DE4425140C1

DE4425140C1 - Strahlungswandler zur Umsetzung von elektromagnetischer Strahlung in Wärme und von Wärme in elektromagnetische Strahlung

Info

Publication number: DE4425140C1
Application number: DE4425140A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Phys Eisenhammer; Miladin P Lazarov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2014-07-16
Also published as: AU3078495A; WO1996002798A1

Description

Die Erfindung betrifft Strahlungswandler zur Umsetzung von elektromag netischer Strahlung in Wärme (Absorber) oder von Wärme in elektroma gnetische Strahlung (Emitter).

Strahlungswandler werden in mehreren Bereichen eingesetzt. Sie werden als Absorber insbesondere in der Gewinnung thermischer Energie aus solarer Strahlung eingesetzt. Die Strahlung kann, z. B. mit Hilfe von parabolischen Spiegeln, konzentriert werden. Hohe optische Absorptions grade αs < 0,85 für den solaren Spektralbereich (d. h. Wellenlänge λ ≈ 300-2000 nm) sind notwendig. Insbesondere bei hohen Absorbertempera turen und geringer Konzentration müssen diese Absorber zusätzlich selektiv sein, d. h., der Absorber muß möglichst hohe Reflexionsgrade, also niedrige Emissionsgrade ε, im Spektralbereich der thermischen Emission aufweisen. Der niedrige hemisphärische Emissionsgrad (ε_h < 0,1) soll Verluste der gewonnenen solaren Einstrahlung durch Reemission im infraroten Spektralbereich verringern.

Andere Anwendungen betreffen Emitter, die z. B. durch elektrischen Strom oder Verbrennung von Gas beheizt werden und infrarote und sichtbare elektromagnetische Strahlung emittieren. Weiterhin kann Wärme unter Verwendung eines Emitters und einer Photozelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Zur Maximierung des Wirkungsgrades eines solchen Systems sind hohe Emittertemperaturen und abgestimmte Emissions- und Absorptionsverhalten von Emitter und Photozelle notwendig. Von hoher Bedeutung in diesen Anwendungen ist daher thermische und chemische Stabilität bei den benötigten hohen Temperaturen des Strahlungswandlers.

Nichtselektive Absorber mit hohen solaren Absorptionsgraden und he misphärischen Emissionsgraden sind z. B. auf der Basis einfacher An striche erhältlich. Rauhe Metallschichten aus kleinen Partikeln, wie z. B. Schwarz-Chrom oder Schwarz-Kobalt, sind weit verbreitet. Diese Materia lien weisen hohe solare Absorptionsgrade auf; der hemisphärische Emis sionsgrad liegt um ca. 0,2 (J. Spitz, TV Danh, A. Aubert, Solar Energy Materials 1 (1979), 189-200) und ist damit für viele Anwendungen zu hoch.

Problematischer ist die Herstellung hoch selektiver (d. h. ε_h < 0,1), thermisch stabiler Absorber. Meist bestehen selektive Absorber aus sogenannten Absorber-Reflektor-Tandems. Der Reflektor ist ein im Infraroten hochreflektierendes Metall. Um die solare Absorption zu gewährleisten, wird er mit einer häufig dünnen Schicht eines absorbieren den Materials beschichtet, welche im Infraroten transparent ist. Diese Schicht erhöht somit den Emissionsgrad im Vergleich zum unbeschichte ten Metall nur gering.

Ein Beispiel für eine solche Beschichtung ist TiN_xO_y (U.S.-Patent 4,098,956) mit ca. 50 nm Dicke. Auch amorpher; mit Wasserstoff dotier ter Kohlenstoff α-C:H wird verwendet (D.R. McKenzie et al. in Solar Energy Materials 9 (1983), 113).

Schichtsysteme aus Al₂O₃/Mo/Al₂O₃ auf Molybdän-Substraten wurden ebenfalls mit guten Ergebnissen verwirklicht (J.A. Thornton, A.S. Penfold und J.L. Lamb, Thin Solid Films 72 (1980), 101-109).

Weiterhin werden auch inhomogene Materialien, insbesondere Cermets als absorbierende Schicht verwendet. Unter Cermets versteht man kleine metallische Partikel mit Durchmessern von ca. 2-40 nm, die in eine dielektrische Matrix eingebettet sind. Viele verschiedene Materialkom binationen wurden diskutiert und untersucht, z. B. Au-SiO₂, Edelstahl in α-C:H etc. (z. B. L.K. Thomas und T Chunhe, Solar Energy Materials 18 (1989), 117-126). Auch das kommerziell benutzte Nickel-pigmentierte Aluminiumoxid gehört zu den Cermets. Solche Schichten werden zum Teil mit zusätzlichen dielektrischen Antireflexionsschichten versehen (A. Anderson et al., J. Appl. Phys. 51 (1980), 754). Auch kann der Volu menanteil der metallischen Partikel, der sogenannte Füllfaktor; als Funk tion des Ortes innerhalb der Dicke der Schicht variiert werden. Mit diesem variablen Füllfaktor sind auch die optischen Konstanten des Cermets variabel und erlauben eine Steigerung des solaren Absorptions grads (G.L. Harding et al., J. Vac. Sci. Technol. 16 (1979), 2105).

