JP2015111011A - 光選択吸収膜、集熱管、および太陽熱発電装置 - Google Patents

光選択吸収膜、集熱管、および太陽熱発電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】日射エネルギー吸収率が高く、かつ４００℃以上での放射率が低い光選択吸収膜を提供する。【解決手段】基材上に形成される光選択吸収膜であって、前記基材上に積層され、前記基材側から順に金属層と半導体層との繰り返し構造を２以上有する第１の積層部と、前記第１の積層部上に積層され、誘電体層と半導体層との繰り返し構造を１以上有する第２の積層部と、前記第２の積層部上に積層された誘電体層からなる第３の積層部とを有する光選択吸収膜。【選択図】図６

Description

本発明は、光選択吸収膜、集熱管、および太陽熱発電装置に係り、特に太陽熱発電装置用の集熱管の表面に好適に形成される光選択吸収膜、該光選択吸収膜を有する集熱管、および太陽熱発電装置に関する。
太陽熱発電（ＣＳＰ：Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ）は、例えば、鏡等の太陽光反射板により太陽光を集光して熱を発生させ、この熱によりオイル等の液体を加熱し、この熱を蒸気に変換し、蒸気タービンを回転させて発電を行う発電方式である。発電の原理は伝統的な火力発電と基本的に同様であるが、熱の発生に燃料の燃焼ではなく、太陽熱を利用する点で環境に優しい発電方式である。
ＣＳＰには、パラボリックトラフ式、リニアフレネル式、ディッシュ式、タワー式等の方式がある。例えば、パラボリックトラフ式は、太陽光反射板となる雨樋形状の曲面鏡と、この曲面鏡の焦点付近に沿って設置されたパイプ状の集熱管とを有し、太陽光を曲面鏡によって集熱管に集光し、この集熱管内を流れるオイル等の液体を加熱し、これにより発電する発電方式である。タワー式太陽熱発電と比較すると、太陽光反射板の配置が容易なことから大規模な施設の建設が容易である点で優れる。
このような集熱管を流れる液体の温度は４００℃以上となる。また、集熱管の表面には、日射エネルギーを効率よく吸収する一方、集熱管から外部への熱放射を低減する目的から、光選択吸収膜が設けられる。
光選択吸収膜として、例えば、赤外領域反射層に、金、銀、白金を用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、赤外領域反射層に、金、銀、白金を用いた場合、赤外領域反射層を挟むようにＳｉＯｘ層からなるバリア層が必要となる。
また、光選択吸収膜として、例えば、誘電体層と、クロム、窒化クロム、および酸窒化クロムからなる群から選択された１種以上のクロム系層とを有するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、このような光選択吸収膜は主として太陽熱温水器に用いられるものであり、太陽熱発電における集熱管の作動温度である４００℃付近に相当する波長４〜５μｍの波長域の放射率は必ずしも低くない。すなわち、上記波長域の反射率は必ずしも十分に高くなく、太陽熱発電の集熱管に適用した場合、集熱管から外部に熱が逃げやすい。
さらに、光選択吸収膜として、例えば、ＴｉＳｉ層、ＴｉＯ２層、およびＳｉＯ２層を有するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、このような光選択吸収膜は層数が多くなりやすく、構成が複雑となり、また各層の膜厚を精密に制御する必要がある。
また、光選択吸収膜として、例えば、ＭｏとＳｉＯ２のサーメット層を有するものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、Ｍｏを用いるために高温での耐酸化性が十分でなく、またサーメット層を安定的に形成することは容易でない。さらに、ＷとＡｌ２Ｏ３の傾斜組成を有するサーメット層を有するものが提案されている（例えば、特許文献５参照）。しかし、一部にＲＦスパッタ法による成膜方法を用いることから、必ずしも成膜速度が早くなく生産性が十分でない。
特開２００９−１９８１７０号公報 特開２００６−２１４６５４号公報 国際公開第２００９／５１５９５号パンフレット 国際公開第２００２／１０３２５７号パンフレット 国際公開第２００９／１０７１５７号パンフレット
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、日射エネルギー吸収率が高く、かつ４００℃以上での放射率が低い光選択吸収膜の提供を目的とする。また、本発明は、このような光選択吸収膜を有する集熱管、および太陽熱発電装置の提供を目的とする。
本発明の光選択吸収膜は、基材上に形成される光選択吸収膜であって、前記基材上に積層され、前記基材側から順に金属層と半導体層との繰り返し構造を２以上有する第１の積層部と、前記第１の積層部上に積層され、誘電体層と半導体層との繰り返し構造を１以上有する第２の積層部と、前記第２の積層部上に積層された誘電体層からなる第３の積層部とを有することを特徴とする。
