Verfahren zur Herstellung selektiver Absorber Process for the production of selective absorbers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung selektiver Absorber. Der selektive Absorber enthält ein mittels Sol-Gel-Prozeß hergestelltes inhomogenes Material (Cermet) aus einer nicht-leitfähigen bzw. dielektrischen Matrix mit leitfähigen in die Matrix eingelagerten Partikeln. The invention relates to a method for producing selective absorbers. The selective absorber contains an inhomogeneous material (cermet) made of a non-conductive or dielectric matrix with conductive particles embedded in the matrix.
Cermets bestehen aus einer nicht-leitfähigen oder dielektrischen Matrix, in die leitfähige oder metallische Partikel mit Durchmessern von typischerweise 5-30 nm eingelagert sind. Cermets werden seit längerem als selektive Absorber für solarthermische Anwendungen verwendet (G.A. Niklasson und C. G. Granqvist, J. Appl. Phys. 55, S. 3382 (1984)). Die Cermets stellen ein inhomogenes Material dar, das im kurzwelligen, solaren Spektralbereich (ca. 350-1 500 nm) einen hohen Absorptionsgrad aufweist, während im langwelligeren infraroten Spektralbereich der Absorptionsgrad gering ist. Bekannt ist die industrielleCermets consist of a non-conductive or dielectric matrix, in which conductive or metallic particles with diameters of typically 5-30 nm are embedded. Cermets have long been used as selective absorbers for solar thermal applications (G.A. Niklasson and C.G. Granqvist, J. Appl. Phys. 55, p. 3382 (1984)). The cermets are an inhomogeneous material that has a high degree of absorption in the short-wave, solar spectral range (approx. 350-1 500 nm), while the degree of absorption is low in the long-wave infrared spectral range. The industrial is known
Herstellung dieser Cermets für solarthermische Anwendungen mit galvanischen Verfahren (z.B. Nickel-pigmentiertes AI2O3) oder durch PVD-Verfahren. Beispiele hierfür sind Molybdän in SiO2 oder AI2O3 (M. Gorlin et al., in Modeling of Optical Thin Films II, M.R. Jacobsen (Hrsg.), Proc. SPIE 1324, S. 214 (1990)) sowie Stahl in amorphem Kohlenstoff a-C:H (B. Window und G.L. Harding, SolarProduction of these cermets for solar thermal applications using galvanic processes (eg nickel-pigmented Al 2 O 3 ) or by PVD processes. Examples include molybdenum in SiO 2 or Al 2 O 3 (M. Gorlin et al., In Modeling of Optical Thin Films II, MR Jacobsen (ed.), Proc. SPIE 1324, p. 214 (1990)) and Stahl in amorphous carbon aC: H (B. Window and GL Harding, Solar
Energy 32, S. 609 (1 984)). Energy 32, p. 609 (1 984)).
Nachteilig bei den galvanischen Verfahren ist, daß für die Umwelt problematische Abfälle der verwendeten Galvanikbäder anfallen. Das PVD-Verfahren ist wegen der benötigten Vakuumanlagen technisch aufwendig und daher teuer. Während mit den galvanischen Verfahren leicht verschiedenste Substratgeometrien beschichtet werden können, ist dies mit PVD-Verfahren nur mit großem Aufwand möglich. Außerdem gelingt es mittels PVD-Verfahren auf unebenen Substraten eher schlecht, die für optische Schichten notwendige geringe Schichtdickentoleranz zu erreichen. Auch lassen sich mit den genannten Verfahren Größe und Form der leitfähigen Partikel sowie deren Volumenanteii in der Matrix nur schwer und nur begrenzt kontrollieren. Diese Faktoren haben aber einen
wesentlichen Einfluß auf die optischen Eigenschaften eines Cermets. Ebenfalls ist es nicht möglich, chemisch kompliziert zusammengesetzte. leitfähige Partikel in die Matrix einzubetten. Die Wahl der leitfähigen Partikel ist bei den oben genannten Verfahren stark eingeschränkt, z.B. auf Partikel aus elementar reinen Metallen (z.B. Gold, Kupfer, Nickel, Chrom, Molybdän, Eisen) oder Stahlpartikel. Ein weiteres Problem stellt die Oxidations- und Diffusionsstabilität der oft bei hohen Temperaturen und auch an Luft eingesetzten selektiven Absorber dar. Die selektiven Absorber degenerieren leicht durch Oxidation der Metallpartikel innerhalb der Matrix. A disadvantage of the electroplating process is that waste from the electroplating baths used is problematic for the environment. Because of the vacuum systems required, the PVD process is technically complex and therefore expensive. While a wide variety of substrate geometries can easily be coated using the galvanic processes, this is only possible with great effort using the PVD process. In addition, using PVD processes on uneven substrates is rather difficult to achieve the low layer thickness tolerance required for optical layers. The size and shape of the conductive particles and their volume fraction in the matrix can also be controlled only with difficulty and only to a limited extent with the methods mentioned. But these factors have one significant influence on the optical properties of a cermet. Nor is it possible to make chemically complex compounds. Embed conductive particles in the matrix. The choice of conductive particles is severely restricted in the above-mentioned processes, for example to particles of elementally pure metals (for example gold, copper, nickel, chromium, molybdenum, iron) or steel particles. Another problem is the oxidation and diffusion stability of the selective absorbers, which are often used at high temperatures and also in air. The selective absorbers degenerate easily by oxidation of the metal particles within the matrix.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Herstellung eines selektiven Absorbers bereitzustellen, das leicht und umweltsicher durchzuführen ist und die oben aufgezählten Nachteile vermeidet. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object of the present invention is therefore to provide a method for producing a selective absorber which is easy and environmentally safe to carry out and which avoids the disadvantages listed above. This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous refinements result from the subclaims.
