NO147431B

NO147431B - LYSABSORBERINGSELEMENT.

Info

Publication number: NO147431B
Application number: NO773128A
Authority: NO
Inventors: Jerome John Cuomo; Thomas Herman Distefano; Jerry Macpherson Woodall
Original assignee: Ibm
Priority date: 1976-09-16
Filing date: 1977-09-09
Publication date: 1982-12-27
Also published as: FI772634A; GB1532338A; PL200836A1; GR66047B; BE857699A; CH620287A5; MX143717A; PT66954B; AR222144A1; ES462375A1; CA1083867A; PL119116B1; DK151079B; FI67267C; JPS577333B2; IT1114123B; IL52540A; PT66954A; FR2365135B1; DK409377A

Description

Oppfinnelsen angår et fototermisk absorberingselement med minsket refleksjonsevne for et valgt bølgebånd, omfattende et fotonabsorberende legeme med en slik overflatestruktur, fortrinnsvis hillock- eller dendritisk struktur, at innfallende lys multippelreflekteres. The invention relates to a photothermal absorption element with reduced reflectivity for a selected waveband, comprising a photon-absorbing body with such a surface structure, preferably a hillock or dendritic structure, that incident light is reflected multiple times.

Virkningsgraden av omforming av lysenergi til varmeenergi er avhengig av forholdet mellom den del av lys-energien som absorberes og den varmeenergi som emitteres eller reflekteres. Metaller har gode varmeegenskaper, det vil si absorberer eller er ikke-transparent for praktisk talt alle bølgelengder, men på samme tid reflekterer de også meget energi som de utsettes for. Generelt har godt reflekterende overflater liten absorbsjonsevne og liten emisjonsevne. Da absorbsjonsevnen og emisjonsevnen er innbyrdes avhengig av hverandre, har utviklingen gått i den retning å tilveiebringe strukturer av flere sjikt av hvilke det ene har den ene av disse egenskaper og det andre har den andre av disse egenskaper. Ett eksempel på en slik struktur er beskrevet i US-patentskrift nr. 3-920.413. En slik struktur har imidlertid begrensninger med hensyn til strukturen ved at virkningen av det ene sjikt kan innvirke på virkningen av det annet. Videre medfører fremstilling av multisjiktstrukturer mange prosesser som må tas i betraktning under fremstillingen. The efficiency of converting light energy into heat energy depends on the ratio between the part of the light energy that is absorbed and the heat energy that is emitted or reflected. Metals have good thermal properties, i.e. absorb or are non-transparent for practically all wavelengths, but at the same time they also reflect a lot of energy to which they are exposed. In general, well-reflective surfaces have little absorptivity and little emissivity. As the absorption capacity and the emission capacity are mutually dependent on each other, development has gone in the direction of providing structures of several layers, one of which has one of these properties and the other has the other of these properties. One example of such a structure is described in US Patent No. 3-920,413. However, such a structure has limitations with respect to the structure in that the effect of one layer can affect the effect of the other. Furthermore, the production of multilayer structures involves many processes that must be taken into account during production.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe The purpose of the invention is to provide

