Mehrschichtsystem für Solarkollektoren anzugeben, dessen Absorber nicht auf Chrom basiert und dessen Absorptionswerte im Bereich von 95% und größer sowie Emissivitätswerte im Bereich von 5% und kleiner liegen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verbundmaterial der gattungsgemäßen Art, dessen Absorber auf der Basis von besser zu verarbeitendem und weniger umweltschädlichem Aluminium derart ausgeführt ist, dass der Absorber zumindest zwei Teilschichten umfasst, eine untere Teilschicht, welche ein Nitrid von Aluminium enthält, sowie eine obere Teilschicht, welche ein Nitrid einer Silizium-Aluminium-Verbindung enthält.
  • Die Abscheidung des Mehrschichtsystems erfolgt erfindungsgemäß mittels geeigneter PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition). Insbesondere das Sputtern und das Vakuumbedampfen, z.B. das Elektronenstrahlverdampfen sind verwendbar. Die PVD-Verfahren zeichnen sich durch die Verwendung für Durchlaufanlagen und die reproduzierbare Prozessierbarkeit für beständige und haftfeste Schichten sowie die gezielte Einstellung der Eigenschaften der einzelnen Schichten des Mehrschichtsystems aus. So sind die Teilschichten des Absorbers mittels reaktivem Sputtern oder Sputtern von einem keramischen Target, Letzteres ohne oder mit nur geringem Reaktivgasanteil im Arbeitsgas, abscheidbar.
  • In Verbindung mit den bekannten IR-Reflexionsschichten und einer geeigneten dielektrischen, transparenten erweist sich das Mehrschichtsystem insbesondere für metallische Träger langzeitbeständig und zudem als effektiv und kostengünstig im Durchlaufverfahren herstellbar.
  • Gegebenenfalls können zwischen dem Mehrschichtsystem und dem Substrat eine oder mehr Zwischenschichten angeordnet werden. Z.B. können Haftschichten zur besseren Haftung des Mehrschichtsystems auf dem Träger vorteilhaft sein. Die Zwischenschichten können ergänzend oder alternativ auch eine mechanisch schützende und/oder korrosionshemmende Funktion haben. Für Aluminiumträger ist z.B. eine Aluminiumoxidschicht geeignet. Diese kann unter anderem auch in einem nasschemischen Prozess, z.B. dem Eloxieren aufgebracht werden, welches eine anodische Oxidation und ein elektrolytisches Glänzen umfasst.
  • Auch die Rückseite kann eine Schicht aufweisen. Diese kann z.B. dem Korrosionsschutz sowie der Verringerung dessen Emissivität dienen. Auch hierfür ist z.B. Eloxal geeignet.
  • Als IR-Reflexionsschicht kommen die bekannten Metalle in Betracht, die eine hohe Reflexion im IR-Bereich aufweisen. Dies sind insbesondere Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan. Auch andere Metalle sind verwendbar.
  • Darüber hinaus sind mit dem erfindungsgemäßen Absorber Energiereflexionsgrade, gemessen nach der Norm EN 410, ISO 9050, von 0,05 und kleiner zu erzielen. Der thermische Emissionsgrad ε beträgt auf der Rückseite des Verbundmaterials 0,3 und kleiner. Auch Werte im Bereich von bis zu 0,1 sind erzielbar. Für die Vorderseite des Verbundmaterials, welche der Energieeinstrahlung zugewandt ist, werden thermische Emissionsgrad ε von 0,05 und kleiner erzielt.
  • Die Deckschicht ist transparent und wirkt entspiegelnd, so dass der Anteil der durch den Absorber absorbierten Strahlung erhöht werden kann. Zudem wirkt die Deckschicht mechanisch und chemisch schützend.
  • Vorteilhaft erweist es sich, wenn entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung die untere Teilschicht als Gradientenschicht von AlNx mit 0 ≤ x ≤ 1 ausgebildet ist, da mittels des Stickstoffanteils die optischen Eigenschaften der unteren Teilschicht variiert und damit des gesamten Mehrschichtsystems optimiert werden können. Eine Gradierung der unteren Teilschicht kann durch einen mehrschichtigen Aufbau der Teilschicht mit voneinander abweichender Zusammensetzung der Einzelschichten oder durch eine stetige Änderung der Stickstoffgehalts innerhalb einer einzigen Schicht erzielt werden.
  • Vergleichbar kann entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch die obere Teilschicht als Gradientenschicht ausgebildet sein, um die optischen Eigenschaften des Absorbers und des Mehrschichtsystems zu variieren. Dabei ändert sich die Schichtzusammensetzung von der unteren Teilschicht zur Deckschicht von AlN zu Si3N4. Auch diese Gradierung ist wie oben beschrieben durch separate Einzelschichten oder eine einzige Schicht erzielbar.