Selektive Materialien werden z. B. in der Thermophotovoltaik als Emitter benötigt (R.M. Swanson, Proc. IEEE 67 (1979), 446). Wärme wird in elektromagnetische Strahlung umgewandelt und danach mit Hilfe einer Photozelle in Elektrizität. Ein Körper wird auf Temperaturen im Bereich von 600-900°C erwärmt. Um eine maximale Umwandlung der vom Körper emittierten thermischen Strahlung zu erreichen, muß die Band lücke des Materials der Photozelle geeignet eingestellt werden. Von großer Bedeutung ist es, daß die Wellenlängencharakteristika von Emitter und Photozelle aufeinander abgestimmt sind, und daß möglichst wenig Strahlung in Wellenlängenbereichen fern von der Bandlücke abgestrahlt wird. Daher ist es notwendig, den Emitter geeignet selektiv zu beschich ten.

Die Klasse der quasikristallinen Materialien wurde erst 1984 entdeckt (D. Shechtmann, I. Blech, D. Gratias und J.W. Cahn, Phys. Rev. Lett. 58 (1984), 1951). Kennzeichnend für quasikristalline Materialien ist, daß Beugungsaufnahmen (z. B. Röntgenstrukturanalyse, Elektronenbeugung) Rotationssymmetrien zeigen, die nach kristallographischen Gesetzen für Kristalle im engeren Sinne (d. h. Periodizität oder Translationssymmetrie über große Raumbereiche) nicht möglich sind (z. B. icosaedrische und dekagonale Symmetrie). Ideale quasikristalline Materialien weisen eine langreichweitige Ordnung auf, die nicht einer Translationssymmetrie entspricht, sondern durch andere wohl definierte mathematische Metho den beschrieben werden kann (siehe z. B. "Quasicristals", C. Janot, Oxford University Press, Oxford, 1992, Kap. 1, Kap. 2.4). Unter quasikristallinen Materialien werden jedoch auch Materialien verstanden, die eine ideale quasikristalline Ordnung nur approximieren. Sie bestehen aus mikrokristal linen Bereichen, wobei die Mikrokristalle in einer quasikristallinen Form angeordnet sind (C. Janot, ebenda, Kap. 2.5). Diese Materialien zeigen ebenso wie ideale Quasikristalle, Beugungsbilder mit "verbotenen" Sym metrien, d. h. solchen, die für Kristalle eigentlich unmöglich sind.

Inzwischen sind einige thermisch und chemisch sehr stabile quasikristalli ne Materialien entdeckt worden (A.P. Tsai und Mitarbeiter; Jpn. J. Appl. Phys. 26 (1987), L1505 sowie Phil. Mag. Lett. 63 (1991), 87). Diese Materialien wurden bisher als Beschichtungen für Bratpfannen sowie als Schutzschichten gegen Oxidation und Abrieb benutzt (U.S.-Patent 5,204,191; WO 93/13237; J.M. Dubois, S.S. Kang and Y. Massiani, J. Non-Ciyst. Solids 153/154 (1993), 443). In US-Patent 5,204,191 wird auch demonstriert, daß Materialien mit derselben Atomzusammensetzung, aber herstellungsbedingt geringem oder verschwindendem Anteil quasikristalli ner Phasen thermisch und chemisch wesentlich instabiler sind als Mate rialien mit hohem quasikristallinem Volumenanteil. Die Stabilität der quasikristallinen Materialien wird auch dadurch demonstriert, daß sie i.a. bei Temperaturen um 800°C getempert werden, um rein quasikristalline Phasen zu erzeugen. Quasikristalline Materialien können auch bei niedri geren Substrat-Temperaturen in Form dünner Schichten, z. B. mit Zer stäubungsverfahren, abgeschieden werden (U.S.-Patent 4,772,370). Weiter hin zeichnen sie sich durch ungewöhnliche optische Eigenschaften aus. Es handelt sich zwar um Metalle, die Leitfähigkeit ist jedoch gering, so daß die optischen Eigenschaften insbesondere im Infraroten sehr stark von den Eigenschaften bekannter Metalle abweichen (L. Degiorgi und Mit arbeiter; Solid State Communications 87 (1993) 721). Der Reflexionsgrad ist im Wellenlängenbereich von 300 nm-20 µm nahezu wellenlängenunab hängig ≈ 55%.

