ES2868097T3 - Uso del miembro de conversión de calor a luz - Google Patents
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Abstract
Uso de un miembro de conversión de luz en calor (12) para convertir la luz en calor, comprendiendo el miembro (12) un material compuesto de uno o más tipos de semiconductor (122) y uno o más tipos de material metálico (121), en el que el material metálico (121) está en forma de partículas, en el que el material metálico (121) comprende uno o más de material de Ag, material de Mo y material de Cu, caracterizado porque el material metálico (121) se dispersa dentro del semiconductor (122), y el semiconductor (122) comprende FeSix (X = 0,5-4).
Description
DESCRIPCIÓN
Uso del miembro de conversión de calor a luz
Campo técnico
La presente invención se refiere al uso de un elemento de conversión de luz a calor.
Antecedente de la técnica
Se conocen sistemas de generación de energía fotovoltaica que convierten la luz solar en calor y utilizan el calor para la generación de energía eléctrica. En los sistemas conocidos, la luz solar se recoge con un colector y la luz solar recogida se utiliza para calentar un medio de calentamiento (como aceite, sales disueltas o sodio fundido) en un recipiente o canal de flujo. También se está estudiando la provisión de materiales de cobertura, películas finas y similares en las superficies de los recipientes o canales de flujo como una forma de acelerar el calentamiento del medio de calentamiento mediante la luz solar recogida.
En NPL 1, por ejemplo, se proporciona un material de cobertura en la superficie de un recipiente o canal de flujo, y el material de cobertura promueve la absorción de la luz solar recogida al tiempo que minimiza la liberación de calor por radiación de calor del recipiente o canal de flujo al exterior. Como otro ejemplo, PTL 1 propone un método para producir un colector de calor solar que comprende un primer tubo de vidrio que tiene un interior de vacío y permite que la luz solar incida desde el exterior, y un segundo tubo de vidrio o tubo de metal provisto en el lado interno del primer tubo de vidrio y que tiene una película absorbente selectiva en la superficie, estando compuesta la película absorbente selectiva por una película de metal que contacta con el segundo tubo de vidrio o tubo de metal y una película fina dieléctrica adherida a la película de metal, en el que la película de metal está formada por un método de recubrimiento no electrolítico seleccionado entre el recubrimiento de níquel, cobalto, plata y cobre, y la película fina dieléctrica se forma recubriendo una película mediante un método de recubrimiento de una solución de un tipo o una mezcla seleccionada entre dióxido de titanio, pentóxido de tantalio y pentóxido de niobio, seguido de un tratamiento térmico de la película a 500°C o más en una atmósfera oxidante. Además, PTL 2 propone una composición de recubrimiento para la superficie de captación de calor de un colector de calor solar, que comprende un pigmento con una alta tasa de absorción solar que es altamente permeable a los rayos infrarrojos, polimetilpenteno y un disolvente que disuelve el polimetilpenteno, mientras que PTL 3 propone un aparato colector de calor solar que utiliza energía solar, comprendiendo el aparato colector de calor solar un convertidor de longitud de onda que absorbe al menos una parte de la luz solar y la convierte en luz de una longitud de onda diferente, y un acumulador de calor que absorbe la luz emitida por el convertidor de longitud de onda y genera calor. Además, PTL 4 propone un recubrimiento de absorción selectiva de luz solar que tiene una propiedad de absorción de luz solar y baja emisividad, comprendiendo el recubrimiento de absorción selectiva de luz solar un soporte (1) de un metal, material dieléctrico o material cerámico, al menos una capa de metal altamente reflectante de rayos infrarrojos medios a lejanos (2) acumulada sobre el soporte (1), una estructura absorbente multicapa (3) compuesta por una capa dieléctrica alterna (5) y una capa de metal (6), acumulada sobre la capa reflectante de metal (2), y al menos una capa dieléctrica antirreflectante (4), acumulada sobre la estructura absorbente multicapa (3), siendo las capas dieléctricas (5) de la estructura absorbente multicapa (3) del mismo o diferente espesor y/o composición, siendo las capas metálicas (6) de la estructura absorbente multicapa (3) del mismo o diferente espesores y / o composición, siendo los respectivos espesores de las capas metálicas (6) y las capas dieléctricas (5) de la estructura absorbente multicapa (3) menores de 10 nm y preferiblemente menores de 1 nm, siendo el espesor total de la estructura absorbente multicapa (3) de 5-1000 nm, en el que se especifica que la capa del material dieléctrico del recubrimiento de absorción selectiva de la luz solar se acumula por pulverización catódica reactiva que incluye un gas inerte y un gas reactivo en una cámara o una parte de una cámara en la que se va a acumular la capa dieléctrica, y la capa metálica del recubrimiento de absorción selectiva de la luz solar se acumula mediante pulverización catódica de CC, introduciendo solo un gas inerte en una cámara o parte de una cámara en la que se va a acumular la lámina de metal.