本発明の集熱管は、集熱管本体と、前記集熱管本体の外面に形成される光選択吸収膜とを有する集熱管であって、前記光選択吸収膜が上記した本発明の光選択吸収膜であることを特徴とする。
本発明の太陽熱発電装置は、集熱管と、前記集熱管に太陽光を集光する集光手段とを有する集熱器を備える太陽熱発電装置であって、前記集熱管が上記した本発明の集熱管であることを特徴とする。
本発明の光選択吸収膜は、基材側から順に金属層と半導体層との繰り返し構造を２以上有する第１の積層部と、該第１の積層部上に積層され、誘電体層と半導体層との繰り返し構造を１以上有する第２の積層部と、該第２の積層部上に積層された誘電体層からなる第３の積層部とを有する。このような構造によれば、日射エネルギー吸収率を高くできるとともに、４００℃以上での放射率を低くできる。また、本発明の集熱管、および太陽熱発電装置によれば、このような光選択吸収膜を有することで太陽熱発電の発電効率を向上できる。
実施形態のパラボリックトラフ型集熱器の一例を示す外観図。 図１に示す集熱器の集熱管の一例を示す平面図。 図２に示す集熱管の断面図。 実施形態のリニアフレネル型集熱器の一例を示す外観図。 図４に示す集熱器のレシーバーの一例を示す断面図。 実施形態の光選択吸収膜の一例を示す断面図 実施例１の評価用基板の反射率分布および吸収率分布を示す図。 比較例１の評価用基板の反射率分布を示す図。 比較例２の評価用基板の反射率分布を示す図。 比較例３の評価用基板の反射率分布を示す図。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、太陽熱発電装置における集熱器の一実施形態としてのパラボリックトラフ型集熱器の外観図である。
パラボリックトラフ型集熱器１は、集光手段としての放物面反射鏡であるパラボリック反射鏡２を有する。パラボリック反射鏡２は、反射鏡用支持体３によって支持される。パラボリック反射鏡２の焦点部分には、該焦点部分に沿って延びるように集熱管４が設けられる。集熱管４は、集熱管用支持体５によってパラボリック反射鏡２や反射鏡用支持体３に固定される。
このようなパラボリックトラフ型集熱器１では、パラボリック反射鏡２によって太陽光が集熱管４に集光され、この集光された太陽光によって集熱管４が加熱される。集熱管４の内部にはオイル等の熱媒体が流動しており、集熱管４の加熱によって内部の熱媒体が加熱される。図示しないが、パラボリックトラフ型集熱器１は蒸気タービンに接続されており、熱媒体の熱を利用して蒸気タービンを回転させることにより発電が行われる。
図２は、パラボリックトラフ型集熱器１に用いられる集熱管４の一実施形態を示す平面図である。また、図３は、図２に示す集熱管４のＡＡ線断面図である。集熱管４は、内部に熱媒体が流動されるスチール管等からなる集熱管本体４１を有し、その外面に光選択吸収膜４２が設けられる。集熱管本体４１の外側には、集熱管本体４１を覆うように所定の間隔を設けてガラス管４３が設けられる。集熱管本体４１とガラス管４３とは、これらの間が真空状態となるように両端部が固定金具４４によって固定される。
図４は、太陽熱発電装置における集熱器の他の実施形態としてのリニアフレネル型集熱器の外観図である。また、図５は、図４に示すリニアフレネル型集熱器のレシーバーを示す断面図である。
リニアフレネル型集熱器６は、例えば、集光手段としての複数の並列配置された板状の第１の反射鏡７を有し、これらの間に、これらと並列、かつこれらよりも高い位置にレシーバー８が配置される。レシーバー８は、例えば、レシーバー用支持体９によって固定される。レシーバー８は、集熱管４と、第１の反射鏡７の反射光を集熱管４に集光する集光手段としての第２の反射鏡８１、この第２の反射鏡８１を収容するとともに第１の反射鏡７側が開口されたケース部８２、およびこのケース部８２の開口部に配置されたガラス板８３を有する。リニアフレネル型集熱器６の集熱管４は、例えば、内部に熱媒体が流動されるスチール管等からなる集熱管本体４１を有し、その外面に光選択吸収膜４２が設けられる。
図６は、光選択吸収膜４２の一実施形態を示す断面図である。なお、図６には、基材となる集熱管本体４１を併せて示す。
光選択吸収膜４２は、集熱管本体４１側から、第１の積層部４２１、第２の積層部４２２、および第３の積層部４２３を順に有する。第１の積層部４２１は、集熱管本体４１側から順に金属層４２１ａと半導体層４２１ｂとの繰り返し構造を２以上有する。第２の積層部４２２は、集熱管本体４１側から順に誘電体層４２２ａと半導体層４２２ｂとの繰り返し構造を１以上有する。第３の積層部４２３は、誘電体層４２３ａを有する。