et lysabsorberingselement med vesentlig større virkningsgrad ved omformingen av lysenergi til varmeenergi enn ved tidligere kjente anordninger. a light absorption element with a significantly greater degree of efficiency in the transformation of light energy into heat energy than with previously known devices.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved et lysabsorberende legeme av den innledningsvis nevnte typen ved et refleksjonsstyreoverflatebelegg på nevnte overflatestruktur for refleksjonsdempning av lyset innenfor det valgte bølge-lengdebåndet, hvorved nevnte belegg har en brytningsindeks som sammen med brytningsindeksen og slukkekoeffesienten for det f otonabsorberende legemet gir hovedsakelig like verdier-for refleksjonsevnen for nevnte overflatebelegg og refleksjonsevne n mellom nevnte legeme og belegg. This is achieved according to the invention by a light-absorbing body of the initially mentioned type by a reflection control surface coating on said surface structure for reflection attenuation of the light within the selected wavelength band, whereby said coating has a refractive index which, together with the refractive index and the extinction coefficient for the photon-absorbing body, gives essentially the same values for the reflectivity of said surface coating and reflectivity n between said body and coating.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2 - 4 . Further features of the invention will appear from claims 2-4.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Figur 1 viser skjematisk det som optisk skjer ved et lysabsorberingselement ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser et mikrofotografi av en knudret wolframoverflate. Figur 3 viser på samme måte en dendritisk tung-stenoverflate. Figur 4 viser et diagram for refleksjon i avhengighet av bølgelengden for tre overflatetyper. Figur 5 viser et diagram for refleksjon i avhengighet av bølgelengden for forskjellige innfallsvinkler av lyset. Figur 6 viser et diagram for tykkelsen av overflateområdet av wolframoksyd på wolfram i avhengighet av bølgelengden for maksimal absorbsjon. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. Figure 1 schematically shows what happens optically with a light absorption element according to the invention. Figure 2 shows a photomicrograph of a knotted tungsten surface. Figure 3 similarly shows a dendritic heavy stone surface. Figure 4 shows a diagram of reflection as a function of wavelength for three surface types. Figure 5 shows a diagram of reflection as a function of the wavelength for different angles of incidence of the light. Figure 6 shows a diagram of the thickness of the surface area of tungsten oxide on tungsten as a function of the wavelength of maximum absorption.

Virkningsgraden for omforming av lysenergi til varmeenergi kan uttrykkes: The efficiency for converting light energy into heat energy can be expressed as:

På figur 1 er vist et refleksjonsstyrende over-flateområde 1 på et optisk transparent materiale for en bestemt bølgelengde, med en overflate 2 som er parallell med overflaten 3 på et lysabsorberende materiale. Tykkelsen av området 1 er 4 og valgt i forhold til det innfallende lys. De optiske og fysiske egenskaper ved området 1 innvirker på hverandre slik det skal forklares nærmere nedenfor. Figure 1 shows a reflection-controlling surface area 1 on an optically transparent material for a specific wavelength, with a surface 2 that is parallel to the surface 3 of a light-absorbing material. The thickness of area 1 is 4 and chosen in relation to the incident light. The optical and physical properties of area 1 affect each other as will be explained in more detail below.

Med refleksjon skal her forstås energi som faller inn på området og reflekteres uten å tre inn i materialet i motsetning til gjenutstråling hvor energi trer inn i materialet og som følge av endringer i temperaturen i materialet emitteres igjen. Reflection here is to be understood as energy that falls into the area and is reflected without entering the material, in contrast to re-radiation where energy enters the material and is emitted again as a result of changes in the temperature of the material.

På figur 1 treffer lyset overflaten 2 og har In Figure 1, the light hits surface 2 and has

en refleksjonskomponent 5 og en rekke gjenutstrålingskomponenter a reflection component 5 and a number of re-radiation components

6, 7 og 8. Lys som reflekteres fra overflaten 3 hindres eller minskes ved interferens med lys som reflekteres fra overflaten 2 fra en tidligere refleksjon. 6, 7 and 8. Light reflected from surface 3 is prevented or reduced by interference with light reflected from surface 2 from a previous reflection.

I det følgende anvendes et oksyd på et metal-lisk lysabsorberende materiale,men det er klart at belegget kan være noe annet enn en oksyd, det kan anvendes andre sammensetninger av basismetallet for å oppnå de ønskede egenskaper. In the following, an oxide is used on a metallic light-absorbing material, but it is clear that the coating can be something other than an oxide, other compositions of the base metal can be used to achieve the desired properties.

På figur 1 kan den første refleksjonskomponent In Figure 1, the first reflection component can

5 uttrykkes: 5 is expressed:

hvor er refleksjonsevnen ved overgang fra luft til oksyd, where is the reflectivity at the transition from air to oxide,

NQ er bøyningsindeksen for oksydet. NQ is the bending index of the oxide.

På samme måte kan refleksjonskomponenten 6 uttrykkes : In the same way, the reflection component 6 can be expressed:

hvor R2 er refleksjonsevnen på overgangen mellom oksyd og metall, where R2 is the reflectivity at the transition between oxide and metal,

Nm er bøyningsindeksen for metallet, Nm is the bending index of the metal,

Km er slukkekoeffisienten for oksydet, Km is the quenching coefficient for the oxide,

i er Y^T. i is Y^T.