Strahlungswandler müssen gleichzeitig eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Beispielsweise müssen sie als selektive Absorber hohe solare Absorptionsgrade aufweisen. Ihr Emissionsgrad muß, insbesondere bei hohen Absorbertemperaturen, sehr niedrig sein. Sie müssen bei hohen Absorbertemperaturen chemisch stabil sein und dürfen auch sonst keine Alterungserscheinungen zeigen, z. B. durch Diffusion von Substratmaterial in die Schichten oder durch Diffusion innerhalb der verschiedenen Schichten. Die heute benutzten und bekannten selektiven Absorber erfüllen nicht in ausreichendem Maße alle Anforderungen.

Als Emitter werden hohe Anforderungen an chemische und thermische Stabilität bei Temperaturen in Bereichen bis über 800°C gestellt. Selek tive Emitter auf der Basis von Molybdän sind als temperaturstabil bis ca.

800°C bekannt. Die Herstellung dünner Molybdänschichten ist problema tisch, und die Materialkosten sind sehr hoch.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungs wandler bereitzustellen, der den Anforderungen an die thermische und chemische Stabilität in vollem Umfang genügt und dessen spektrale optische Eigenschaften in der für die jeweilige Anwendung gewünschten Form eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Die Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, daß der Strahlungswand ler mindestens ein quasikristallines Material enthält bzw. mindestens ein quasikristallines Material als Bestandteil eines inhomogenen Materials benutzt wird.

Es ist ausreichend, daß in einer ansonsten amorphen oder kristallen Umgebung (Phase) quasikristalline Regionen vorkommen. Das Material, welches eine quasikristalline Phase ausbildet, kann auch amorphe oder kristalline Phasen enthalten. Für die thermische und chemische Stabilität ist es ausreichend, daß die quasikristalline Phase dieses Materials einen Volumenanteil von 30%, bevorzugt 50%, ganz bevorzugt 80% überschrei tet.

Um chemische und thermische Stabilität zu erreichen, wird vorzugsweise ein thermodynamisch stabiles quasikristallines Material verwendet, d. h. ein Material, dessen thermodynamisch stabile Struktur nicht kristallin ist. Hierzu sind vorzugsweise quasikristalline Materialien aus zwei oder mehr Elementen, wobei diese ausgewählt sind aus Aluminium, Bor; Chrom, Eisen, Gallium, Germanium, Hafnium, Kohlenstoff, Kupfer; Magnesium, Molybdän, Mangan, Nickel, Niob, Osmium, Palladium, Rhenium, Ru thenium, Silizium, Tantal, Titan, Vanadium, Wismut, Wolfram, Yttrium, Zink oder Zirkon brauchbar. Besonders bevorzugt werden Materialien benutzt, die die folgenden Formeln erfüllen:

Al_aCu_bFe_cX_d mit 8 b 30, 8 c 20, d 12 und a+b+c+d=100
Al_aCu_bCo_cX_d mit 8 b 25, 10 c 20, d 12 und a+b+c+d=100
Al_aPd_bMn_cX_d mit 15 b 30, 7 c 17, d 5 und a+b+c+d=100
Ga_aMg_bZn_cX_d mit 30 b 35, 50 c 55, d 5 und a+b+c+d= 100
Al_aCu_bLi_cX_d mit 10 b 15, 25 c 35, d 5 und a+b+c+d=100
Al_aCu_bRu_cX_d mit 8 b 25, 10 c 20, d 12 und a+b+c+d=100

In den obigen Formeln bedeutet X eine Verunreinigung, wie z. B. Na, O oder N oder ein oder mehrere der im Absatz vorher aufgelisteten Elemente.

Ganz bevorzugt hat das quasikristalline Material die folgenden Summen formeln: Al₆₅Cu₂₀Ru₁₅, Al₆₂Cu₂₀Co₁₅Si₃, Al_63,5Cu_24,5Fe₁₂, Al₆₄Cu₂₄Fe₁₂, Al₆₄Cu₂₂Fe₁₄, Al₆₀Cu₁₀Li₃₀, Al₆₅Cu₂₀Co₁₅, Ga₁₆Mg₃₂Zn₅₂ oder Al₇₀Mn₉Pd₂₁.