このような光選択吸収膜４２によれば、金属層４２１ａと半導体層４２１ｂとの繰り返し構造を２以上有する第１の積層部４２１、誘電体層４２２ａと半導体層４２２ｂとの繰り返し構造を１以上有する第２の積層部４２２、および誘電体層４２３ａを有する第３の積層部４２３を備えることで、日射エネルギー吸収率を高くでき、かつ４００℃以上での放射率を低くできる。従って、上記したパラボリックトラフ型集熱器１やリニアフレネル型集熱器６のように集熱管４の温度が４００℃以上となるものに適用することで、これらを有する太陽熱発電装置の発電効率を効果的に向上できる。
また、各層の構成材料が比較的に単純なことから、例えばサーメット層を有するものに比べて容易かつ安定的に形成できる。さらに、半導体層と誘電体層との基本的な構成元素を同種の元素とすることもでき、このようなものによれば、例えばスパッタリング法により製造する場合にターゲットの使用本数を削減でき、生産性を向上できる。以下、各積層部について説明する。
第１の積層部４２１は、主として波長選択性を向上させる役割を有する。すなわち、可視域および近赤外域の光を吸収するとともに、赤外域の光を反射する機能を主として有する。繰り返し構造の数は、波長選択性、すなわち、可視域および近赤外域では反射率を０％に近くする一方、近赤外域から赤外域にかけて急激に反射率を上昇させる観点から、少なくとも２以上である。繰り返し構造の数は、波長選択性を向上させる観点からは多い方が好ましいが、多くなると膜数が多くなるために生産性が低下し、また耐熱性も低下しやすい。このため繰り返し構造の数は、２〜１０が好ましく、２〜８がより好ましく、２〜６がさらに好ましい。
ここで、繰り返し構造の数は、金属層４２１ａと半導体層４２１ｂとの組み合わせを１として数える。すなわち、繰り返し構造の数が２の場合、「金属層４２１ａ／半導体層４２１ｂ／金属層４２１ａ／半導体層４２１ｂ」の構造となる。
金属層４２１ａは、主として波長選択性を向上させる役割を有する。金属層４２１ａは、金属材料からなるものであって、波長選択性を有するもの、すなわち、可視域および近赤外域の光を吸収するとともに、赤外域の光を反射するものであれば必ずしも限定されないが、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、もしくはＷ、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む合金からなるものが好ましい。これらの中でも、耐熱性、化学的安定性、基材となる集熱管本体４１との密着性、入手の容易さ等の観点から、Ｃｒ単体またはＣｒ合金からなるものがより好ましく、特にＣｒ単体からなるものが好ましい。
なお、複数の金属層４２１ａの構成元素は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、例えばスパッタリング法により製造する場合のターゲットの使用本数を削減できることから、互いに同一であることが好ましい。
金属層４２１ａの物理膜厚は、集熱管本体４１に最初に積層される金属層４２１ａの物理膜厚が６０〜２００ｎｍ、その他の金属層４２１ａの物理膜厚が５〜１０ｎｍであることが好ましい。なお、その他の金属層４２１ａが複数ある場合、物理膜厚は、互いに同一であってもよいし、異なってもよい。金属層４２１ａの物理膜厚が上記範囲内にあると、十分な波長選択性を得ることができ、また生産性も良好とできる。集熱管本体４１に最初に積層される金属層４２１ａの物理膜厚は６５〜２００ｎｍがより好ましく、７０〜１３０ｎｍがさらに好ましく、その他の金属層４２１ａの物理膜厚は６〜９ｎｍがより好ましい。
半導体層４２１ｂは、金属層４２１ａによる波長選択性を向上させる役割を有する。半導体層４２１ｂは、半導体材料からなるものであって、金属層４２１ａによる波長選択性を向上できるものであれば必ずしも限定されないが、ＳｉもしくはＧｅ、またはこれらの元素から選ばれる少なくとも１種の元素を含む化合物からなることが好ましい。これらの中でも、Ｓｉ単体またはＳｉ化合物からなるものがより好ましく、特にＳｉ単体からなるものが好ましい。Ｓｉ単体からなるものによれば、特に、耐熱性に優れるとともに、可視域では吸収層として高吸収率が得られ、赤外域では透明層として低放射率が得られる。
なお、複数の半導体層４２１ｂの構成元素は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、例えばスパッタリング法により製造する場合のターゲットの使用本数を削減できることから、互いに同一であることが好ましい。
半導体層４２１ｂの物理膜厚は、いずれも５〜２０ｎｍが好ましい。なお、半導体層４２１ｂの物理膜厚は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、いずれも上記範囲内にあることが好ましい。半導体層４２１ｂの物理膜厚が上記範囲内にあると、金属層４２１ａによる波長選択性を効果的に向上できる。半導体層４２１ｂの物理膜厚は、集熱管本体４１に最も近い側となる半導体層４２１ｂの物理膜厚が７〜１８ｎｍであることがより好ましく、その他の半導体層４２１ｂの物理膜厚が９〜１５ｎｍであることがより好ましい。