Von den Erfindern wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, zur Herstellung von selektiven Absorbern, die auf Cermets basieren, für die Bereitstellung der Cermets das Sol-Gel-Verfahren anzuwenden. It has been found by the inventors that it is advantageous to use the sol-gel process for the preparation of selective absorbers based on cermets for the provision of the cermets.
Das Sol-Gel-Verfahren ist ein seit den 40er Jahren bekanntes Verfahren, insbesondere zur Herstellung von dielektrischen Keramiken und Beschichtungen mit elektrochromen Eigenschaften (z.B. Pach et al, J. of European Ceramic Society, 12 (1 993), S. 249-255; Avellanieda C. et al, SPIE Vol. 2255, S. 38-51 (1 994);The sol-gel process has been a process known since the 1940s, in particular for the production of dielectric ceramics and coatings with electrochromic properties (for example Pach et al, J. of European Ceramic Society, 12 (1 993), pp. 249-255 ; Avellanieda C. et al, SPIE Vol. 2255, pp. 38-51 (1,994);
Roy, R., Science Vol. 238, S. 1 664-1 669 (1 987)). Die für einen Sol-Gel-Prozeß üblichen Schritte sind das Anfertigen einer Ausgangslösung, Aufbringen der Lösung auf ein Substrat, Gelieren dieser Lösung bzw. Aufbringen des Gels auf ein Substrat und Übergang des Gels in einen Festkörper, z.B. durch einen Trock- nungs- oder Sinterprozeß. Beispielsweise ist es mittels eines solchen Verfahrens möglich einen Feuchtigkeitssensor herzustellen. Dazu werden Rußpartikel in einer Lösung, die durch Hydrolysieren von Siliciumalkoxid in einer bestimmten
Menge Wasser erhalten wurde, dispergiert, wobei man das entstehende Sol (Ausgangslösung) auf einem isolierenden Substrat ausgelieren läßt und das sich ergebende Gel trocknet und sintert (Patent Abstracts of Japan C-646, Vol. 1 3, No. 466 (October 20, 1 989)). Roy, R., Science Vol. 238, pp. 1,664-1,669 (1,987)). The usual steps for a sol-gel process are the preparation of a starting solution, application of the solution to a substrate, gelation of this solution or application of the gel to a substrate and transition of the gel into a solid, for example by a drying or Sintering process. For example, it is possible to produce a moisture sensor using such a method. To do this, soot particles are dissolved in a solution by hydrolyzing silicon alkoxide in a particular Amount of water was obtained, dispersed, the resulting sol (starting solution) being gelled on an insulating substrate and the resulting gel drying and sintering (Patent Abstracts of Japan C-646, Vol. 1 3, No. 466 (October 20, 1 989)).
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, einen selektiven Absorber bereitzustellen, der auf einem inhomogenen Material (Cermet) basiert, welches beliebig zusammengesetzte, aber definierte, leitfähige und dielektrische Komponenten enthält. Die Größe, die Form und der Volumenanteil der leitfähigen Partikel kann dabei in weiten Bereichen in definierter Weise variiert werden.By means of the method according to the invention, it is possible to provide a selective absorber which is based on an inhomogeneous material (cermet) which contains any desired, but defined, conductive and dielectric components. The size, the shape and the volume fraction of the conductive particles can be varied in a wide range in a defined manner.
Auch die Beschichtung von nicht-planaren Substraten ist problemlos möglich. The coating of non-planar substrates is also possible without any problems.