Die geforderten optischen Eigenschaften werden für die unterschiedlichen Anwendungen durch verschiedene Techniken und Maßnahmen im Sinne der Erfindung erreicht. Das quasikristalline Material hat als homogenes Material schon ungewöhnlich gute optische Eigenschaften, die man sich für einen Strahlungswandler zunutze machen kann. Diese optischen Eigenschaften lassen sich durch die Verwendung inhomogener Materialien zusätzlich erweitern. Dabei sind folgende Fälle zu unterscheiden:

(a) Das quasikristalline Material liegt in Form kleiner Partikel in einer Matrix aus anderen, insbesondere dielektrischen Materialien, vor. Im Fall der Matrix aus dielektrischen Materialien kann dann von einem Cermet gesprochen werden. Bevorzugte dielektrische Materialien sind amorpher Kohlenstoff; dielektrische Oxide, dielektrische Nitride, dielektrische Halo genide oder dielektrische Schwefelverbindungen beliebiger Hauptgruppen- und Nebengruppenelemente oder ein Gemisch aus diesen Materialien, ganz bevorzugt Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂, SnO₂, In₂O₃, Bi₂O₃, Ta₂O₅, Si₃N₄ oder ZnS. Andere brauchbare Matrixmaterialien sind Halbleiter; wie dotiertes Silicium oder Germanium, und Metalle, wie Eisen oder Kupfer.
(b) In das quasikristalline Material (Matrix) sind kleine Partikel aus anderen Materialien, vorzugsweise aus den oben genannten Matrixmate rialien, eingebettet.
(c) In das quasikristalline Material (Matrix) sind kleine Hohlräume eingebettet.

Als Matrix im oben verwendeten Sinn wird die Material-Komponente bezeichnet, die eine weitgehend zusammenhängende Struktur ausbildet. Im Gegensatz dazu sind die eingebetteten Partikel weitgehend vonein ander getrennt.

Die optischen Eigenschaften solcher inhomogener Materialien lassen sich häufig mit Effektiv-Medien-Theorien beschreiben. Bei großen Wellen längen bestimmen die Eigenschaften des Matrixmaterials die optischen Eigenschaften. Dies gilt sowohl für den Fall, in dem das quasikristalline Material die Matrix darstellt, wie auch für den Fall, in dem das quasikri stalline Material in Form von Partikeln in eine andersartige Matrix eingebettet ist. Bei kürzeren Wellenlängen tritt durch sogenannte geom etrische Resonanzen Absorption auf, die in homogenen Materialien nicht auftritt. Der Füllfaktor; d. h. der Volumenanteil der Partikel in einem inhomogenen Material, bestimmt die spektrale Form und die Stärke dieser Resonanzen. Der Füllfaktor liegt im Bereich von 2-80%, bevorzugt im Bereich von 5-40%. Dies bedeutet, daß die Matrix die Zwischenräu me zwischen den voneinander getrennten Partikel ausfüllt. Es dürfen allerdings Berührungen zwischen den Partikeln stattfinden. Wie oben unter (a) und (b) ausgeführt, kann die Matrix quasikristallin oder aus einem anderen Material sein. Der Füllfaktor kann räumlich variiert wer den, um Reflexionsverluste an der Oberfläche zu verringern und um z. B. den solaren Absorptionsgrad zu erhöhen.

Die Partikel oder Hohlräume in der Matrix sind regelmäßig oder unre gelmäßig geformt und weisen vorzugsweise Volumina im Bereich von 0,2 nm³ bis 10 µm³, bevorzugt im Bereich von 2 nm³ bis 1 µm³, ganz bevorzugt im Bereich von 5 nm³ bis 30000 nm³ auf. Dabei liegen die Durchmesser der Partikel im Bereich von 0,5-2000 nm, bevorzugt 1-500 nm und ganz bevorzugt 2-30 nm.

Das quasikristalline Material, homogen oder in einem inhomogenen Material, kann neben der quasikristallinen Phase auch amorphe oder kristalline Phasen enthalten, deren Volumenanteil insgesamt unter 70% liegt. Dies bedeutet, daß die quasikristalline Phase 30% des Volumen anteils, bevorzugt 50%, ganz bevorzugt 80% übersteigen muß.

Bevorzugt wird das quasikristalline Material oder das inhomogene Materi al enthaltend das quasikristalline Material in Form einer oder mehrerer Schichten einer Dicke von 1 nm bis 1 mm, bevorzugt 5-5000 nm, ganz bevorzugt 10-500 nm, auf einem Substrat aufgebracht. Bei dem Sub strat handelt es sich um ein hochreflektierendes Metall, wie Aluminium, Kupfer; Silber; Gold, Molybdän, Titan, Eisen oder eine Legierung dieser Materialien, wie Stahl oder Messing. Als Substrat kann aber auch eine dünne Schicht der vorgenannten Metalle oder Legierungen auf einem anderen in der Technik üblichen Substrat dienen. Hierbei handelt es sich um temperaturstabile Materialien, bevorzugt Keramiken. Das Substrat kann auch eine Rauheit aufweisen, um die kurzwellige Reflexion zu verringern. Die Rauheit der Substratoberfläche ist durch eine statistische Verteilung der Abweichungen von einem mittleren Niveau gekennzeichnet und die Standardabweichung dieser Verteilung (RMS-Rauheit) liegt im Bereich von 0 bis 1500 nm, mit einer lateralen Korrelationslänge von 10- 1000 nm. Die Ausgestaltung als dünne Schichten ermöglicht die Ver wirklichung von optischen Interferenzfiltern mit bestimmten Eigenschaften, z. B. den Eigenschaften eines selektiven Absorbers.