第１の積層部４２１には、耐熱性を向上させる観点から、上記した金属層４２１ａおよび半導体層４２１ｂに加えて、図示しない誘電体層を設けることができる。誘電体層を設けることで、光学特性に影響を与えずに耐熱性を向上できる。誘電体層は、金属層４２１ａと半導体層４２１ｂとの間であれば特に制限されることなく設けることができ、一部の間のみに設けてもよいし、全ての間に設けてもよい。以下、このような誘電体層を層間誘電体層と記す。
層間誘電体層は、誘電材料からなるものであれば必ずしも限定されないが、Ａｌ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＺｒから選ばれる１種以上の元素の酸化物、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなるものが好ましい。このようなものとしては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＨｆＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｓｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｒＯ２等が挙げられる。
これらの中でも、ＳｉもしくはＧｅの酸化物、またはＳｉおよびＧｅから選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなるものが好ましく、特に、Ｓｉの酸化物またはＳｉを含む複合酸化物からなるものがより好ましく、Ｓｉの酸化物からなるものがさらに好ましい。
なお、層間誘電体層が複数ある場合、層間誘電体層の構成元素は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、例えばスパッタリング法により製造する場合のターゲットの使用本数を削減できることから、互いに同一であることが好ましい。また、同様の観点から、層間誘電体層の酸素以外の構成元素は、第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂの構成元素と同一であることが好ましい。
層間誘電体層の物理膜厚は、１〜３０ｎｍが好ましい。なお、層間誘電体層が複数ある場合、層間誘電体層の物理膜厚は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、いずれも上記範囲内にあることが好ましい。層間誘電体層の物理膜厚が上記範囲内にあると、耐熱性を効果的に向上できる。層間誘電体層の物理膜厚は、２〜２０ｎｍがより好ましく、３〜１０ｎｍがさらに好ましい。
第２の積層部４２２および第３の積層部４２３は、光干渉により波長選択性を向上させる役割を有する。
第２の積層部４２２は、誘電体層４２２ａと半導体層４２２ｂとの繰り返し構造を１以上有する。第２の積層部４２２における繰り返し構造の数は、波長選択性を向上させる観点から、少なくとも１以上である。繰り返し構造の数は、波長選択性を向上させる観点からは多い方が好ましいが、多くなると膜数が多くなるために生産性が低下し、また耐熱性も低下しやすい。このため繰り返し構造の数は、１〜１０が好ましく、１〜６がより好ましく、１〜４がさらに好ましい。
ここでの繰り返し構造の数も、誘電体層４２２ａと半導体層４２２ｂとの組み合わせを１として数える。すなわち、繰り返し構造の数が１の場合、「誘電体層４２２ａ／半導体層４２２ｂ」の構造となる。
誘電体層４２２ａは、半導体層４２２ｂと合わせて光干渉により波長選択性を向上させる機能を有する。誘電体層４２２ａは、誘電材料からなるものであれば必ずしも限定されないが、Ａｌ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＺｒから選ばれる１種以上の元素の酸化物、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなるものが好ましい。
これらの中でも、ＳｉもしくはＧｅの酸化物、またはＳｉおよびＧｅから選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなるものが好ましく、Ｓｉの酸化物またはＳｉを含む複合酸化物からなるものがより好ましく、特にＳｉの酸化物からなるものが好ましい。Ｓｉの酸化物からなるものによれば、特に、耐熱性と物理化学的安定性に優れ、また低屈折率物質として光学干渉により高吸収率が得られる。
なお、誘電体層４２２ａが複数ある場合、誘電体層４２２ａの構成元素は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、例えばスパッタリング法により製造する場合のターゲットの使用本数を削減できることから、互いに同一であることが好ましい。また、同様の観点から、誘電体層４２２ａの酸素以外の構成元素は、第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂの構成元素と同一であることが好ましい。
