DE2829779A1

DE2829779A1 - Selektiv absorbierende interferenzschicht zur sonnenenergiewandlung

Info

Publication number: DE2829779A1
Application number: DE19782829779
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Bruenger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-06
Filing date: 1978-07-06
Publication date: 1980-01-17

Description

Selektiv absorbierende Interferenzschicht
zur Sonnenenergiewandlung Die Erfindung betrifft eine selektiv absorbierende Interferenzschicht zu Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schicht.
Ähnliche Schichten sind durch die Veröffentlichungen: R. E. Peterson et al, J. Vac. Sci. Technol., 12 (1), S. 174 - 181, Jan./Febr. 75, und H. G. Craighead et al, J. Vac. Sci. Technol.,15 (2), S. 269 - 271, März/April 78 bekannt geworden. Diese haben jedoch den Nachteil, daß im infraroten Wellenlängenbereich von 2 pin bis 20 pm das Emissionsvermögen ( = Absorptionsvermögen) in der Größenordnung von 7 bis 14 % liegt. Soweit nichtedle Metalle für die Metallpartikel verwendet werden, besteht bei der Betriebstemperatur von bis zu 500 OC eine Oxidationsgefahr, die die Lebensdauer der absorbierenden Schichten herabsetzt.
Darüber haben Mehrschichtsysteme, wie sie in der ersten Druckschrift beschrieben sind, den Nachteil, daß zwischen den Schichten Diffusionsvorgänge stattfinden können, die die Lebensdauer verringern.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine selektiv absorbierende Schicht zu schaffen, die im infraroten Wellenlängenbereich von 2 pm bis 20 pm das hohe Reflexionsvermögen der Unterlage ( 3 in Fig. 1 ) von 1 bis 2% nur unwesentlich verschlechtert. Weiterhin soll die Lebensdauer bei Betriebstemperaturen bis zu 5000C wesentlich erhöht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben. In den Ansprüchen 6 bis 8 sind bevorzugte Verfahrensschritte zur Herstellung von selektiv absorbierenden Interferenzschichten nach Anspruch 1 bis 5 aufgeführt.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 den Schichtaufbau eines Sonnenkollektors mit selektiver Absorberf läche, Fig. 2 das Reflexionsvermögen p (X) der Interferenzschicht und die Schichtdicken von Au bzw. SiO2 innerhalb der Interferenzschicht in Abhängigkeit von der Aufdampfzeit, Fig. 3 das Reflexionsvermögen in Abhängigkeit von der Wellenlänge X für Au und für die selektiv absorbierende Interferenzschicht Au - SiO2 nach der Erfindung.
Die Umwandlung von Sonnenenergie in thermische Energie erfor dert Kollektormaterialien, die im Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums ( X = 0,3 - 2jum ) optimal absorbieren, aber im Infraroten ( X = 2 - 20 pm ) bei Oberflächentemperaturen bis zu 5000C nur minimal emittieren. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz gilt für das Absorptionsvermögen 0tt X) und das Emissionsvermögen t( X) eines beliebigen Strahlers: α(#)= #(#)=1- #(# ) wobei ß ( X ) das Reflexionsvermögen des Strahlers ist.
Die meisten Metalle zeigen bereits annähernd das geforderte Verhalten. Sie reflektieren fast vollständig im Infraroten.
Im Bereich des Sonnenspektrums sinkt das Reflexionsvermögen ab, ist aber für eine ausreichende Absorption noch zu groß (Fig. 3). Durch Aufdampfen einer optischen Interferenzschicht kann das Reflexionsvermögen im interessierenden Wellenlängenbereich herabgesetzt werden.
Auf Glasoberflächen mit einer Reflexion von 4% genügt eine einfache dielektrische Schicht mit geeignetem Brechungsindex und einer optischen Schichtdicke von X/4 , um die Bedingung für Nullreflexion zu erfüllen. Bei metallischen Unterlagen mit ihrem sehr hohen Reflexionsvermögen muß die dielektrische Schicht mit einer zusätzlichen Absorption versehen werden.
Dies geschieht bei der Erfindung durch die Einbettung von Goldpartikeln (2) in eine Matrix von SiO2. Dadurch entsteht eine Einfachschicht.
Einfachschichten haben nicht nur bezüglich ihrer einfacheren Herstellung Vorteile gegenüber ebenfalls verwendeten Vielfachschichten. Sie sind auch unempfindlicher gegenüber Diffusionsvorgängen. Die Forderung nach chemischer Stabilität der Komponenten des Schichtaufbaus bei erhöhter Temperatur führte zur Verwendung von Gold und SiO2 für die hier beschriebene Interferenzschicht.
Die Herstellung erfolgt vorzugsweise in einer Aufdampfanlage unter Vakuum. Nach Fig. 1 wird auf der Absorberfläche 4 zunächst eine undurchsichtige Au - Schicht von ca. loo nm Dicke aufgedampft. Auf diese wird die selektive Interferenzschicht aufgebracht durch gleichzeitiges Aufdampfen von Gold aus einem Wolframschiffchen und von SiO2 durch Elektronenstrahlverdampfung. Die beiden Aufdampfraten werden getrennt von zwei Schwingquarzschichtdickenmeßgeräten registriert. Auf diese Weise wird die Konzentration von Au relativ zu SiO2 in definierter Weise kontrolliert. Während des Aufdampfprozesses wird gleichzeitig ein Lichtstrahl auf die absorbierende Interferenzschicht 1 gerichtet und die reflektierte Intensität aufgezeichnet. Die für den Lichtstrahl verwendete Wellenlänge liegt im Wellenlängenbereich o,5 bis 2 hirn. Bei Erreichung des Minimums des Reflexionsvermögens wird die Bedampfung abgebrochen. Dadurch ist gewährleistet, daß die Interferenzschicht ein minimales Reflexionsvermögen besitzt, weil bei längerem Aufdampfen das Reflexionsvermögen wieder ansteigt. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Reflexionsvermögens Ç zusammen mit den Schichtdickenangaben für Au und SiO2 aufgezeichnet, wobei die Schichtdicken mit den Schwingquarzmeßgeräten bestimmt sind.
Die Struktur der Interferenzschicht 1 wurde im Elektronenmikroskop untersucht. Dabei zeigte sich, daß die Größe der Au - Partikel wesentlich unter der Lichtwellenlänge von # = o,2 bis 2 um liegt.
In Fig. 3 ist das Reflexionsvermögen Q( Ä ) = 1 - ol ( X ( otf X) = Absorptionsvermögen) in Abhängigkeit von der Wellenlänge x aufgetragen. Die Kurve für Au ist zum Vergleich mit eingezeichnet. Die Interferenzschicht 1 entspricht der mit Au - SiO2 bezeichneten Kurve. Sie besitzt einen steilen Anstieg oberhalb von 1 lum und erreicht im Infraroten Werte von nahezu 100%.
Aus diesen gemessenen Werten läßt sich für das integrale Absorptionsvermögen im Wellenlängenbereich o,3 µm bis 2Sum ein Wert von r = 88 t 1 % ermitteln. Dazu wurde das Standardsonnenspektrum von P. MOON verwendet.
Ineinem Strahlungsexperiment bei einer Arbeitstemperatur von 100°C wurde die Strahlung, die von der selektiv absorbierenden Schicht ausgeht, mit derjenigen eines "schwarzen Körpers" bei gleicher Temperatur verglichen. Aus dieser Messung wurde das totale hemisphärische Emissionsvermögen # berechnet. Es ergab sich der sehr geringe Wert von £ = 1,4 % i 0,5 %