Erfindungsgemäß wird eine nicht-leitfähige oder dielektrische Matrix, in die leitfähige Partikel eingebettet sind, durch den Sol-Gel-Prozeß hergestellt. Zur Durchführung des Sol-Gel-Prozeßes wird beispielsweise Niobchlorid (NbCI5) in Butanol aufgelöst und mit Natriumbutoxid(Na(OBu)n) unter Rückfluß vermischt. Dadurch kommt es zur Bildung von Nb(OBun)5 und NaCl. Nach Abtrennen des NaCl wird ein Vorläufer-Sol erhalten, das durch Mischen mit Eisessig in ein Sol überführt wird. Eine andere Möglichkeit ein Sol (Ausgangslösung) herzustellen ist z.B. eine ca. 20% ige Wasser-Aluminiumhydroxid (Böhmit)-Mischung herzustellen und diese Mischung mit HNO3 (pH = ca. 2) bei 55°C zu mischen. α-AI2O3-impfkristalle werden in HNO3 eingemischt und zu dem Böhmit-Hydrogel zugegeben. Die zwei Lösungen werden gründlich gemischt. Verschiedenste Dielektrika können derart bzw. auf den Fachmann bekannteAccording to the invention, a non-conductive or dielectric matrix, in which conductive particles are embedded, is produced by the sol-gel process. To carry out the sol-gel process, for example, niobium chloride (NbCI 5 ) is dissolved in butanol and mixed with sodium butoxide (Na (OBu) n ) under reflux. This leads to the formation of Nb (OBu n ) 5 and NaCl. After the NaCl has been separated off, a precursor sol is obtained, which is converted into a sol by mixing with glacial acetic acid. Another possibility to produce a sol (starting solution) is, for example, to produce an approx. 20% water-aluminum hydroxide (boehmite) mixture and to mix this mixture with HNO 3 (pH = approx. 2) at 55 ° C. α-Al 2 O 3 seed crystals are mixed into HNO 3 and added to the boehmite hydrogel. The two solutions are mixed thoroughly. A wide variety of dielectrics can be known in this way or to those skilled in the art
Weise in eine Ausgangslösung überführt werden, u.a. AI2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, SiO2, Ta2O5, WO3, V2O5, Nb2O5 oder CeO2, und zwar in reiner Form oder als Mischung. In die im Sol-Gel-Prozeß verwendete Ausgangslösung werden erfindungsgemäß leitfähige Komponenten (Partikel) eingebracht, wobei eine Dispersion entsteht. Es ist allerdings auch möglich, die leitfähigen Partikel in das noch nicht allzu viskose entstehende Gel einzubringen. Unter leitfähigen Komponenten werden erfindungsgemäß Materialien verstanden, die bei Raumtemperatur
(20 ° C) einen spezifischen elektrischen Gleichstromwiderstand von unter 1 00000 μΩcm aufweisen. Beispielsweise seien Materialien wie quasikristalline Legierungen (D. Shechtmann et al., Phys. Rev. Lett. 58 (1 984), 1 951 ; "Quasicristals", C. Janot, Oxford University Press, Oxford, (1 992)) genannt, die einen spezifischen Widerstand von ca. 5000 μΩcm aufweisen oder geeignet dotierte supraleitende Perowskite, die einen spezifischen Widerstand von ca. 10000 μΩcm aufweisen. Auch manche Legierungen, wie AI2Ru, weisen hohe spezifische Widerstände von 50000 μΩcm auf. Im Gegensatz dazu sind dielektrische Materialien isolierend mit einem spezifischen Widerstand (in reinem Zustand) über 1010 Ωm. Die optimalen Eigenschaften im infraroten bis sichtbaren Spektralbereich sind entsprechend unterschiedlich: Dielektrika weisen in weiten Teilen des Wellenlängenbereichs einen kleinen Imaginärteil k des komplexen Brechungsindex n = n + ik auf, typischerweise unter 0,01 . Leitfähige Materialien weisen für Wellenlängen oberhalb der Plasmawellenlänge ein hohes k > 0, 1 auf. Die für selektive Absorber geeigneten Materialien weisen ein solch hohes k auch im solaren Spektralbereich auf. Be converted into a starting solution, including Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , SiO 2 , Ta 2 O 5 , WO 3 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 or CeO 2 , namely in pure form or as a mixture. According to the invention, conductive components (particles) are introduced into the starting solution used in the sol-gel process, a dispersion being formed. However, it is also possible to introduce the conductive particles into the gel that is not yet too viscous. According to the invention, conductive components are understood to mean materials that operate at room temperature (20 ° C) have a specific electrical direct current resistance of less than 1 00000 μΩcm. For example, materials such as quasi-crystalline alloys (D. Shechtmann et al., Phys. Rev. Lett. 58 (1 984), 1 951; "Quasicristals", C. Janot, Oxford University Press, Oxford, (1 992)) may be mentioned. which have a specific resistance of approx. 5000 μΩcm or suitably doped superconducting perovskites which have a specific resistance of approx. 10000 μΩcm. Some alloys, such as AI 2 Ru, also have high resistivities of 50,000 μΩcm. In contrast, dielectric materials are insulating with a specific resistance (in the pure state) over 10 10 Ωm. The optimal properties in the infrared to visible spectral range are correspondingly different: in large parts of the wavelength range, dielectrics have a small imaginary part k of the complex refractive index n = n + ik, typically below 0.01. Conductive materials have a high k> 0.1 for wavelengths above the plasma wavelength. The materials suitable for selective absorbers also have such a high k in the solar spectral range.