  • Als vorteilhaft hat es sich darüber hinaus erwiesen, wenn die Silizium-Aluminium-Verbindung der oberen Teilschicht und/oder die untere Teilschicht des Mehrschichtsystems ergänzend oder alternativ zu den vorstehend dargelegten Ausgestaltungen Titan enthält. Z.B. (Ti:Al)N ist eine geeignete Hartstoffschicht, die von einem Ti:Al-Target, aufgrund der guten Werkstoffeigenschaften des Targetmaterials, vergleichbar Ti:Si-Targets, auch von einem massiv ausgebildeten Rohrtarget, effektiv abscheidbar ist. Auch in diesen Ausführungsformen kann die obere, Titan enthaltende Teilschicht als Gradientenschicht, in separaten Einzelschichten oder einer einzigen Schicht, ausgebildet sein, so dass die Schichtzusammensetzung beispielsweise von (Ti:Al)N zu Si3N4 gradiert. Zur Gradierung kann die Abscheidung von einem Ti:Al-Target, kombiniert mit einem Si-Target erfolgen, wobei auch Letzteres Aluminium-Anteile aufweisen kann.
  • Auch für die Abscheidung der verschiedenen, ein- oder mehrteiligen Gradientenschichten erweist sich das Sputterverfahren als vorteilhaft, da über die Targetmaterialien und die Prozessführung das Verhältnis der Materialanteile gut einstellbar ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens besteht die Deckschicht aus einem Oxid oder Oxinitrid eine Metalls oder Halbleiters oder Legierungen davon enthält und einen Brechungsindex von kleiner 1,7 aufweist. Damit steht eine gut prozessierbare, hochtransparente, und mechanisch und chemisch beständige Deckschicht zur Verfügung, deren Brechungsindex über den Sauerstoff- und/oder Stickstoffgehalt gut einstellbar ist. Bevorzugt ist der Brechungsindex niedrigbrechend, bevorzugt kleiner 1,7, so dass deren Antireflexionswirkung in Abhängigkeit vom Brechungsindizex der angrenzenden Schicht optimierbar ist.
  • Z.B. kann die Deckschicht ein Oxid oder Oxinitrid von Silizium-Aluminium enthalten und als Gradientenschicht mit gradiertem Silizium-Gehalt ausgebildet sein.
  • Für die Abscheidung der Deckschicht mit den beschriebenen verschiedenen Materialzusammensetzungen kommt insbesondere das Sputtern, in einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials das Vakuumverdampfen zur Anwendung. Die Vakuumverdampfung zeichnet sich durch eine hohe Abscheiderate aus, wodurch auch dickere Schichten von wenigen Mikrometern effektiv herstellbar sind. Dies ist von Vorteil, da Deckschichten unter anderem aufgrund ihrer Schutzfunktion durchaus mit einer größeren Dicke abgeschieden werden.
  • Sofern als Deckschicht SiOr oder AlsOt verwendet werden, erweist es sich für die Funktionalität dieser Schichten als vorteilhaft, wenn diese mittels thermischer PVD abgeschieden wird, d.h. mittels Abscheidung aus der Dampfphase, bei der das Beschichtungsmaterial lediglich thermische Energie hat. Hierbei gilt für r = 1,8–2,0 und für t/s = 1,4–1,5. Anwendbar sind hier z.B. die thermische Verdampfung oder die Elektronenstrahlverdampfung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Deckschicht, welche ein Oxid oder Oxinitrid von Silizium-Aluminium (Si:AlOx oder Si:AlOxNy) enthält und als Gradientenschicht mit gradiertem Silizium-Gehalt ausgebildet ist, durch eine Kombination von Sputtern und Vakuumverdampfung hergestellt. Zunächst wird eine Schicht durch reaktives Sputtern von einem Si:Al-Target, welches ein Aluminium-Gehalt im Bereich von 8–10 % aufweist, abgeschieden. Diese Schicht, die bereits als [Si:Al]Ox- oder [Si:Al]OxNy-Schicht besteht, wird in einem zweiten, darauffolgenden Schritt mit mittels Vakuumverdampfung mit SiO2 bedampft, um die Gradierung der Schicht herzustellen.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Verbundmaterial mit einem dreischichtigen, spektral selektiven Mehrschichtsystem 2, welches auf einem metallischen Träger 1 abgeschieden ist.
  • Der metallische Träger 1 besteht aus bandförmigem Aluminium. Der Träger 1 kann auf seiner Rückseite 4 eine Schutzschicht (nicht dargestellt) und/oder auf seiner Vorderseite 5 eine Zwischenschicht (nicht dargestellt) aufweisen. Letztere oder alternativ kann eine Vorbehandlung des Trägers 1 zur Verbesserung der Haftung des Mehrschichtsystems auf dem Träger 1 eingesetzt werden.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nach einer Plasmavorbehandlung des metallischen Trägers 1 die IR-Reflexionsschicht 9 mittels Sputtern abgeschieden, in Abhängigkeit vom Material mit einer Schichtdicke im Bereich von 3 bis 150 nm. Sie besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium, hat eine Dicke von 100 nm und ist mittels Sputtern abgeschieden.
  • Über der IR-Reflexionsschicht 9 sind die untere Teilschicht 10 und die obere Teilschicht 12 des Absorbers mittels reaktivem Sputtern abgeschieden. Der Absorber hat eine Gesamtschichtdicke im Bereich von 100 bis 200 nm, wobei die obere Teilschicht 12 bevorzugt eine Dicke im Bereich von 30–50 nm aufweist. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtschichtdicke des Absorbers 150 nm mit einer 40 nm dicken oberen Teilschicht 12.