Forholdet mellom refleksjonskomponentene 556,7 The ratio of the reflection components 556.7

og 8 er da: and 8 is then:

Refleksjonsevnen for styreoverflaten 1 kan uttrykkes : The reflectivity of the control surface 1 can be expressed as:

hvor d er tykkelsen 4 where d is the thickness 4

A er bølgelengden A is the wavelength

I j indikerer absolutte verdier. j i i I j indicates absolute values. j i i

Ønsket refleksjonsevne ved minste A større enn som med tilnærmelse kan uttrykkes: Desired reflectivity at minimum A greater than can be expressed as an approximation:

Por anvendelser hvor det gjelder omforming av solenergi til varme bør den ønskede refleksjonsevne ved den minste bølgelengde A være mindre enn 0,05. u For applications where the conversion of solar energy into heat is concerned, the desired reflectivity at the smallest wavelength A should be less than 0.05. u

Den ønskede verdi for RT0TAL må være så liten som mulig og refleksjonsevnen for overflaten 2 bør være mest mulig lik refleksjonsevnen for overflaten 3. The desired value for RT0TAL must be as small as possible and the reflectivity of surface 2 should be as similar as possible to the reflectivity of surface 3.

Kriteriene for et strålingsstyrende overflate-område 1 ved en ønsket bølgelengde kan da uttrykkes: The criteria for a radiation-controlling surface area 1 at a desired wavelength can then be expressed:

Som det fremgår av uttrykket (7) kan kriteriene for refleksjonsstyringsflateområdet ifølge oppfinnelsen til-strebe å gjøre virkningen av refleksjonskomponentene fra overflaten 3 lik den begynnende refleksjon for det innfallende lys fra overflaten 2. As can be seen from the expression (7), the criteria for the reflection control surface area according to the invention can strive to make the effect of the reflection components from the surface 3 equal to the initial reflection for the incident light from the surface 2.

Tykkelsen d (4 på figur 1) kommer inn på to måter. Den kommer inn i beregningene i uttrykket (4) for ut-ledning av den ønskede refleksjonsevne ved den minste bølge-lengde, og slik som det vil fremgå av beskrivelsen av figur 6 innvirker den på forskyvningen av den minste bølgelengde. The thickness d (4 in Figure 1) comes in two ways. It enters the calculations in expression (4) for derivation of the desired reflectivity at the smallest wavelength, and as will appear from the description of figure 6, it affects the displacement of the smallest wavelength.

På denne måte er det klart at hensikten er å absorbere stråling i det ønskede bølgebånd, å reflektere alle uønskede bølgelengder og beholde energien ved den ønskede bølgelengde,dvs. at refleksjonen er minst mulig for denne bølgelengde. Dette gjøres ifølge oppfinnelsen ved å tilveiebringe et bølgelengdeselektivt refleksjonsstyreoverflate-område på overflaten av et lysabsorberende materiale slik som overgangen mellom luft og område 1, refleksjonsevne, tykkelse og kontur, bøyningsindeksen for området 1, og bøyningsindeksen og slukkekoeffisienten for det lysabsorberende materialet i samvirke for å hindre at lys reflekteres fra det lysabsorberende materialet. In this way, it is clear that the purpose is to absorb radiation in the desired wavelength band, to reflect all unwanted wavelengths and retain the energy at the desired wavelength, i.e. that the reflection is the least possible for this wavelength. This is done according to the invention by providing a wavelength-selective reflection control surface area on the surface of a light-absorbing material such as the transition between air and area 1, reflectivity, thickness and contour, the bending index of area 1, and the bending index and extinction coefficient of the light-absorbing material in cooperation to prevent light from being reflected from the light-absorbing material.