誘電体層４２２ａの物理膜厚は、１０〜３０ｎｍが好ましい。なお、誘電体層４２２ａが複数ある場合、誘電体層４２２ａの物理膜厚は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、いずれも上記範囲内にあることが好ましい。誘電体層４２２ａの物理膜厚が上記範囲内にあると、波長選択性を効果的に向上できる。誘電体層４２２ａの物理膜厚は、１５〜２５ｎｍがより好ましい。
半導体層４２２ｂは、誘電体層４２２ａと合わせて光干渉により波長選択性を向上させる機能を有する。半導体層４２２ｂは、半導体材料からなるものであれば必ずしも限定されないが、ＳｉもしくはＧｅ、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む化合物からなることが好ましい。これらの中でも、Ｓｉ単体またはＳｉ化合物からなるものがより好ましく、特にＳｉ単体からなるものが好ましい。Ｓｉ単体からなるものによれば、特に、耐熱性に優れるとともに、可視域では吸収層として高吸収率が得られ、赤外域では透明層として低放射率が得られる。
なお、半導体層４２２ｂが複数ある場合、半導体層４２２ｂの構成元素は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、例えばスパッタリング法により製造する場合のターゲットの使用本数を削減できることから、互いに同一であることが好ましい。また、同様の観点から、半導体層４２２ｂの構成元素は、第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂの構成元素および第２の積層部４２２の誘電体層４２２ａの酸素以外の構成元素と同一であることが好ましい。
半導体層４２２ｂの物理膜厚は、２〜９ｎｍが好ましい。なお、半導体層４２２ｂが複数ある場合、半導体層４２２ｂの物理膜厚は、互いに同一であってもよいし、異なってもよいが、いずれも上記範囲内にあることが好ましい。半導体層４２２ｂの物理膜厚が上記範囲内にあると、波長選択性を効果的に向上できる。半導体層４２２ｂの物理膜厚は、３〜７ｎｍがさらに好ましい。
第３の積層部４２３は、誘電体層４２３ａを有する。誘電体層４２３ａは、第２の積層部４２２の誘電体層４２２ａおよび半導体層４２２ｂと合わせて光干渉により波長選択性を向上させる機能を有するとともに、反射防止の機能を有する。誘電体層４２３ａは、誘電材料からなるものであれば必ずしも限定されないが、Ａｌ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＺｒから選ばれる１種以上の元素の酸化物、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなるものが好ましい。
これらの中でも、ＳｉもしくはＧｅの酸化物、またはＳｉおよびＧｅから選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなるものが好ましく、Ｓｉの酸化物またはＳｉを含む複合酸化物からなるものがより好ましく、特にＳｉの酸化物からなるものが好ましい。Ｓｉの酸化物からなるものによれば、特に、耐熱性と物理化学的安定性に優れ、また低屈折率物質として光学干渉により可視域で良好な反射防止機能が得られ、結果として高吸収率が得られる。
なお、誘電体層４２３ａの酸素以外の構成元素は、例えばスパッタリング法により製造する場合のターゲットの使用本数を削減できることから、第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂの構成元素、第２の積層部４２２の誘電体層４２２ａの酸素以外の構成元素、第２の積層部４２２の半導体層４２２ｂの構成元素と同一であることが好ましい。
誘電体層４２３ａの物理膜厚は、上記機能を効果的に得る観点から、４０〜１５０ｎｍが好ましい。誘電体層４２３ａの物理膜厚は、５０〜１３０ｎｍがより好ましく、６０〜１１０ｎｍがさらに好ましい。
光選択吸収膜４２においては、全ての半導体層の構成元素が互いに同一であり、また全ての誘電体層の構成元素が互いに同一であり、さらに半導体層の構成元素と誘電体層の酸素以外の構成元素とが互いに同一であることが好ましい。このようなものによれば、例えば、スパッタリング法により形成する場合、金属層を形成するためのターゲットと、半導体層および誘電体層を形成するためのターゲットとの２種のターゲットのみを用いればよく、特に生産性を向上できる。
ここで、半導体層としては、第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂおよび第２の積層部４２２の半導体層４２２ｂが挙げられ、誘電体層としては、層間誘電体層、第２の積層部４２２の誘電体層４２２ａ、第３の積層部４２３の誘電体層４２３ａが挙げられる。