PTL 5 y PTL 6 describen semiconductores dopados. Una capa semiconductora de PTL 5 está dopada con antimonio. PTL 6 describe un óxido de titanio de tipo rutilo dopado con iones de metales de transición.
PTL 7 describe un uso de un miembro de conversión de luz a calor según el preámbulo de la reivindicación 1.
Lista de citas
Literatura de patentes
[PTL 1] Publicación de patente japonesa no examinada núm. 59-056661
[PTL 2] Publicación de patente japonesa no examinada núm. 58-001760
[PTL 3] Publicación de patente japonesa no examinada núm. 2010-002077
[PTL 4] Inspección pública de patente japonesa núm. 2012-506021
[PTL 5] documento FR 2506436 A1
[PTL 6] documento WO 2011/135974 A1
[PTL 7] documento AU 555903 B2
Literatura que no es de patentes
[NPL 1] Julio de 2002, NREL/TP-520-31267, "Review of Mid-to-High-Temperature Solar Selective Absorber Materials", C.E. Kennedy.
Compendio de la invención
Problema técnico
En la actualidad, es deseable lograr un calentamiento más acelerado de los medios de calentamiento mediante la luz solar recogida y lograr una conversión de luz a calor más eficiente.
Es un objeto de la presente invención proporcionar el uso de un miembro de conversión de luz a calor para convertir eficientemente la luz en calor.
Solución al problema
El medio para lograr estos objetivos se describe por los siguientes (1) a (6).
(1) Uso de un miembro de conversión de luz a calor para convertir luz en calor, comprendiendo el miembro un material compuesto de uno o más tipos de semiconductores y uno o más tipos de material metálico, en el que el material metálico está disperso dentro del semiconductor, y el el material metálico está en forma de partículas, y en el que el material metálico comprende uno o más de material de Ag, material de Mo y material de Cu, y el semiconductor comprende FeSiX (X = 0,5-4).
(2) El uso según (1), en el que X en FeSix es 2.
(3) El uso según (1) o (2), en el que el miembro tiene forma de película.
(4) El uso según (3), en el que la forma de la película tiene un espesor de 1 nm a 10 pm.
(5) Uso de un laminado de conversión de luz en calor para convertir la luz en calor, habiendo laminado el laminado al menos una o más capas que incluyen el miembro de conversión de luz en calor como se especifica en (3) o (4), y una capa de metal.
(6) Uso de un laminado de conversión de luz en calor para convertir la luz en calor, habiendo laminado el laminado al menos una capa de metal, una o más capas que incluyen el miembro de conversión de luz en calor como se especifica en (3) o (4), y una capa dieléctrica transparente, en ese orden.
Efectos ventajosos de la invención
Según la presente invención, se proporciona el uso de un miembro de conversión de luz en calor que puede convertir de manera eficiente la luz en calor.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un dibujo esquemático en sección transversal que muestra el uso de un miembro de conversión de luz en calor en un laminado de conversión de calor 1 como una realización según la presente invención.
La figura 2 es un gráfico que muestra los resultados de las propiedades de absorción de una película monocapa ''metasemi'' de Ag-FeSi2.
La figura 3 es un gráfico que muestra los resultados de las propiedades de absorción de una película monocapa "metasemi" de Mo-FeSi2.