Um einen selektiven Absorber zu realisieren, müssen homogene quasikri stalline Schichten relativ dünn (1 nm-200 nm) sein, da der Emissions grad eines massiven quasikristallinen Materials zu hoch ist, ca. 40%. Nur dünne quasikristalline Schichten sind ausreichend transparent im infraro ten Spektralbereich, so daß der Emissionsgrad durch das darunterliegende hochreflektierende metallische Substrat bestimmt wird.

Der solare Absorptionsgrad dieser Absorber-Reflektor-Tandems ist jedoch nicht ausreichend. Um den solaren Absorptionsgrad zu erhöhen, werden dielektrische Antireflexionsschichten (Interferenzschichten) mit Dicken von 10-1000 nm benutzt. Es können beliebige Schichtsysteme aus dielek trischen Schichten und Schichten mit quasikristallinen Materialien gebildet werden. Eine bevorzugte Schichtfolge besteht aus Substrat/dielektrische Schicht/quasikristalline Schicht/dielektrische Schicht. Eine weitere bevor zugte Schichtfolge besteht aus Substrat/inhomogenes Material enthaltend quasikristalline Partikel (Cermet)/dielektrische Schicht. Die Wahl des Dielektrikums hängt hierbei von der gewählten Schichtfolge, als auch von der Art der das quasikristalline Material enthaltenden Schicht ab. Es werden sowohl hochbrechende Dielektrika, bevorzugt SnO₂, In₂O₃, Bi₂O₃, Ta₂O₅, ZnS, ZnO, TiO₂, als auch niedrigbrechende Materialien, bevor zugt Al₂O₃, SiO₂, oder Materialien mit mittlerem Brechungsindex, bevor zugt Y₂O₃, HfO₂, Si₃N₄, eingesetzt. Die Schichtfolge und die Schichtdic ken können für die jeweilige Anwendung numerisch optimiert werden, bevorzugt mit genetischen Algorithmen (T. Eisenhammer et al., Appl. Opt. 32 (1993), 6310-6315). Es ist jedoch auch jede andere Schicht mit antireflektierenden Eigenschaften, die dem Fachmann bekannt ist, mög lich. Diese Schichten können zugleich als Diffusionsbarriere dienen.

Zur Herstellung der quasikristallinen Schichten können verschiedene bekannte Techniken, wie Aufdampfen, Zerstäuben oder CVD-Verfahren, angewendet werden.

Um die Stabilität der quasikristallinen Materialien zu gewährleisten und um den Anteil nicht-quasikristalliner Phasen zu verringern, ist es möglich, das Material im Sinne der Erfindung bei hohen Temperaturen, vorzugs weise im Bereich von 200-900°C, zu tempern.

Auf Grund der hohen thermischen Stabilität können die erfindungsgemä ßen Strahlungswandler als selektive Absorber in konzentrierenden Syste men, z. B. mit Parabolrinnenspiegeln, eingesetzt werden. Die Absorber schichten werden in diesem Fall auf eine zylinderförmige Röhre aufgetra gen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit liegt in Flach- und Röhrenkol lektoren, die zur Vermeidung von Wärmetransport häufig, aber nicht notwendigerweise, evakuiert sind. Die niedrigen Emissionsgrade lassen die Verwendung von relativ hohen Absorbertemperaturen (200°C und höher) zu. Der Strahlungswandler weist vorzugsweise zur Umwandlung von solarer Einstrahlung in thermische Energie hohe Absorptionsgrade für elektromagnetische Strahlung im solaren Wellenlängenbereich (λ ca. 300- 1200 nm) und hohe Reflexionsgrade für elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich der thermischen Emission (λ < ca. 2000 nm) auf.

Die Verwendung von quasikristallinen Materialien in Form dünner Schichten oder als Bestandteil inhomogener Materialien mit dielektrischer Matrix (Cermet) erlaubt die Herstellung thermisch und chemisch äußerst stabiler; hochselektiver Absorber mit sehr niedrigen hemisphärischen Emissionsgraden. Die Materialkosten sind, da relativ billige Elemente verwendet werden können, niedrig. Bevorzugt sind dies Al-Cu-Fe.