また、光選択吸収膜４２の物理膜厚、すなわち全ての層の物理膜厚の合計は、２００〜３００ｎｍが好ましい。光選択吸収膜４２の物理膜厚を上記範囲内とすることで、日射エネルギー吸収率を高くでき、かつ４００℃以上での放射率を低くできる。また、耐熱性や生産性に優れるものとできる。
このような光選択吸収膜４２によれば、例えば、４００〜９００ｎｍの波長域全体にわたって反射率を６％以下とするのが好ましく、３％以下とするのがより好ましい。また、例えば、２００００〜２５０００ｎｍの波長域全体にわたって反射率を７０％以上とするのが好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が特に好ましい。また、このような光選択吸収膜４２によれば、例えば、日射エネルギー吸収率αを０．９以上、放射率εを０．２以下とできるため好ましい。
このような光選択吸収膜４２は、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法等の乾式法により好適に形成できる。これらの中でもスパッタリング法が好ましい。スパッタリング法の場合、生産性の観点から、例えば、金属層を形成するためのターゲットと、半導体層および誘電体層を形成するためのターゲットとの２種のターゲットのみを用いることが好ましい。
ここで、金属層としては、第１の積層部４２１の金属層４２１ａが挙げられる。
金属層の形成に用いられるターゲットとしては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、もしくはＷ、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む合金からなる金属ターゲットが挙げられる。これらの中でも、形成される金属層の耐熱性、化学的安定性、および基材となる集熱管本体４１との密着性、またターゲットの入手の容易さ等の観点から、Ｃｒ単体またはＣｒ合金からなる金属ターゲットがより好ましく、特にＣｒ単体からなる金属ターゲットが好ましい。金属層は、このような金属ターゲットを用いて、例えばアルゴンガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中でスパッタリングを行うことにより形成できる。
半導体層および誘電体層の形成に用いられるターゲットとしては、例えば、ＳｉもしくはＧｅ、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む化合物からターゲットが挙げられる。これらの中でも、Ｓｉ単体またはＳｉ化合物からなるターゲットがより好ましく、特にＳｉ単体からなるターゲットが好ましい。
半導体層は、このようなターゲットを用いて、例えばアルゴンガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中でスパッタリングを行うことにより形成することが好ましい。また、誘電体層は、このようなターゲットを用いて、例えばアルゴンガスおよび酸素を含む酸化性雰囲気中でスパッタリングを行うことにより形成することが好ましい。
以上、光選択吸収膜、集熱管、および太陽熱発電装置の実施形態について説明したが、太陽熱発電装置としては、必ずしもパラボリックトラフ型集熱器やリニアフレネル型集熱器を用いるものに限定されず、上記した光選択吸収膜を適用するものであれば他の方式の太陽熱発電装置であってもよい。また、光選択吸収膜としては、太陽熱発電装置の集熱管に用いられるものが代表的なものとして挙げられるが、必ずしも太陽熱発電装置の集熱管に限定されず、同様の機能が要求される用途であれば、他の用途に使用されるものであっても構わない。
以下、本発明の実施形態について実施例を参照して具体的に説明する。
（実施例１）
まず、算術平均表面粗さＲａが０．４μｍ程度となるように表面を磨いたステンレススチール（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ３２１）基板を準備した。ステンレススチール基板の寸法は、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍとした。
このステンレススチール基板上に、スパッタリング法により、図６に示すような積層構造を有する光選択吸収膜４２を形成して評価用基板とした。なお、光選択吸収膜４２は、ステンレススチール基板側から順に、Ｃｒ層（第１の積層部４２１の金属層４２１ａ、物理膜厚１０６．２５ｎｍ）／Ｓｉ層（第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂ、物理膜厚１０．７８ｎｍ）／Ｃｒ層（第１の積層部４２１の金属層４２１ａ、物理膜厚７．４９ｎｍ）／Ｓｉ層（第１の積層部４２１の半導体層４２１ｂ、物理膜厚１２．８６ｎｍ）／ＳｉＯ２層（第２の積層部４２２の誘電体層４２２ａ、物理膜厚１９．７７ｎｍ）／Ｓｉ層（第２の積層部４２２の半導体層４２２ｂ、物理膜厚５．７５ｎｍ）／ＳｉＯ２層（第３の積層部４２３の誘電体層４２３ａ、物理膜厚７９．１５ｎｍ）となるようにした。