Erfindungsgemäß weisen die leitfähigen Partikel vorzugsweise Abmessungen im Bereich von (0,5 nm)3 [ = 0, 1 25 nm3] bis (1 μm)3 [ = 1 μm3] auf, besonders bevorzugt im Bereich von (2 nm)3 bis ( 100 nm)3 auf. According to the invention, the conductive particles preferably have dimensions in the range from (0.5 nm) 3 [= 0.15 nm 3 ] to (1 μm) 3 [= 1 μm 3 ], particularly preferably in the range from (2 nm) 3 to (100 nm) 3 .
Als leitfähige Partikel können Partikel aus weitgehend reinen Elementen verwendet werden, wobei jedoch eine geringe Verunreinigung von bis zu 5 Atomprozenten, z.B. mit Sauerstoff oder Kohlenstoff, vorliegen kann. Die leitfähigen Partikel können aus Wolfram, Chrom, Platin, Gold, Silber, Nickel, Kobalt, Eisen,Particles of largely pure elements can be used as conductive particles, but a low contamination of up to 5 atom percent, e.g. with oxygen or carbon. The conductive particles can be made of tungsten, chrome, platinum, gold, silver, nickel, cobalt, iron,
Titan, Zirkonium, Molybdän, Hafnium, Aluminium, Palladium, Vanadium oder Tantal bestehen. Ebenso können die Partikel aus einer Metallegierung oder einer leitfähigen Oxidkeramik bestehen. Unter Metallegierungen sind Materialien zu verstehen, die mit Ausnahme kleiner Verunreinigungen (unter 5 Atomprozent) aus den oben genannten Metallen oder Halbleitern (C, Ge, Si) bestehen. Bei denTitanium, zirconium, molybdenum, hafnium, aluminum, palladium, vanadium or tantalum. The particles can also consist of a metal alloy or a conductive oxide ceramic. Metal alloys are understood to mean materials which, with the exception of small impurities (below 5 atomic percent), consist of the above-mentioned metals or semiconductors (C, Ge, Si). Both
Metallegierungen ist die Klasse der quasikristallinen Materialien besonders geeignet, da die quasikristallinen Materialien hohe chemische Stabilität und
ungewöhnliche optische Eigenschaften aufweisen. Besonders bevorzugt sind quasikristalline Materialien, die die folgenden Summenformein erfüllen: The class of quasi-crystalline materials is particularly suitable for metal alloys, since the quasi-crystalline materials have high chemical stability and have unusual optical properties. Quasicrystalline materials which fulfill the following sum form are particularly preferred:
Ala CubFecXd mit 8≤ b≤ 30,8≤ c≤ 20, d≤ 12 und a + b + c+d = 100 Al a Cu b Fe c X d with 8≤ b≤ 30.8≤ c≤ 20, d≤ 12 and a + b + c + d = 100
Ala CubCocXd mit 8≤ b≤ 25, 10≤ c≤ 20.d≤ 12 und a+b+c +d= 100 Al a Cu b Co c X d with 8≤ b≤ 25, 10≤ c≤ 20.d≤ 12 and a + b + c + d = 100
Ala PdbMricXd mit 15≤ b≤ 30, 7≤ c≤ 17,d≤ 5 und a+b+c +d= 100 Al a Pd b Mri c X d with 15≤ b≤ 30, 7≤ c≤ 17, d≤ 5 and a + b + c + d = 100
GaaMgbZncXd mit 30≤b≤ 35.50≤ c≤ 55,d≤ 5 und a+b+c+d= 100 Ga a Mg b Zn c X d with 30≤b≤ 35.50≤ c≤ 55, d≤ 5 and a + b + c + d = 100
AlaCubLicXd mit 10≤ b≤ 15,25≤ c≤ 35, d≤ 5 und a +b +c +d= 100 Al a Cu b Li c X d with 10≤ b≤ 15.25≤ c≤ 35, d≤ 5 and a + b + c + d = 100