La figura 4 es un gráfico que muestra los resultados de las propiedades de absorción de una película monocapa "metasemi" de Cu-FeSi2.
Descripción del miembro de conversión de calor y laminado
(1) Miembro de conversión de calor
El miembro de conversión de calor comprende un material compuesto de uno o más tipos de semiconductores y uno o más tipos de material metálico. El miembro de conversión de calor permite variar la propiedad de absorción de la luz solar ajustando el contenido (tasa de adición) de uno o más tipos de material metálico, permitiendo así una conversión eficiente de luz en calor con selectividad óptica mejorada. Aquí, "selectividad óptica" se refiere a un cambio dramático
en las características ópticas, como la reflectancia en ciertas longitudes de onda o ciertos rangos de longitud de onda.
Los uno o más tipos de semiconductores del material compuesto en el miembro de conversión de calor (también denominado como "material compuesto") pueden ser de un solo tipo de semiconductor o una mezcla de dos o más tipos diferentes de semiconductores.
El semiconductor de un material compuesto en el miembro de conversión de calor comprende FeSiX (X = 0,5-4).
El uno o más tipos de material metálico en el material compuesto en el miembro de conversión de calor también pueden ser un solo tipo de material metálico o una mezcla de dos o más tipos diferentes de material metálico.
El material metálico en el material compuesto en el miembro de conversión de calor comprende uno o más de un material de Ag, material de Mo o material de Cu.
El uno o más tipos de material metálico en el material compuesto en el miembro de conversión de calor está en forma de partículas. Dicho material puede ser partículas metálicas o partículas finas metálicas. El diámetro de partícula de las partículas del material metálico es preferiblemente 1-100 nm.
El uno o más tipos de semiconductores en el material compuesto en el miembro de conversión de calor comprende FeSiX (X = 0,5-4) y más preferiblemente comprende FeSi2.
El miembro de conversión de calor puede tener cualquier forma deseada, tal como en forma de película, forma de tubo, forma de lámina o similar, sin embargo se prefiere una forma de película. El espesor de una película del miembro de conversión de calor puede ser cualquier espesor deseado siempre que se muestre el efecto de la presente invención, sin embargo, preferiblemente una película del miembro de conversión de calor tiene un espesor de 1 nm a 10 gm, y más preferiblemente tiene un espesor de 5 nm a 100 nm.
El contenido de uno o más tipos de material metálico en el miembro de conversión de calor puede ser el que se desee, tal como 1-50% en volumen, por ejemplo.
El miembro de conversión de calor puede contener también cualquier material deseado distinto de un material compuesto de uno o más tipos de semiconductores y uno o más tipos de materiales metálicos. Por ejemplo, un material dieléctrico transparente como SiÜ2 se puede mezclar en forma de partículas o partículas finas.
El miembro de conversión de calor se puede obtener mediante cualquier método de producción conocido públicamente deseado. Por ejemplo, el miembro de conversión de calor se puede producir mediante deposición física en fase de vapor (PVD), pulverización catódica o similares.
(2) Laminado de conversión de calor
Como una característica, el laminado de conversión de calor ha laminado una o más capas que comprenden un miembro de conversión de calor similar a una película y una capa de metal, y puede tener una capa de metal y una o más capas que comprenden un miembro de conversión de calor similar a una película laminado en ese orden, o la laminación puede ser en orden inverso.
Como otra característica, el laminado de conversión de calor también puede tener al menos una capa metálica, una o más capas que comprenden un miembro de conversión de calor similar a una película y una capa dieléctrica transparente, laminada en ese orden.
La una o más capas que contienen un miembro de conversión de calor similar a una película en el laminado de conversión de calor se pueden construir como una capa fotoabsorbente, y esto permite que la propiedad de absorción de la luz solar se varíe ajustando el contenido del uno o más tipos de material metálico, permitiendo así la conversión eficiente de luz en calor con selectividad óptica mejorada. El espesor de la una o más capas que comprenden un miembro de conversión de calor similar a una película en el laminado de conversión de calor puede ser cualquier espesor deseado siempre que se muestre el efecto de la presente invención, y es preferiblemente un espesor de 5 nm a 100 nm. La capa que comprende el miembro de conversión de calor similar a una película en el laminado de conversión de calor puede ser una capa única o múltiples capas. La una o más capas que comprenden un miembro de conversión de calor similar a una película en el laminado de conversión de calor también pueden incluir cualquier material distinto del miembro de conversión de calor similar a una película.