  • Die untere Teilschicht 10 besteht aus gradiertem AlNx mit 0 ≤ x ≤ 1, wobei bei x = 0 die Schicht metallisch ist und bei x = 1 ein stöchiometrisches Aluminiumnitrid abgeschieden ist. Die obere Teilschicht 12 besteht aus einem Nitrid der Legierung Al:Si:Ti. Die Abscheidung der unteren und der oberen Teilschicht 10, 12 erfolgt mittels reaktivem Sputtern von einem Al:Si:Ti-Target.
  • Das Mehrschichtsystem 2 wird zur Umgebung durch die Deckschicht 14 abgeschlossen. Diese besteht aus einem Oxid der Legierung Si:Al mit einem Aluminium-Gehalt von ca. 10%. Die Schichtdicke liegt im Bereich von 3 bis 1000 nm, im Ausführungsbeispiel bei ca. 80 nm. Zur Abscheidung wird zunächst eine Schicht durch reaktives Sputtern von einem Si:Al-Target der genannten Zusammensetzung abgeschieden. Diese [Si:Al]Ox-Schicht wird in einem zweiten, darauffolgenden Schritt mittels Elektronenstrahlverdampfung mit SiO2 bedampft, um die Gradierung der Schicht herzustellen. Z.B. kann ein SiO2-Granulat als Ausgangsmaterial unter Vakuum mittels Elektronenstrahl sublimierend verdampft werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Träger
    2
    Mehrschichtsystem
    4
    Rückseite
    5
    Vorderseite
    9
    IR-Reflexionsschicht
    10
    untere Teilschicht
    12
    obere Teilschicht
    14
    Deckschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Norm EN 410 [0012]
    • ISO 9050 [0012]

Claims (13)

  1. Verbundmaterial mit spektral selektivem Mehrschichtsystem (2) für Solarkollektoren, mit einem metallischen Träger (1), auf welchem ein Schichtsystem angeordnet ist, welches eine metallische IR-Reflexionsschicht (9), darüber liegend einen Absorber zur Absorption solarer Strahlung und darüber liegend eine transparente Deckschicht (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber eine untere Teilschicht (10) umfasst, welche ein Nitrid von Aluminium enthält, sowie eine obere Teilschicht (12), welche ein Nitrid einer Silizium-Aluminium-Verbindung enthält.
  2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Teilschicht (10) als Gradientenschicht von AlNx mit 0 ≤ x ≤ 1 ausgebildet ist.
  3. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Teilschicht (12) als Gradientenschicht ausgebildet ist, so dass die Schichtzusammensetzung von AlN zu Si3N4 gradiert.
  4. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Aluminium-Verbindung der oberen Teilschicht (12) und/oder die untere Teilschicht (10) Titan enthält.
  5. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (14) ein Oxid oder Oxinitrid eine Metalls oder Halbleiters oder Legierungen davon enthält und einen Brechungsindex von kleiner 1,7 aufweist.
  6. Verbundmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (14) ein Oxid oder Oxinitrid von Silizium-Aluminium enthält und als Gradientenschicht mit gradiertem Silizium-Gehalt ausgebildet ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit spektral selektivem Mehrschichtsystem (2) für Solarkollektoren, indem auf einem metallischen Träger (1) mittels PVD ein Schichtsystem abgeschieden wird, welches eine metallische IR-Reflexionsschicht (9), darüber liegend einen Absorber zur Absorption solarer Strahlung und darüber liegend eine transparente Deckschicht (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber mit einer unteren Teilschicht (10), welche ein Nitrid von Aluminium enthält, sowie mit einer oberen Teilschicht (12) abgeschieden wird, welche ein Nitrid einer Silizium-Aluminium-Verbindung enthält.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Teilschicht (10) oder die obere Teilschicht (12) oder beide Teilschichten (10, 12) mittels Sputtern als Gradientenschicht abgeschieden werden.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Teilschicht (12) und/oder die untere Teilschicht (10) von einem Titan enthaltenden Target abgeschieden wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Deckschicht (14) ein Oxid oder Oxinitrid eine Metalls oder Halbleiters oder Legierungen davon mit einem Brechungsindex von kleiner 1,7 abgeschieden wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Deckschicht (14) ein Oxid oder Oxinitrid einer Silizium-Aluminium-Verbindung mit gradiertem Silizium-Gehalt abgeschieden wird.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Deckschicht (14) aus [Si:Al]Ox oder [Si:Al]OxNy hergestellt wird, indem zunächst eine Schicht durch reaktives Sputtern von einem Si:Al-Target, welches ein Aluminium-Gehalt im Bereich von 8–10 % aufweist, hergestellt und diese Schicht anschließend mit SiO2 mittels Vakuumverdampfung bedampft wird.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Deckschicht (14) SiOr oder AlsOt mit r = 1,8–2,0 und t/s = 1,4–1,5 mittels thermischer PVD abgeschieden wird.
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