AlaCubRucXd mit 8≤ b≤ 25, 10≤ c≤20, d≤ 12 und a +b +c+d = 100 Al a Cu b Ru c X d with 8≤ b≤ 25, 10≤ c≤20, d≤ 12 and 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 oben aufgelisteten Metalle. Ganz bevorzugt sind quasikristalline Materialien der folgenden Summenformeln: Al6 5Cu20Ru15, AI62Cu20Co1 5Si3, AI63, 5Cu24 , 5Fe12, Al64Cu24Fe12, Al64Cu22Fe14, AI60Cu10Li30, AI65Cu10Li30, AI65Cu20Co15, Ga16Mg32Zn52 oder AI70Mn9Pd21. Eine andere Gruppe leitfähiger Materialien sind leitfähige Metalloxide, Metallnitride oder Metallcarbide sowie deren Mischungen. Besonders bevorzugt sind hierbei ZrN, TiN, HfN, CrN oder TixAI1- xN (mit 0,2 < x < 0,8), WC, ZrC, TiC oder HfC oder ein Oxynitrid MeNxOy (mit Me = Titan, Zirkonium oder Hafnium und 0,2 < x 1 ,5; 0,2 < y < 2,2; 0,4 < (x + y) < 2,2), sowie oxidische Metalle wie RuOx und lrOx (A.K. Goel et al., Phys. Rev. B 24, S. 7342, ( 1 981 )) und die bei entsprechender Dotierung leitfähigen Perowskite. Dazu zählen auch die häufig supraleitenden Oxidkeramiken, bevorzugt mit den folgenden Zusammensetzungen: In the above formulas, X means an impurity such as Na, O or N or one or more of the metals listed above. Quasi-crystalline materials of the following empirical formulas are very preferred: Al 6 5 Cu 20 Ru 15 , Al 62 Cu 20 Co 1 5 Si 3 , Al 63, 5 Cu 24, 5 Fe 12 , Al 64 Cu 24 Fe 12 , Al 64 Cu 22 Fe 14 , AI 60 Cu 10 Li 30 , AI 65 Cu 10 Li 30 , AI 65 Cu 20 Co 15 , Ga 16 Mg 32 Zn 52 or AI 70 Mn 9 Pd 21 . Another group of conductive materials are conductive metal oxides, metal nitrides or metal carbides and mixtures thereof. ZrN, TiN, HfN, CrN or Ti x Al 1- x N (with 0.2 <x <0.8), WC, ZrC, TiC or HfC or an oxynitride MeN x O y (with Me = Titanium, zirconium or hafnium and 0.2 <x 1, 5; 0.2 <y <2.2; 0.4 <(x + y) <2.2), as well as oxidic metals such as RuO x and lrO x ( AK Goel et al., Phys. Rev. B 24, p. 7342, (1 981)) and the perovskites that are conductive with appropriate doping. This also includes the often superconducting oxide ceramics, preferably with the following compositions:
(Me)2CuO4 mit Me: Ca, Sr, Ba, Na, K, Lanthaniden (Me) 2 CuO 4 with Me: Ca, Sr, Ba, Na, K, lanthanides
MeBa2Cu3O7 mit Me: Y, Lanthanide MeBa 2 Cu 3 O 7 with Me: Y, lanthanide
Bi2Sr2CanCun+ 1O2n+6 mit n = 0, 1 ,2 Bi 2 Sr 2 Ca n Cu n + 1 O 2n + 6 with n = 0, 1, 2
Ta2Ba2CanCun+ 1O2n+ 6 mit n = 0, 1 ,2 Ta 2 Ba 2 Ca n Cu n + 1 O 2n + 6 with n = 0, 1, 2
Die Perowskite sind im kurzwelligen Spektralbereich stark absorbierend und erscheinen oft schwarz. Sie zeichnen sich durch hohe Oxidationsstabilität aus und werden in einem Oxidationsprozeß an Luft bei Temperaturen um 800°C gewonnen.
Mischungen der verschiedenen leitfähigen Partikel erweitern die Möglichkeiten, die optischen Eigenschaften zu variieren. The perovskites are highly absorbent in the short-wave spectral range and often appear black. They are characterized by high oxidation stability and are obtained in an oxidation process in air at temperatures around 800 ° C. Mixtures of the different conductive particles expand the possibilities to vary the optical properties.