Overflatekonturen velges helst grov eller strukturert, slik at lys som faller inn vinkelrett på overflaten hovedsakelig utsettes for flere enn en refleksjon før det kan unnslippe fra overflaten. Denne ru eller strukturerte overflate i kombinasjon med refleksjonsstyresjiktet gir en absorbsjonsevne som er større og som dekker et større bølge-lengdebånd enn ett enkelt antireflekterende sjikt på glatt metall. Et antireflekterende sjikt på glatt metall har f.eks. en ref leks j onsevne på RipQTAL som varierer med bølgelengden, The surface contour is preferably chosen rough or structured, so that light falling perpendicular to the surface is mainly subjected to more than one reflection before it can escape from the surface. This rough or structured surface in combination with the reflection control layer provides an absorption capacity that is greater and that covers a larger wavelength band than a single anti-reflective layer on smooth metal. An anti-reflective layer on smooth metal has e.g. a reflectance on RipQTAL that varies with the wavelength,

mens et antireflekterende belegg på en ru eller strukturert overflate, på hvilken lys utsettes for to treff før det reflekteres, har en ref leks j onsevne Rijiqijal<2> som er mindre while an anti-reflective coating on a rough or structured surface, on which light is subjected to two hits before being reflected, has a reflection ability Rijiqijal<2> which is less

enn <H>T0TAL- than <H>T0TAL-

Det refleksjonsstyrende området kan forsynes The reflection controlling area can be supplied

med passiverende belegg hvis primære hensikt er kjemisk beskyttelse med hensyn på upåvirkelighet og derfor er valget av materialer rettet på dette formål. with passivating coatings whose primary purpose is chemical protection with regard to invulnerability and therefore the choice of materials is aimed at this purpose.

Figur 2 og 3 viser mikrofotografier av wolfram-overflater med øket grad av absorbsjonsevne. Overflaten på figur 2 kan betegnes som knudret, og overflaten på figur 3 Figures 2 and 3 show photomicrographs of tungsten surfaces with an increased degree of absorbency. The surface in figure 2 can be described as knotty, and the surface in figure 3

kan betegnes som dendritisk. Begge overflater er anbragt ved kjemisk dampavsetning. Den knudrete struktur er meget tynnere enn den dendritiske struktur, og derfor billigere. Graden av forstørrelse er antydet på mikrofotografiet. Det strålingsstyrende overflateområdet ifølge oppfinnelsen når den fremstilles i samsvar med overflatene på figur 2 og 3 og en ikke vist plan overflate resulterer i en plutselig minskning av den samlede refleksjonsevne for en bestemt bølgelengde som er valgt i samsvar med de ovenfor angitte kriterier. can be described as dendritic. Both surfaces are placed by chemical vapor deposition. The nodular structure is much thinner than the dendritic structure, and therefore cheaper. The degree of magnification is indicated on the photomicrograph. The radiation guiding surface area according to the invention when produced in accordance with the surfaces of Figures 2 and 3 and a flat surface not shown results in a sudden reduction of the overall reflectivity for a particular wavelength which is selected in accordance with the above stated criteria.

Figur 4 viser den totale refleksjonsevne for vinkelrett innfallende lys som funksjon av bølgelengden i my. Det er vist tre kurver, av hvilke den strekede gjelder plan wolfram, den strekprikkede gjelder for knudret materiale ifølge figur 2, og den opptrukne kurve gjelder for dendritisk materiale som vist på figur 3- Det skal bemerkes at det strålingsstyrende overflateområdet ifølge oppfinnelsen gir en toppabsorbsjon i området 0,62 my. Denne bølgelengde er ansett for å ligge på eller nær toppen i solspekteret. Av den logaritmiske skala på figur 4 fremgår det at det dendritiske materialet på figur 3 anbragt i det strålingsstyrende overflateområdet ifølge oppfinnelsen absorberer 99, 9 W av det innfallende lys med en bølgelengde på 0,55 my. Figure 4 shows the total reflectivity for perpendicularly incident light as a function of the wavelength in my. Three curves are shown, of which the dashed one applies to planar tungsten, the dashed-dotted one applies to knotty material according to figure 2, and the solid curve applies to dendritic material as shown in figure 3 - It should be noted that the radiation-controlling surface area according to the invention provides a peak absorption in the area of 0.62 my. This wavelength is considered to be at or near the top of the solar spectrum. From the logarithmic scale in Figure 4, it appears that the dendritic material in Figure 3 placed in the radiation-controlling surface area according to the invention absorbs 99.9 W of the incident light with a wavelength of 0.55 my.