Die Ausgestaltung des Strahlungswandlers als Emitter in Kombination mit einer Photozelle erlaubt die Konversion von Wärme in Elektrizität ohne Verwendung beweglicher Teile. Interessante Anwendungen in der Kraft werkstechnik und der Automobilindustrie setzen hohe Temperaturen (ca. 900°C) und selektive Eigenschaften des Emitters voraus. Vorzugsweise wird der Strahlungswandler zur Erzeugung infraroter oder sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit elektrischem Strom, durch Verbrennen fossiler Brennstoffe oder durch thermische Ankopplung an heiße gasför mige, flüssige oder feste Medien aufgeheizt.

Die Erfindung wird nun anhand der Beispiele und den dazu gehörigen Abbildungen erläutert:

Abb. 1 Darstellung des spektralen Reflexionsgrads eines Strahlungswand lers aus einer einfachen Schicht von Al₇₀Mn₉Pd₂₁ (quasikristalli nes Material) auf einem Kupfer-Substrat.

Abb. 2 Darstellung des Reflexionsgrads eines Strahlungswandlers, der aus einem Schichtsystem aus TiO₂/Al₇₀Mn₉Pd₂₁/Y₂O₃ auf einem Kupfer-Substrat besteht.

Abb. 3 Darstellung des Reflexionsgrads eines Strahlungswandlers, der aus einem Schichtsystem aus Y₂O₃/Al₇₀Mn₉Pd₂₁/Y₂O₃ auf einem Kupfersubstrat besteht.

Abb. 4 Darstellung des Reflexionsgrads eines Strahlungswandlers aus einem Cermet, das ein quasikristallines Material (Al₇₀Mn₉Pd₂₁) und HfO₂ als Dielektrikum aufweist, sowie einer zusätzlichen Antireflexionsschicht (AlF_xO_y) auf einem Kupfersubstrat.

Abb. 5 Darstellung des Reflexionsgrads eines Strahlungswandlers aus einem Cermet, das Al₇₀Mn₉Pd₂₁ als quasikristallines Material und Y₂O₃ als Dielektrikum aufweist sowie AlF_xO_y als zusätzli che Antireflexionsschicht auf einem Kupfersubstrat.

Abb. 6 Darstellung des Reflexionsgrads eines Strahlungswandlers aus einem Cermet, das Al₇₀Mn₉Pd₂₁ als quasikristallines Material und Al₂O₃ als Dielektrikum aufweist sowie AlF_xO_y als zusätzli che Antireflexionsschicht auf einem Kupfersubstrat.

Die folgenden Beispielen sollen die Erfindung erläutern, aber keine Beschränkung z. B. bezüglich der Wahl des quasikristallinen Materials, der Dielektrika und Schichtdicken darstellen.

Beispiele

Mit einigen Beispielen werden die der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnisse verdeutlicht. Beispiel 1 zeigt die optischen Eigenschaften einer dünnen quasikristallinen Schicht auf einem hochreflektierenden Metallsubstrat. Die Beispiele 2 bis 6 zeigen selektive Absorber auf der Basis quasikristalliner Materialien.

In der zugehörigen Tabelle sind die solaren Absorptionsgrade für ein AM1.5-Spektrum bei senkrechtem Einfall sowie hemisphärische Emissions grade bei 250°C und 400°C angegeben. Die in der Spalte "Schicht system" in Klammern angegebenen Zahlen sind die jeweiligen Schicht dicken in nm. Für verschiedene Schichtsysteme und Materialkombinatio nen lassen sich solare Absorptionsgrade um 90% bei hemisphärischen Emissionsgraden von ca. 4% (Temperatur 250°C) erreichen.

Beispiel 1

Eine einfache Schicht eines quasikristallinen Materials aus Al₇₀Mn₉Pd₂₁ auf einem Kupfersubstrat weist, bei einer Dicke der Schicht von z. B. 40 nm, einen im Wellenlängenbereich 300 nm bis knapp 2 µm nahezu kon stanten Absorptionsgrad von etwa 55% auf. Für größere Wellenlängen wird das quasikristalline Material transparent, und der Reflexionsgrad steigt durch das unter dem quasikristallinen Material liegende Kupfersub strat stark an, d. h. der Absorptionsgrad nimmt stark ab.

Der spektrale Reflexionsgrad wird in Abb. 1 gezeigt. Das optische Verhalten anderer quasikristalliner Materialien, wie z. B. Al₆₄Cu₂₂Fe₁₄, ist vergleichbar.