Die leitfähigen Partikel können beispielsweise durch Zerstäuben oder Verdampfen in einer Inertgasatmosphäre (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon) oder einer reaktiven Atmosphäre aus Sauerstoff oder Stickstoff oder einer Mischung der Gase bei einem Druck im Bereich von 1 Pa bis 10000 Pa, bevorzugt 10 Pa bis 1000 Pa, hergestellt werden. Hierbei entstehen kleine Partikel mit Durchmessern im Bereich von einigen Nanometern bis ca. 70 Nanometer. Größere Partikel können z.B. durch Mahlen hergestellt werden, wobei die Partikel mitThe conductive particles can be, for example, atomized or evaporated in an inert gas atmosphere (helium, neon, argon, krypton, xenon) or a reactive atmosphere made of oxygen or nitrogen or a mixture of the gases at a pressure in the range from 1 Pa to 10000 Pa, preferably 10 Pa to 1000 Pa. This creates small particles with diameters in the range of a few nanometers to approximately 70 nanometers. Larger particles can e.g. be prepared by grinding, the particles with
Siebverfahren, Windsichten oder elektrostatische Abscheideverfahren in geeignete Größenklassen getrennt werden können. Diese Verfahren haben den Vorteil, daß Partikel mit nahezu beliebiger Zusammensetzung erzeugt werden können und die Größe definiert eingestellt werden kann. Leitfähige Materialien mit Perowskitstruktur werden in einer Festkörperreaktion bei hohen Temperaturen hergestellt. Der dabei entstehende Sinterkörper besteht aus einzelnen, nanokristallinen Körnern, wobei durch Wahl der Prozeßparameter bei der Festkörpereaktion die Form und Größe der entstehenden Partikel in weiten Bereichen variiert werden kann. Die Partikel werden durch Mörsern getrennt. Sieving processes, air classifying or electrostatic separation processes can be separated into suitable size classes. These processes have the advantage that particles with almost any composition can be produced and the size can be set in a defined manner. Conductive materials with a perovskite structure are produced in a solid-state reaction at high temperatures. The resulting sintered body consists of individual, nanocrystalline grains, the shape and size of the resulting particles being able to be varied within a wide range by selecting the process parameters in the solid-state reaction. The particles are separated by mortars.
Vorzugsweise werden die leitfähigen Partikel in einem Verfahrensschritt vor Zugabe zu der Ausgangsflüssigkeit bzw. dem Gel mit einer dielektrischen (z.B. oxidischen oder nitridischen) Schicht überzogen. Dies kann in einer reaktiven Atmosphäre aus Sauerstoff und/oder inerten Atmosphäre aus Stickstoff oder Edelgasen oder einer Mischung dieser Gase durch Oxidationsprozesse geschehen. Die Beschichtung kann jedoch auch in einem weiteren Sol-Gel-Prozeß erfolgen. Diese Beschichtung hat mehrere Vorteile. Die Beschichtung kann eine homogene Dispersion der Partikel, ohne Agglomeration der Partikel, in Lösungen erleichtern. Weiterhin kann eine dichte, chemisch stabile Oxidhaut die chemische Stabilität der leitfähigen. Partikel erhöhen und Diffusion der leitfähigen Partikel in die dielektrische Komponente verhindern. Besonders bevorzugt werden für den Zweck der Oxidationsstabilisierung stabile AI2O3-Schichten. Auf diese Weise
können leitfähige Partikel gegen chemische Einflüsse und gegen Diffusion mit dichten dielektrischen Schichten stabilisiert werden. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die im eigentlichen Sol-Gel-Prozeß hergestellte dielektrische oder nicht-leitfähige Komponente selbst nicht dicht genug ist, um die eingebetteten leitfähigen PartikI vor Sauerstoffzufuhr zu schützen, was eine Oxidation der leitfähigen Partikel verursachen würde. Auch können die Eigenschaften der inhomogenen Materialien (Cermets) in einem noch weiteren Bereich variiert werden, wenn die die leitfähigen Partikel umgebende Schicht aus einem anderen Material als die dielektrische Komponente besteht. Mit Hilfe des dadurch einstellbaren zusätzlichen Brechungsindexsprunges können die Eigenschaften der inhomogenen Materialien in vorteilhafter Weise weiter auf die Anwendung als selektiver Absorber optimiert werden. The conductive particles are preferably coated with a dielectric (for example oxidic or nitridic) layer in one process step before being added to the starting liquid or the gel. This can be done in a reactive atmosphere of oxygen and / or an inert atmosphere of nitrogen or noble gases or a mixture of these gases by oxidation processes. However, the coating can also be carried out in a further sol-gel process. This coating has several advantages. The coating can facilitate a homogeneous dispersion of the particles in solutions without agglomeration of the particles. Furthermore, a dense, chemically stable oxide skin can affect the chemical stability of the conductive. Increase particles and prevent diffusion of the conductive particles into the dielectric component. Stable Al 2 O 3 layers are particularly preferred for the purpose of oxidation stabilization. In this way conductive particles can be stabilized against chemical influences and against diffusion with dense dielectric layers. This is particularly advantageous if the dielectric or non-conductive component produced in the actual sol-gel process itself is not dense enough to protect the embedded conductive particles from oxygen supply, which would cause oxidation of the conductive particles. The properties of the inhomogeneous materials (cermets) can also be varied in a still further range if the layer surrounding the conductive particles consists of a different material than the dielectric component. With the help of the additional refractive index jump that can be set in this way, the properties of the inhomogeneous materials can be further optimized for use as a selective absorber.