Claims

Patentansprüche 1) Selektiv absorbierende Interferenzschicht, die die Reflexion der einfallenden Sonnenstrahlung reduziert, d.h. hohes Absorptionsvermögen aufweist, die hohe Reflexion der Unterlage (3) im infraroten Strahlungsbereich jedoch nur geringfügig verschlechtert, die aus einer dünnen dielektrischen Schicht mit eingelagerten Metallpartikeln, die klein gegenüber der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlung sind, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß als Partikelmaterial schwer oxidierbare Metalle, insbesondere Gold vorgesehen sind.
2)Interferenzschicht nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettung der Metallpartikel (2) in SiO2 erfolgt.
3)Interferenzschicht nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettung der Metallpartikel in anderen hoch temperaturbeständigen Metalloxiden z.B. Al203 oder MgO erfolgt.
4)Interferenzschicht nach Anspruch 1) bis 3) dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Interferenzschicht (1) derart bemessen ist, daß das Absorptionsvermögen im Wellenlängenbereich o,2 pm bis 2 pitt maximal ist.
5)Interferenzschicht nach Anspruch 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Metallpartikel (2) in der Interferenzschicht (1) einen Gradienten aufweist.
6)Verfahren zur Herstellung von Interferenzschichten nach Anspruch 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende Unterlage (3), z.B. Gold, auf die Absorberfläche (4) eines Sonnenkollektors aufgedampft wird, daß darauf anschließend die dielektrische Schicht und die Metallpartikel gleichzeitig aufgedampft werden, wobei die Konzentration von Metall zu Dielektrikum durch gleichzeitige Messung der Aufdampfraten von Gold bzw. SiO2 so gesteuert wird, daß das Absorptionsvermögen im Bereich Or2 rm bis 2 pm maximal wird.
7)Verfahren zur Herstellung von Interferenzschichten nach Anspruch 1) bis 5) dadurch gekennzeichnet, daß statt des Aufdampfverfahrens ein Sputterverfahren oder vergleichbare Methoden zur Herstellung von dünnen Schichten wie die Abscheidung aus der Dampfphase (CVD)oder Tauchverfahren verwendet werden.
8)Verfahren zur Herstellung von Interferenzschichten nach Anspruch 6) und 7), dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsvermögen der Interferenzschicht (1) während des Aufdampfprozesses durch eine optische Meßeinrichtung innerhalb der Vakuumanlage verfolgt wird, um die Bedampfung abzubrechen beim Erreichen des Minimums des Reflexionsvermögens, d.h.

beim Maximum des Absorptionsvermögens, wodurch die Schichtdicke der Interferenzschicht (1) optimiert wird.