La capa de metal en el laminado de conversión de calor se puede construir como una capa antirreflectante de infrarrojos. La capa de metal en el laminado de conversión de calor no está particularmente restringida y, por ejemplo, puede ser una capa de molibdeno (Mo), una capa de tungsteno (W), una capa de plata (Ag), una capa de oro (Au), una capa de cobre (Cu) o similar, y es preferiblemente una capa de molibdeno (Mo). El espesor de la capa de metal en el laminado de conversión de calor puede tener cualquier espesor deseado siempre que se muestre el efecto de la presente invención, y es preferiblemente un espesor de 100 nm o mayor.
La capa dieléctrica transparente en el laminado de conversión de calor también se puede construir como una capa antirreflectante. La capa dieléctrica transparente en el laminado de conversión de calor no está particularmente
restringida, y los ejemplos incluyen una capa de SÍO2 , capa de AI2O3 , capa de AlN o similar, prefiriéndose una capa de SiO2. El espesor de la capa dieléctrica transparente en el laminado de conversión de calor puede ser cualquier espesor deseado siempre que se muestre el efecto de la presente invención, y es preferiblemente un espesor de 10 nm a 500 nm.
El laminado de conversión de calor también puede incluir una capa absorbente distinta de un miembro de conversión de calor de la presente invención, como capa fotoabsorbente.
El laminado de conversión de calor se puede obtener mediante cualquier método de producción conocido públicamente deseado. Por ejemplo, el laminado de conversión de calor se puede producir mediante deposición física en fase de vapor (PVD), pulverización catódica o similares.
El laminado de conversión de calor se explicará ahora con mayor detalle con referencia a la figura 1.
La figura 1 es un dibujo que muestra un laminado de conversión de calor 1. El laminado de conversión de calor 1 está formado por una capa dieléctrica transparente 11, una capa que comprende un miembro de conversión de calor (capa fotoabsorbente) 12 y una capa de metal 13. Además, la capa que comprende un miembro de conversión de calor (capa fotoabsorbente) 12 comprende partículas finas metálicas 121 y un semiconductor 122. Como se muestra en la figura 1, las partículas finas metálicas 121 están dispersas dentro del semiconductor 122.
Ejemplos
Se proporcionarán ahora ejemplos para una explicación más concreta de la presente invención. Sin embargo, la presente invención no se limita a estos ejemplos, siempre que se mantengan el objeto y la esencia de la presente invención.
Evaluación de las propiedades de absorción del miembro de conversión de calor
Las propiedades de absorción de los miembros de conversión de calor se evaluaron usando los Ejemplos 1 a 3 y el Ejemplo comparativo 1.
(Ejemplo 1)
Las propiedades de absorción de un miembro de conversión de calor se evaluaron utilizando una película monocapa ''metasemi'' de Ag-FeSi2. El término ''metasemi'' significa "metal semiconductor".
Método de formación de película monocapa metasemi de Ag-FeSi2
Sobre un sustrato de cuarzo a temperatura ambiente, FeSi2 y Ag (plata) se pulverizaron simultáneamente para formar una película. Después de la formación de la película, se realizó el recocido durante 1 hora en un horno de vacío a una temperatura no superior a 800°C. Se prepararon dos muestras de metasemi de Ag-FeSi2 con diferentes tasas de adición de Ag (plata) (4,0% en volumen, 8,6% en volumen).
Las constantes ópticas (índice de refracción n, coeficiente de extinción k) de los metasemi de Ag-FeSi2 se calcularon para la muestra obtenida a partir de los datos de medición con un elipsómetro espectroscópico y la propiedad de reflectancia y la propiedad de transmitancia se midieron con un espectrofotómetro.