スパッタ装置には、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置（日本真空光学社製）を使用した。Ｃｒ層の成膜には、市販のＣｒターゲット（純度：９９．９９％）を使用し、Ｓｉ層およびＳｉＯ２層の成膜には、市販のＳｉターゲット（純度：９９．９９９％）を使用した。
Ｃｒ層およびＳｉ層の各層の成膜では、成膜雰囲気にアルゴンガスを用いた。スパッタリング圧力は１×１０−１Ｐａとし、成膜温度（基板温度）は室温とした。また、放電の安定化のため、電源にはＭＦ電源（ＡＥ社製）を用いて、周期的に電力を印加した。このときの周波数は、１００ｋＨｚとした。
また、ＳｉＯ２層の成膜では、成膜雰囲気にアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを用いた。アルゴンガスと酸素ガスとの混合割合は、体積％で７０：３０とした。スパッタリング圧力は２×１０−１Ｐａとし、成膜温度（基板温度）は室温とした。また、放電の安定化のため、電源にはＭＦ電源（ＡＥ社製）を用いて、周期的に電力を印加した。このときの周波数は、１００ｋＨｚとした。
このようにして得られた評価用基板について、日射エネルギー吸収率α、および４５０℃における放射率εを求めた。日射エネルギー吸収率αは、ＡＭ１．５（ＡＳＴＭ Ｇ１７３−０３ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ）と評価用基板の測定反射率とから求めた。４５０℃における放射率εは、プランクの公式から求めた。この結果、日射エネルギー吸収率αは０．９０（設計値：０．９１）、放射率εは０．１６（設計値：０．０９）であった。
また、図７に、評価用基板の反射率分布および吸収率分布を示す。なお、反射率分布、吸収率分布は、実測値と設計値（シミュレーション結果）とを示す。また、併せて、ＡＳＴＭ Ｇ１７３−０３の基準スペクトル、４５０℃の黒体放射スペクトルを示す。
図７から明らかなように、所定の構成を有する評価用基板によれば、４５０℃の黒体放射スペクトルの波長域よりも低波長域（可視域および近赤外域）では透過率を低くできるとともに、４５０℃の黒体放射スペクトルの波長域（赤外域）では透過率を高くでき、また近赤外域から赤外域にかけての透過率の立ち上がりも十分とできることが認められる。また、所定の構成を有する評価用基板によれば、設計値に近い実測値が得られることが認められる。
なお、この評価用基板では、４００〜９００ｎｍの波長域については９００ｎｍで反射率が最大の実測値：５．５％（設計値：３．０％）となり、４００〜９００ｎｍの波長域全体における平均反射率は実測値：１．２％（設計値：０．８％）となる。また、２０００〜２００００ｎｍの波長域全体における平均反射率は実測値：９１％（設計値：９３％）となる。
（比較例１）
光選択吸収膜として、Ｃｒ層とＳｉＯ２層との交互積層構造からなり、Ｓｉ層を有しないものを設けた評価用基板とした。すなわち、光選択吸収膜は、ステンレススチール基板側から順に、Ｃｒ層（物理膜厚９１．７９ｎｍ）／ＳｉＯ２層（物理膜厚８８．６９ｎｍ）／Ｃｒ層（物理膜厚５．９２ｎｍ）／ＳｉＯ２層（物理膜厚７７．２２ｎｍ）となるようにした。なお、光選択吸収膜は、実施例１の光選択吸収膜にできるかぎり近い光学特性が得られるように、Ｃｒ層およびＳｉＯ２層の各層の厚みを調整した。
図８に、比較例１の評価用基板の反射率分布を示す。なお、図８には、比較のために実施例１の評価用基板の反射率分布を併せて示す。図８から明らかなように、Ｓｉ層を有しない比較例１の評価用基板の場合、Ｓｉ層を有する実施例１の評価用基板と比べて、可視域での反射率が一部で高くなる一方、赤外域での反射率は低くなることがわかる。なお、比較例１の評価用基板については、４００〜９００ｎｍの波長域では４４０ｎｍで反射率が最大の３．３％となる。
（比較例２）
光選択吸収膜のＣｒ層とＳｉ層との繰り返し構造の数（第１の積層部における繰り返し構造の数に相当）を１とした以外は基本的に実施例１の評価用基板と同様の積層構造を有する評価用基板とした。すなわち、光選択吸収膜は、ステンレススチール基板側から順に、Ｃｒ層（物理膜厚１２８．３５ｎｍ）／Ｓｉ層（物理膜厚１７．１４ｎｍ）／ＳｉＯ２層（物理膜厚２２．６１ｎｍ）／Ｓｉ層（物理膜厚６．４１ｎｍ）／ＳｉＯ２層（物理膜厚８２．１９ｎｍ）となるようにした。なお、光選択吸収膜は、実施例１の光選択吸収膜にできるかぎり近い光学特性が得られるように、Ｃｒ層、Ｓｉ層、およびＳｉＯ２層の各層の厚みを調整した。