Figur 5 viser virkningen av oppfinnelsen for forskjellige retninger av innfallende lys på en dendritisk overflate. Figure 5 shows the effect of the invention for different directions of incident light on a dendritic surface.

Den totale refleksjonsevne er her tegnet opp som funksjon av bølgelengden i nanometer for 0°, 20°, 40°, 60° og 80° innfallsvinkel for lyset. I hvert av disse tilfeller ligger absorbsjonstoppen tilnærmet på samme bølgelengde. The total reflectivity is plotted here as a function of the wavelength in nanometers for 0°, 20°, 40°, 60° and 80° angle of incidence for the light. In each of these cases, the absorption peak lies approximately at the same wavelength.

Ifølge oppfinnelsen blir refleksjonsstyreover-flateområdet 1 på figur 1 tilveiebragt ved å anbringe et område 1 av konturert materiale på overflaten av det lysabsorberende materialet med de ønskede parametre, nemlig at refleksjonskoeffisienten for overflaten 2 på området 1 er tilnærmet lik refleksjonskoeffisienten for overflaten 3 på According to the invention, the reflection control surface area 1 in Figure 1 is provided by placing an area 1 of contoured material on the surface of the light-absorbing material with the desired parameters, namely that the reflection coefficient for surface 2 on area 1 is approximately equal to the reflection coefficient for surface 3 on

det lysabsorberende materialet. Disse refleksjonskoeffisienter er avhengig av bøyningsindeksen for materialet i området 1, bøyningsindeksen for det lysabsorberende materialet og slukkekoeffisienten for det lysabsorberende materialet. Dette er parametre som kan tas ut av de fleste standard håndbøker. For at fagmannen skal behøve å eksperimentere minst mulig er det i i,?v,ell 1 nedenfor angitt bestemte verdier for uttrykkene (2)-(7)for materialet WO^ som strålingsstyrende overflateområdet 1 på det dendritiske W som vist på figur 3- the light-absorbing material. These reflection coefficients depend on the bending index of the material in area 1, the bending index of the light-absorbing material and the extinction coefficient of the light-absorbing material. These are parameters that can be extracted from most standard manuals. In order for the person skilled in the art to need to experiment as little as possible, in i,?v,ell 1 below, specific values are given for the expressions (2)-(7) for the material WO^ as the radiation-controlling surface area 1 on the dendritic W as shown in figure 3-

Fremstilling av det strålingsstyrende overflateområdet 1 skjer fortrinnsvis ved prosesser som danner kjemiske sammensetninger av lysabsorberende materiale. Slike prosesser går ut fra det lysabsorberende materialet som en komponent, Production of the radiation-controlling surface area 1 preferably takes place by processes that form chemical compositions of light-absorbing material. Such processes start from the light-absorbing material as a component,

på hvilken det dannes en overflatekontur som er lett å kontrollere med hensyn til ønsket tykkelse av overflatestyre-området. Som eksempler på slike prosesser kan nevnes anodisering eller oksydering, nitridering og karbonisering. on which a surface contour is formed which is easy to control with respect to the desired thickness of the surface control area. Examples of such processes include anodizing or oxidation, nitriding and carbonization.

En særlig godt kontrollerbar fabrikasjonsmetode er anodisering hvor det lysabsorberende materialet og området dannes i samsvar med de kriteria som er angitt ovenfor. Ved denne fremstillingsmåte dannes ofte et oksyd som begrenser strømmen slik at tykkelsen av området er nøyaktig korrelert, med spenningen. Noen metaller danner fordelaktige oksyder for elementer ifølge oppfinnelsen, og disse er W, Mo, Hf, V, Ta og Nb . A particularly well-controllable manufacturing method is anodizing, where the light-absorbing material and area are formed in accordance with the criteria stated above. With this production method, an oxide is often formed which limits the current so that the thickness of the area is precisely correlated with the voltage. Some metals form advantageous oxides for elements according to the invention, and these are W, Mo, Hf, V, Ta and Nb.