La aproximación de película multicapa calculada basada en las constantes ópticas (n, k) para metasemi de Ag-FeSi2 se utilizó para calcular la tasa de absorción de la película monocapa metasemi de Ag-FeSi2 (correspondiente a un espesor de película de 30 nm). La figura 2 muestra los resultados de las propiedades de absorción de una película monocapa metasemi de Ag-FeSi2.
(Ejemplo 2)
Las propiedades de absorción de un miembro de conversión de calor se evaluaron usando una película monocapa metasemi de Mo-FeSi2.
Método de formación de una película monocapa metasemi de Mo-FeSi2
Sobre un sustrato de cuarzo calentado a una temperatura no superior a 700°C, FeSi2 y Mo (molibdeno) se pulverizaron simultáneamente para formar una película. Se prepararon dos muestras de metasemi de Mo-FeSi2 con diferentes tasas de adición de Mo (molibdeno) diferentes (4,2% en volumen, 9,4% en volumen).
Las constantes ópticas (índice de refracción n, coeficiente de extinción k) de los metasemi de Mo-FeSi2 se calcularon para la muestra obtenida a partir de los datos de medición con un elipsómetro espectroscópico y la propiedad de reflectancia y la propiedad de transmitancia se midieron con un espectrofotómetro.
La aproximación de película multicapa calculada basada en las constantes ópticas (n, k) para metasemi de Mo-FeSi2 se utilizó para calcular la tasa de absorción de la película monocapa metasemi de Mo-FeSi2 (correspondiente a un espesor de película de 30 nm). La Fig. 3 muestra los resultados de las propiedades de absorción de una película
monocapa metasemi de Mo-FeSÍ2.
(Ejemplo 3)
Las propiedades de absorción de un miembro de conversión de calor se evaluaron usando una película monocapa metasemi de Cu-FeSi2.
Método de formación de la película monocapa metasemi de Cu-FeSi2
Sobre un sustrato de cuarzo calentado a una temperatura no superior a 700°C, FeSi2 y Cu (cobre) se pulverizaron simultáneamente para formar una película. Se preparó una muestra de metasemi de Cu-FeSi2 con una tasa de adición de Cu (cobre) de 8,1% en volumen.
Las constantes ópticas (índice de refracción n, coeficiente de extinción k) de los metasemi de Cu-FeSi2 se calcularon para la muestra obtenida a partir de los datos de medición con un elipsómetro espectroscópico y la propiedad de reflectancia y la propiedad de transmitancia se midieron con un espectrofotómetro.
La aproximación de la película multicapa calculada basada en las constantes ópticas (n, k) para los metasemi de Cu-FeSi2 se utilizó para calcular la tasa de absorción de la película monocapa metasemi de Cu-FeSi2 (correspondiente a un espesor de película de 30 nm). La figura 4 muestra los resultados de las propiedades de absorción de una película monocapa metasemi de Cu-FeSi2.
(Ejemplo comparativo 1)
Se evaluaron las propiedades de absorción de una película monocapa de FeSi2.
Método de formación de una película monocapa de FeSi2
Sobre un sustrato de cuarzo calentado a una temperatura no superior a 700°C, fue pulverizado FeSi2 para formar una película. Una muestra de FeSi2 se fabricó.
Las constantes ópticas (índice de refracción n, coeficiente de extinción k) del FeSi2 se calcularon para la muestra obtenida a partir de los datos de medición con un elipsómetro espectroscópico y la propiedad de reflectancia y la propiedad de transmitancia se midieron con un espectrofotómetro.
La aproximación de película multicapa calculada basada en las constantes ópticas (n, k) para FeSi2 se utilizó para calcular la tasa de absorción de la película monocapa de FeSi2 (correspondiente a un espesor de película de 30 nm). Las figuras 2 a 4 muestran los resultados de las propiedades de absorción de una película monocapa de FeSi2. Resultados de la evaluación
Con referencia a la figura 2, se ve que la curva de propiedad de absorción se desplaza hacia el extremo de la longitud de onda larga a medida que aumenta la cantidad de adición de Ag (plata) (0% en volumen ^ 4,0% en volumen ^ 8,6% en volumen). Por lo tanto, dado que la propiedad de absorción de la luz solar de la película monocapa metasemi de Ag-FeSi2 se puede variar ajustando el contenido de material de Ag (plata) (cantidad de adición), es posible aumentar la selectividad óptica y lograr una conversión eficiente de luz en calor.