図９に、比較例２の評価用基板の反射率分布を示す。なお、図９には、比較のために実施例１の評価用基板の反射率分布を併せて示す。図９から明らかなように、Ｃｒ層とＳｉ層との繰り返し構造の数を１とした比較例２の評価用基板の場合、繰り返し構造の数を２とした実施例１の評価用基板と比べて、可視域での反射率が全体的に高くなることがわかる。なお、比較例２の評価用基板については、４００〜９００ｎｍの波長域では４４０ｎｍで反射率が最大の５．９％となる。
（比較例３）
ＳｉＯ２層とＳｉ層との繰り返し構造（第２の積層部に相当）を設けないこと以外は基本的に実施例１の評価用基板と同様の積層構造を有する評価用基板とした。すなわち、光選択吸収膜は、ステンレススチール基板側から順に、Ｃｒ層（物理膜厚１４３．３２ｎｍ）／Ｓｉ層（物理膜厚１７．５ｎｍ）／Ｃｒ層（物理膜厚９．１６ｎｍ）／Ｓｉ層（物理膜厚１４．３４ｎｍ）／ＳｉＯ２層（物理膜厚８１．４２ｎｍ）となるようにした。なお、光選択吸収膜は、実施例１の光選択吸収膜にできるかぎり近い光学特性が得られるように、Ｃｒ層、Ｓｉ層、およびＳｉＯ２層の各層の厚みを調整した。
図１０に、比較例３の評価用基板の反射率分布を示す。なお、図１０には、比較のために実施例１の評価用基板の反射率分布を併せて示す。図１０から明らかなように、ＳｉＯ２層とＳｉ層との繰り返し構造を設けなかった比較例３の評価用基板の場合、繰り返し構造を設けた実施例１の評価用基板と比べて、可視域での反射率が大幅に高くなることがわかる。なお、比較例３の評価用基板については、４００〜９００ｎｍの波長域では９００ｎｍで反射率が最大の１３．０％となる。
１…パラボリックトラフ型集熱器、２…パラボリック反射鏡、３…反射鏡用支持体、４…集熱管、６…リニアフレネル型集熱器、７…第１の反射鏡、８…レシーバー、９…レシーバー用支持体、４１…集熱管本体、４２…光選択吸収膜、４３…ガラス管、４４…固定金具、８１…第２の反射鏡、８２…ケース部、８３…ガラス板、４２１…第１の積層部、４２１ａ…第１の積層部の金属層、４２１ｂ…第１の積層部の半導体層、４２２…第２の積層部、４２２ａ…第２の積層部の誘電体層、４２２ｂ…第２の積層部の半導体層、４２３…第３の積層部、４２３ａ…第３の積層部の誘電体層

Claims (7)

  1. 基材上に形成される光選択吸収膜であって、
    前記基材上に積層され、前記基材側から順に金属層と半導体層との繰り返し構造を２以上有する第１の積層部と、
    前記第１の積層部上に積層され、誘電体層と半導体層との繰り返し構造を１以上有する第２の積層部と、
    前記第２の積層部上に積層された誘電体層からなる第３の積層部と
    を有することを特徴とする光選択吸収膜。
  2. 前記第１の積層部は、前記金属層のうち前記基材上に最初に積層される金属層の物理膜厚が６０〜２００ｎｍの範囲内、その他の金属層の物理膜厚が互いに同一または異なって５〜１０ｎｍの範囲内、前記半導体層の物理膜厚が互いに同一または異なって５〜２０ｎｍの範囲内、
    前記第２の積層部は、前記誘電体層の物理膜厚が互いに同一または異なって１０〜３０ｎｍの範囲内、前記半導体層の物理膜厚が互いに同一または異なって２〜９ｎｍの範囲内、
    前記第３の積層部は、前記誘電体層の物理膜厚が４０〜１５０ｎｍの範囲内
    にある請求項１記載の光選択吸収膜。
  3. 前記光選択吸収膜の全体の物理膜厚は２００〜３００ｎｍである請求項１または２記載の光選択吸収膜。
  4. 前記第１の積層部の前記金属層は、互いに同一または異なって、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、もしくはＷ、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む合金からなり、
    前記第１の積層部の前記半導体層および前記第２の積層部の前記半導体層は、互いに同一または異なって、ＳｉもしくはＧｅ、またはこれらの元素から選ばれる１種以上の元素を含む化合物からなり、
    前記第２の積層部の前記誘電体層および前記第３の積層部の前記誘電体層は、互いに同一または異なって、ＳｉもしくはＧｅの酸化物、またはＳｉおよびＧｅから選ばれる１種以上の元素を含む複合酸化物からなる
    請求項１〜３のいずれか１項記載の光選択吸収膜。
  5. 前記光選択吸収膜における全ての半導体層の構成元素が互いに同一であり、前記光選択吸収膜における全ての誘電体層の構成元素が互いに同一であり、さらに前記半導体層の構成元素と前記誘電体層の酸素以外の構成元素とが互いに同一である請求項４記載の光選択吸収膜。
  6. 集熱管本体と、前記集熱管本体の外面に形成される光選択吸収膜とを有する集熱管であって、
    前記光選択吸収膜が請求項１〜５のいずれか１項記載の光選択吸収膜であることを特徴とする集熱管。
  7. 集熱管と、前記集熱管に太陽光を集光する集光手段とを有する集熱器を備える太陽熱発電装置であって、
    前記集熱管が請求項６記載の集熱管であることを特徴とする太陽熱発電装置。
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