I tabell 2 er angitt forholdet mellom tykkelsen 4 på figur 1 og anodiseringsspenningen for materialet WO^ på Table 2 shows the relationship between the thickness 4 in Figure 1 and the anodizing voltage for the material WO^ on

W. W.

Som en illustrasjon på spesielle fordeler ved oppfinnelsen skal angis følgende prøveresultater for en bestemt utførelse av elementet ifølge oppfinnelsen. As an illustration of special advantages of the invention, the following test results for a particular embodiment of the element according to the invention shall be stated.

En knudret wolframoverflate som vist på figur 2 ble anodisert i et svovelsyrebad ved en spenning på 30V. Ved denne teknikk vil området WO^ stoppe anodiseringen ved en bestemt tykkelse som bestemmes av den påtrykte spenning. Forholdet absorbsjonsevne for innfallende stråling til halvkule-formet emisjonsevne, med andre ord -c- t for denne overflate ved 350° C er 359- I tabell 3 er angitt virkningsgraden beregnet av uttrykket (1) for en slik overflate sammenlignet med et standard svart legeme for forskjellige temperaturer. A knotted tungsten surface as shown in Figure 2 was anodized in a sulfuric acid bath at a voltage of 30V. With this technique, the area WO^ will stop the anodization at a certain thickness determined by the applied voltage. The ratio absorbance for incident radiation to hemispherical emissivity, in other words -c- t for this surface at 350° C is 359- Table 3 shows the efficiency calculated by expression (1) for such a surface compared to a standard black body for different temperatures.

Av tabellen fremgår at virkningsgraden er større enn 50% for temperaturer opp til 150°C. The table shows that the efficiency is greater than 50% for temperatures up to 150°C.

En viktig fordel ved teknikken ifølge oppfinnelsen er at det er mulig å fremstille et nytt lysabsorberende materiale ved at et antireflekterende belegg kan anbringes som en enhet med lysabsorberende evner som følge av overflatens uregelmessighet. An important advantage of the technique according to the invention is that it is possible to produce a new light-absorbing material in that an anti-reflective coating can be placed as a unit with light-absorbing capabilities as a result of the irregularity of the surface.

For de fleste omformere for solenergi er det ønskelig å ha lysabsorberende elementer som absorberer mer enn 90% av solspekteret. Hverken plant metall,ru metalloverflate eller antireflekterende belegg kan oppvise slikt resultat. For most solar energy converters, it is desirable to have light-absorbing elements that absorb more than 90% of the solar spectrum. Neither flat metal, rough metal surface nor anti-reflective coating can show such a result.

I kombinasjon med det refleksjonsstyrende overflateområdet ifølge oppfinnelsen i forbindelse med bestemte typer av strukturerte eller ru metalloverflater som f.eks. wolfram, kan det oppnås lav refleksjonsevne over et bredt spektralområde. Strukturerte eller rue overflater i forbindelse med vinkelrett innfallende lys gir multirefleksjoner i styreområdet og har vist seg å gi ønsket absorbsjon av solspekteret. I motsetning hertil har antireflekterende sjikt på plant metall en absorbsjonsevne som bare dekker en liten del av solspekteret. In combination with the reflection-controlling surface area according to the invention in connection with certain types of structured or rough metal surfaces such as e.g. tungsten, low reflectivity can be achieved over a wide spectral range. Structured or rough surfaces in connection with perpendicularly incident light produce multiple reflections in the control area and have been shown to provide the desired absorption of the solar spectrum. In contrast, anti-reflective layers on flat metal have an absorption capacity that only covers a small part of the solar spectrum.

Claims

1. Photothermal absorption element with reduced reflectivity for a selected waveband, comprising a photon-absorbing body with such a surface structure, preferably a hillock or dendritic structure, that incident light is multiple-reflected, characterized by a reflection control surface coating (1) on said surface structure for reflection attenuation of the light within the selected wavelength band, whereby said coating has a refractive index which, together with the refractive index and the extinction coefficient of the photon-absorbing body, gives substantially equal values for the reflectivity of said surface coating and the reflectivity between said body and coating.

2. Element according to claim 1, characterized in that the variation in the difference between the first and second reflectivity is of the order of 0.05.

3. Element according to claim 1 or 2, characterized in that the photon-absorbing material is tungsten and that the reflective surface coating is tungsten oxide.

4. Element according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection surface coating is anode-oxidized tungsten oxide.