Con referencia a la Fig. 3, se ve que la curva de propiedad de absorción se desplaza hacia el extremo de la longitud de onda larga a medida que aumenta la cantidad de adición de Mo (molibdeno) (0% en volumen ^ 4,2% en volumen ^ 9,4% en volumen). Por lo tanto, dado que la propiedad de absorción de la luz solar de la película monocapa metasemi de Mo-FeSi2 se puede variar ajustando el contenido de material de Mo (molibdeno) (cantidad de adición), es posible aumentar la selectividad óptica y lograr una conversión eficiente de luz en calor.
Con referencia a la Fig. 4, se ve que la curva de propiedad de absorción se desplaza hacia el extremo de la longitud de onda larga a medida que aumenta la cantidad de adición de Cu (cobre) (0% en volumen ^ 8,1% en volumen). Por lo tanto, dado que la propiedad de absorción de la luz solar de la película monocapa metasemi de Cu-FeSi2 se puede variar ajustando el contenido de material de Cu (cobre) (cantidad de adición), es posible aumentar la selectividad óptica y lograr una conversión eficiente de luz en calor. Por lo tanto, la curva de propiedad de absorción se puede desplazar hacia el extremo de la longitud de onda larga en comparación con una película monocapa de FeSi2 , como se muestra en las Figs. 2 a 4, y la selectividad óptica se mantiene incluso después del desplazamiento. Por tanto, es posible utilizar el miembro de conversión de calor en lugar de una película monocapa de FeSi2. En este caso, el miembro de conversión de calor se puede laminar sobre una capa de metal como una capa reflectante de rayos infrarrojos, y se puede formar adicionalmente una capa dieléctrica transparente como capa antirreflectante.
(Ejemplo 4)
Se evaluaron las propiedades de un laminado según las realizaciones anteriores.
Las propiedades de un laminado preparado laminando una capa de metal, una capa metasemi (capa fotoabsorbente)
y una capa dieléctrica transparente en ese orden se evaluaron calculando la tasa de absorción usando la aproximación de película multicapa, de la misma manera, y se confirmó un desplazamiento en las propiedades hacia el extremo de longitud de onda larga, similar a una película monocapa.
Lista de señales de referencia
1 Laminado de conversión de calor
11 Capa dieléctrica transparente
12 Capa que comprende el miembro de conversión de calor
(capa fotoabsorbente)
13 Capa de metal
121 Partículas finas de metal
122 Semiconductor
Claims (6)
1. Uso de un miembro de conversión de luz en calor (12) para convertir la luz en calor, comprendiendo el miembro (12) un material compuesto de uno o más tipos de semiconductor (122) y uno o más tipos de material metálico (121), en el que
el material metálico (121) está en forma de partículas, en el que
el material metálico (121) comprende uno o más de material de Ag, material de Mo y material de Cu, caracterizado porque el material metálico (121) se dispersa dentro del semiconductor (122), y
el semiconductor (122) comprende FeSix (X = 0,5-4).
2. El uso según la reivindicación 1, en el que X en FeSix es 2.
3. El uso según la reivindicación 1 o 2, que tiene una forma de película.
4. El uso según la reivindicación 3, en el que la forma de la película tiene un espesor de 1 nm a 10 pm.
5. Uso de un laminado de conversión de luz en calor (1) para convertir luz en calor, habiendo laminado el laminado (1) al menos una o más capas que incluyen el miembro de conversión de luz en calor (12) como se especifica según la reivindicación 3 o 4, y una capa de metal (13).
6. Uso de un laminado de conversión de luz en calor (1) para convertir la luz en calor, habiendo laminado el laminado (1) al menos una capa de metal (13), una o más capas que incluyen el miembro de conversión de luz en calor (12) como se especifica según la reivindicación 3 o 4, y una capa dieléctrica transparente (11), en ese orden.
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