Der Volumenanteil der leitfähigen Partikel im inhomogenen Material kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem weiten Bereich von 0, 1 -60%, bevorzugt 1 -40%, eingestellt werden, wodurch die Eigenschaften des Cermets entsprechend verändert werden. Im Sol-Gel-Prozeß hergestellte Materialien haben üblicherweise Hohlräume im Bereich von 0-20%. Die inhomogenen Materialien (Cermets) können mittels Streichen, Sprühen, Tauchen oder Schleudern auf ein Reflektor-Substrat aufgebracht werden. Allerdings kann es dafür notwendig sein, übliche Additive zu verwenden, um die Viskosität und Oberflächenspannung der Lösung bzw. des Gels einzustellen. Damit ist die Beschichtung komplexer Substratgeometrien möglich, insbesondere von Rohren, die z.B. in der solarthermischen Stromerzeugung mit Parabolrinnenkraftwerken als selektive Absorber verwendet werden. Für selektive Absorber wird mindestens eine Schicht des mittels Sol-Gel-Prozeß hergestellten inhomogenen Materials auf ein Reflektor-Substrat aufgebracht, wobei das Substrat die Metalle Kupfer, Aluminium, Moybdän, Silber, Gold oder deren Legierungen enthält oder daraus besteht. Es ist also auch eine Aufbringung auf mit hochreflektierendenThe volume fraction of the conductive particles in the inhomogeneous material can be adjusted in a wide range of 0.1-160%, preferably 1-40%, with the method according to the invention, whereby the properties of the cermet are changed accordingly. Materials manufactured in the sol-gel process usually have voids in the range of 0-20%. The inhomogeneous materials (cermets) can be applied to a reflector substrate by brushing, spraying, dipping or spinning. However, it may be necessary to use conventional additives to adjust the viscosity and surface tension of the solution or gel. This makes it possible to coat complex substrate geometries, especially pipes that e.g. be used as selective absorbers in solar thermal power generation with parabolic trough power plants. For selective absorbers, at least one layer of the inhomogeneous material produced by means of the sol-gel process is applied to a reflector substrate, the substrate containing or consisting of the metals copper, aluminum, moybdenum, silver, gold or their alloys. So it's also an application with highly reflective
Schichten beschichtete andersartige Substrate möglich. Die selektiven Eigenschaften werden mit Schichtdicken des Cermets im Bereich von 1 nm bis 10
μm, bevorzugt 10 nm bis 1 μm, erreicht. Es resultiert dabei ein selektiver Absorber mit hoher Absorption αs im solaren Spektralbereich, während die Absorption im langwelligeren infraroten Spektralbereich für Wellenlängen oberhalb ca. 2 μm gering ist, d.h. die Reflexion hoch ist. Der hohe Reflexionsgrad im in- f raroten Spektralbereich dient der Unterdrückung der Abstrahlungsverluste durchLayers of different types of substrates are possible. The selective properties are achieved with layer thicknesses of the cermet in the range from 1 nm to 10 μm, preferably 10 nm to 1 μm, reached. The result is a selective absorber with high absorption α s in the solar spectral range, while the absorption in the long-wave infrared spectral range is low for wavelengths above approx. 2 μm, ie the reflection is high. The high degree of reflection in the infra-red spectral range serves to suppress the radiation losses through
Wärmestrahlung, d.h. der selektiver Absorber weist einen kleinen Emissionsgrad ε auf. Die selektiven Eigenschaften können weiter verbessert werden, wenn mehrere Schichten mit unterschiedlichen Anteilen an leitfähigen Partikel verwendet werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, entsprechende Schichtsysteme durch mehrmaliges Aufbringen von Schichten mit unterschiedlichen Volumenanteilen der leitfähigen Partikel herzustellen. Weiter können zusätzlich rein dielektrische Schichten zur Verbesserung der Selektivität, d.h. zur Erhöhung des solaren Absorptionsgrads verwendet werden. Die Erfindung wird nun weiter mit Bezug auf die Figuren erläutert, welche zeigen: Heat radiation, i.e. the selective absorber has a small emissivity ε. The selective properties can be further improved if several layers with different proportions of conductive particles are used. According to the invention, it is possible to produce corresponding layer systems by repeatedly applying layers with different volume fractions of the conductive particles. Furthermore, purely dielectric layers can also be used to improve the selectivity, i.e. can be used to increase the solar absorption level. The invention will now be further explained with reference to the figures, which show:
Fig.1 Reflexionsgrad eines ersten Absorbers (AI65Cu20Ru15-Partikel in einer AI2O3-Matrix auf einem Kupfersubstrat mit einer AI2O3-Antireflexionsschicht) als Funktion der Wellenlänge Fig. 1 reflectance of a first absorber (Al 65 Cu 20 Ru 15 particles in an Al 2 O 3 matrix on a copper substrate with an Al 2 O 3 anti-reflection layer) as a function of the wavelength
Fig. 2 Reflexionsgrad eines zweiten Absorbers (TiN-Partikel in einer AI2O3-2 reflectance of a second absorber (TiN particles in an Al 2 O 3 -
Matrix auf einem Kupfersubstrat mit einer AI2O3-Antireflexionsschicht) als Funktion der Wellenlänge Matrix on a copper substrate with an Al 2 O 3 anti-reflection layer) as a function of the wavelength
Die Erfindung wird nun weiter mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben: The invention will now be further described with reference to the following examples:
BEISPIEL 1 EXAMPLE 1
Quasikristaliine, leitfähige Partikel eines Materials der Zusammensetzung Quasi-crystalline, conductive particles of a material of the composition
AI65Cu20Ru15 werden durch Ultramahlen erzeugt. Die entstehenden Partikel werden bei 400°C unter Sauerstoff bei einem Druck von 100 Pa oxidiert und es
entsteht an der Oberfläche der Partikel eine ca. 8-10 nm dicke Oxidhaut (AI2O3), wobei keine weitere Oxidation der Partikel bei einer weiteren Behandlung bei 500°C an Luft unter Normaldruck stattfindet. Die Partikel werden in einer für die Erzeugung eines Sols von AI2O3 geeigneten Lösung (z.B. beschrieben in R. Roy, Science 238, S. 1 664 ( 1 987)) dispergiert. Da die quasikristallinen Partikel an derAI 65 Cu 20 Ru 15 are produced by ultramilling. The resulting particles are oxidized at 400 ° C under oxygen at a pressure of 100 Pa and it an approximately 8-10 nm thick oxide skin (Al 2 O 3 ) is formed on the surface of the particles, with no further oxidation of the particles taking place in a further treatment at 500 ° C. in air under normal pressure. The particles are dispersed in a solution suitable for the production of a sol of Al 2 O 3 (described, for example, in R. Roy, Science 238, p. 1,664 (1,987)). Since the quasi-crystalline particles on the
Oberfläche mit AI2O3 beschichtet sind, ist eine homogene Dispergierung der Partikel in der Lösung unproblematisch. Die Flüssigkeit wird durch Sprühen auf ein Kupfersubstrat aufgebracht und durch eine Temperbehandlung bei 600°C entsteht eine Cermet-Schicht aus quasikristallinen Partikeln in einer AI2O3-Matrix. Diese Schicht weist eine Dicke von 1 10 nm und einen Volumenanteil von quasikristallinem Material von 30% auf. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine reine AI2O3-Schicht mit einer Schichtdicke von 60 nm aufgetragen, die als Antireflexionsschicht dient. Fig. 1 zeigt den Reflexionsgrad dieses Schichtsystems als Funktion der Wellenlänge. Surface are coated with Al 2 O 3 , a homogeneous dispersion of the particles in the solution is not a problem. The liquid is applied to a copper substrate by spraying and a cermet layer of quasi-crystalline particles in an Al 2 O 3 matrix is formed by an annealing treatment at 600 ° C. This layer has a thickness of 110 nm and a volume fraction of quasi-crystalline material of 30%. In a further process step, a pure Al 2 O 3 layer is applied with a layer thickness of 60 nm, which serves as an anti-reflection layer. Fig. 1 shows the reflectance of this layer system as a function of the wavelength.
BEISPIEL 2 EXAMPLE 2
Leitfähige TiN-Partikel werden durch Mahlen mit einem mittleren Korndurchmesser von 20 nm hergestellt. Die leitfähigen Partikel werden in einer für die Erzeugung von AI2O3 geeigneten Lösung (z.B. beschrieben in R. Roy, Science 238, S. 1 664 (1 987)) dispergiert. Ein Kupfersubstrat wird durch Schleudern mit der Flüssigkeit beschichtet, durch eine Temperbehandlung bei 600°C entsteht eine Cermet-Schicht mit einem Volumenanteil der leitfähigen Partikel von 20% sowie einer Schichtdicke von 1 30 nm. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine reine AI2O3-Schicht mit einer Schichtdicke von 60 nm als Antireflexionsschicht aufgetragen. Fig. 2 zeigt den Reflexionsgrad dieses Schichtsystems alsConductive TiN particles are produced by grinding with an average grain diameter of 20 nm. The conductive particles are dispersed in a solution suitable for the production of Al 2 O 3 (described, for example, in R. Roy, Science 238, p. 1,664 (1,987)). A copper substrate is coated with the liquid by spinning, and an annealing treatment at 600 ° C. creates a cermet layer with a volume fraction of the conductive particles of 20% and a layer thickness of 1 30 nm. In a further process step, a pure Al 2 O 3 -Layer with a layer thickness of 60 nm applied as an anti-reflection layer. Fig. 2 shows the reflectance of this layer system as
Funktion der Wellenlänge.
Function of the wavelength.