Eine Anwendung besteht in der Erzeugung eines thermischen Emissions spektrums mit reduziertem Infrarotanteil. Bei der Simulation von Sonnen strahlung mit konventionellen, weitgehend grauen Emittern stört der zu hohe Anteil der Emission im infraroten Spektralbereich, der im hier beschriebenen Beispiel weitgehend unterdrückt wird.

Beispiel 2

Der solare Absorptionsgrad einer einzelnen quasikristallinen Schicht ist für solarthermische Anwendungen nicht ausreichend. Der solare Absorp tionsgrad kann z. B. mit einem Schichtsystem aus TiO₂/quasikristallines Material/Y₂O₃ auf einem Kupfersubstrat deutlich erhöht werden.

Die Abb. 2 zeigt den spektralen Reflexionsgrad eines solchen Schichtsystems (TiO₂/Al₇₀Mn₉Pd₂₁/Y₂O₃). Der solare Absorptionsgrad liegt bei 0,86, während der hemisphärische Emissionsgrad für eine Tem peratur von 250°C bei 0,043 liegt (vgl. Tabelle, Zeile 1).

Beispiel 3

Die optimalen Eigenschaften können auch für Anwendungen bei niedri gen Absorbertemperaturen optimiert werden. Hier ist ein höherer solarer Absorptionsgrad notwendig, während der hemisphärische Emissionsgrad von geringerer Bedeutung ist. Ein Schichtsystem Y₂O₃/Al₇₀Mn₉Pd₂₁/Y₂O₃ auf Kupfer mit den Schichtdicken 60/14/55 nm weist einen solaren Absorptionsgrad von 0,92 auf, der hemisphärische Emissionsgrad bei 100°C ist 0,045. Die Abb. 3 zeigt den spektralen Reflexionsgrad dieses Schichtsystems.

Beispiel 4

Die optischen Eigenschaften von Cermets aus einem quasikristallinen Material und verschiedenen dielektrischen Materialien sind sehr gut für die Anwendung als selektiver Absorber geeignet.

Die Tabelle (Zeilen 2 bis 4) zeigt einige Beispiele für Schichten mit einem Füllfaktor von 30% und einer zusätzlichen dielektrischen Antirefle xionsschicht mit niedrigem Brechungsindex (AlF_xO_y; G.L. Harding, Solar Energy Materials 12 (1985), 169-186). Ein solarer Absorptionsgrad von 0,89 bei einem hemisphärischen Emissionsgrad von 0,037 wird mit einem Cermet mit HfO₂ als Dielektrikum erreicht.

Der spektrale Reflexionsgrad ist in Abb. 4 gezeigt.

Beispiel 5

Ein solarer Absorptionsgrad von 0,92 bei einem hemisphärischen Emis sionssgrad von 0,042 wird mit einem Cermet mit Y₂O₃ als Dielektrikum erreicht.

Der spektrale Reflexionsgrad ist in Abb. 5 gezeigt.

Beispiel 6

Ein solarer Absorptionsgrad von 0,91 bei einem hemisphärischen Emis sionsgrad von 0,043 wird mit einem Cermet mit Al₂O₃ als Dielektrikum erreicht.

Der spektrale Reflexionsgrad ist in Abb. 6 dargestellt.

Tabelle

Claims

1. Strahlungswandler zur Umsetzung von elektromagnetischer Strahlung in Wärme (Absorber) oder von Wärme in elektromagnetische Strah lung (Emitter), dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungswandler mindestens ein quasikristallines Material enthält.

2. Strahlungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das quasikristalline Material thermodynamisch stabil ist.

3. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das quasikristalline Material zwei oder mehrere der folgenden Elemente umfaßt: Aluminium, Bor; Chrom, Eisen, Gallium, Germanium, Hafnium, Kohlenstoff, Kobalt, Kupfer; Lithium, Magnesium, Mangan, Molybdän, Nickel, Niob, Osmium, Palladium, Phosphor; Rhenium, Ruthenium, Schwefel, Silizium, Tan tal, Titan, Vanadium, Wismut, Wolfram, Yttrium, Zink, Zirkon.

4. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das quasikristalline Material eine der folgenden Summenformeln erfüllt: Al_aCu_bFe_cX_d mit 8 b 30, 8 c 20, d 12 und a+b+c+d=100
Al_aCu_bCo_cX_d mit 8 b 25, 10 c 20, d 12 und a+b+c+d=100
Al_aPd_bMn_cX_d mit 15 b 30, 7 c 17, d 5 und a+b+c+d=100
Ga_aMg_bZn_cX_d mit 30 b 35, 50 c 55, d 5 und a+b+c+d=100
Al_aCu_bLi_cX_d mit 10 b 15, 25 c 35, d 5 und a+b+c+d=100
Al_aCu_bRu_cX_d mit 8 b 25, 10 c 20, d 12 und a+b+c+d=100

5. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das quasikristalline Material die folgende Summenformel hat: Al₆₅Cu₂₀Ru₁₅, Al₆₂Cu₂₀Co₁₅Si₃, Al_63,5Cu_24,5Fe₁₂, Al₆₄Cu₂₄Fe₁₂, Al₆₄Cu₂₂Fe₁₄, Al₆₀Cu₁₀Li₃₀, Ga₁₆Mg₃₂Zn₅₂, Al₆₅Cu₂₀Co₁₅ oder Al₇₀Mn₉Pd₂₁.

6. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein inhomogenes Material verwendet wird (a) aus quasikristallinen Partikeln in einer aus beliebigen anderen Materialien bestehenden Matrix oder (b) aus Partikeln beliebiger anderer Materialien in einer quasikristallinen Matrix oder (c) aus Hohlräumen in einer quasikristallinen Matrix.

7. Strahlungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel oder Hohlräume in der Matrix regelmäßig oder unregelmä ßig geformt sind und Volumina im Bereich von 0,2 nm³ bis 10 µm³ aufweisen.

8. Strahlungswandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-quasikristallinen Partikel oder die nicht-quasikristalline Matrix ein Dielektrikum sind bzw. ist.

9. Strahlungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum amorpher Kohlenstoff; ein dielektrisches Oxid, dielek trisches Nitrid, dielektrisches Halogenid oder eine dielektrische Schwefelverbindung beliebiger Haupt- oder Nebengruppenelemente; oder ein Gemisch davon ist.

10. Strahlungswandler nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Partikel innerhalb der Matrix einen Füllfaktor (Volumenanteil) im Bereich von 2-80% aufweisen.

11. Strahlungswandler nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Füllfaktor der Partikel innerhalb der Matrix räum lich variiert wird.

12. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das quasikristalline Material oder die quasikristallinen Partikel in der Matrix oder die quasikristalline Matrix neben der quasikristallinen Phase auch amorphe oder kristal line Phasen enthalten, deren Volumenanteil insgesamt unter 70% liegt.

13. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß sich das quasikristalline Material oder das inhomogene Material enthaltend das quasikristalline Material in Form von einer oder mehreren Schichten einer Dicke von 1 nm- 1 mm auf einem Substrat befindet.

14. Strahlungswandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein hochreflektierendes Metall oder eine Legierung oder eine dünne Schicht des Metalls oder der Legierung mit einer Dicke 1 nm-1 mm auf einem anderen Substrat ist.

15. Strahlungswandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das hochreflektierende Metall Aluminium, Kupfer; Silber; Gold, Mo lybdän, Titan oder Eisen ist und die Legierung Stahl oder Messing ist.

16. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere dielektrische Schichten mit quasikristallines Material enthaltenden Schichten ein Schicht system bilden.

17. Strahlungswandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten Dicken im Bereich von 10-1000 nm aufweisen.

18. Strahlungswandler nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeich net, daß die dielektrischen Schichten aus amorphem Kohlenstoff; einem dielektrischen Oxid, dielektrischen Nitrid, einem dielektrischen Halogenid, einer dielektrischen Schwefelverbindung beliebiger Haupt- oder Nebengruppenelemente, oder einem Gemisch davon bestehen.

19. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Aufdampfen, Zer stäuben oder CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) herstell bar sind.

20. Strahlungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des quasikristallinen Materials oder des inhomogenen Materials enthaltend das quasikri stalline Material Temperungsschritte mit Temperaturen im Bereich 200-900°C angewendet werden.

21. Strahlungswandler nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Substratoberfläche rauh ist, wobei die Rauheit durch eine statistische Verteilung der Abweichungen von einem mittleren Niveau gekennzeichnet ist und die Standardabweichung dieser Verteilung im Bereich von 1 bis 1500 nm liegt.

22. Verwendung des Strahlungswandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Absorber; dadurch gekennzeichnet, daß er zur Um wandlung von solarer Einstrahlung in thermische Energie in Kollek toren mit oder ohne Konzentration der solaren Einstrahlung in flacher oder anderer Geometrie eingesetzt wird.

23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungswandler zur Umwandlung von solarer Einstrahlung in thermische Energie hohe Absorptionsgrade für elektromagnetische Strahlung im solaren Wellenlängenbereich sowie hohe Reflexions grade für elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich der ther mischen Emission aufweist.

24. Verwendung des Strahlungswandlers nach einem der Ansprüche 1-21 als Emitter in Kombination mit einer Photozelle zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wärme.