WO1996009502A1 - Spectrally selective collector coating and process for its production - Google Patents

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WO1996009502A1
WO1996009502A1 PCT/EP1995/003764 EP9503764W WO9609502A1 WO 1996009502 A1 WO1996009502 A1 WO 1996009502A1 EP 9503764 W EP9503764 W EP 9503764W WO 9609502 A1 WO9609502 A1 WO 9609502A1
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layer
layers
absorbent
substrate
spectrally selective
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PCT/EP1995/003764
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Lothar Herlitze
Wolfgang Graf
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Interpane
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036Reactive sputtering
    • C23C14/0084Producing gradient compositions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00Details of absorbing elements
    • F24S70/20Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
    • F24S70/225Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption for spectrally selective absorption
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to a device for heating a transport medium by means of solar radiation, in particular a solar collector, with a spectrally selective layer system, the layers of which are arranged on a heat-conducting substrate which is in heat-conductive contact with the transport medium to be heated.
  • Solar panels are used to heat a transport medium, such as. B. a liquid or a gas, with the help of solar radiation.
  • a highly absorbent layer system is applied to a heat-conducting substrate.
  • Loss of heat on the side of the solar collector facing away from the sun is reduced by opaque insulation, whereas losses on the side facing the sun are avoided by thermal insulation that is transparent to solar radiation.
  • collectors Copper, aluminum, steel or stainless steel are used as substrates for reasons of heat conduction and for reasons of cost.
  • collectors such as. B. flat collectors, vacuum and tube collectors, etc.
  • spectral absorption capacity oL Z depending on the wavelength • * of the solar radiation of 100%.
  • the emissivity £ () im Radiation range of the black body at the corresponding collector or working temperature must be minimal, so a spectrally selective collector coating is characterized by a high spectral Absorbance c in the area of solar radiation and a low emissivity € in the radiation area of the black body of the respective working temperature.
  • a vanishing reflection R (X) is aimed for in order to ensure a high absorption capacity.
  • various absorber concepts are used, e.g. B. intrinsically selective materials, gradient layers, cermet layers and anti-reflective layers. Usually several of these concepts are used at the same time.
  • the selectivity properties that can be achieved depend on the composition of the electrolyte used, the working conditions and the material of the substrate. As such, copper, aluminum, stainless steel and galvanized or non-galvanized steel are used. An intermediate layer of nickel is often applied to the substrates. It serves to protect against corrosion.
  • Chromium-chromium oxide cermet systems are among the selective selection of Chromium-chromium oxide cermet systems.
  • Black chrome coatings that can be produced in different ways. In addition to electroplating processes with different bath compositions, vacuum processes are also used.
  • the term "chrome black” has a superordinate meaning and is not restricted to a specific product.
  • Black chrome is considered stable in the working area of the low-temperature collectors and is more resistant to moisture.
  • the general disadvantage of many electroplated selective layers is that their properties deteriorate due to aging and in the environmentally hazardous use of toxic salt solutions in the manufacture.
  • the manufacturing process of nickel structure layers on aluminum substrates is comparable to the two-step process known from anodizing technology.
  • the too Coating aluminum absorbers are degreased, pickled and decapitated. This is followed by the creation of an anodized layer with a defined pore pattern and the deposition of the nickel into the pores.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a spectrally selective coating for a solar collector and a method for producing such which have a high thermal resistance up to the standstill temperature, i.e. H. if the collector is operated without transport medium and has a high chemical resistance to environmental influences such as Ensure gases, dust, water vapor, etc. Further properties worth striving for include high resistance to temperature changes, high resistance to UV radiation, long service life, large-scale producibility and low manufacturing costs.
  • the object is achieved by a device according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the layers of the spectrally selective layer system contain dielectric and absorbent materials which can be applied to the substrate by sputtering.
  • the above-mentioned object is achieved according to claim 8 by a method for producing a spectrally selective layer system on a thermally conductive substrate, which is characterized in that the layers of the spectrally selective layer system are applied in succession to the thermally conductive substrate by sputtering.
  • both the absorber substrate and the coating components must be considered in their individual properties and in their interactions.
  • Metals, metal foils, plastics (PTFE, EPDM), glass, rubber and the like can be used as materials for the heat-conducting substrate. Because of the heat conduction properties, it is usually limited to metals such as copper, Stainless steel or aluminum, the use of copper and aluminum or nickel being advantageous because of their inherently low emissivity in the heat radiation range.
  • the surface quality (roughness characteristics) of the substrate sheets used is of great importance for the resistance behavior of the absorbers.
  • a further possibility for improving the corrosion properties consists in the use of tin-plated or nickel-plated sheets, the layer thickness of the tin or nickel layer being greater than or equal to 1 ⁇ m.
  • the substrate sheets are pretreated either by degreasing in appropriate cleaning baths or preferably by a flame treatment, a silicon-containing compound, preferably tetraethoxylan-TEOS, being added to the combustion gas, which leads to the build-up of a very thin SiO x layer on the substrate sheet with an anti-corrosion effect.
  • a silicon-containing compound preferably tetraethoxylan-TEOS
  • the first option is to use substrates with a low emissivity, e.g. B. copper, aluminum, nickel or the like.
  • the other possibility is to apply a suitable layer with a low emissivity on the substrate.
  • Tin, nickel, molybdenum, gold, platinum metals or low-emitting compounds such as nitrides, in particular the nitrides of the subgroup elements such as titanium nitride or zirconium nitride, can be used as materials for these layers.
  • the layer thickness can be between 10 nm and a few ⁇ m.
  • the spectrally selective layer system which contains layers of dielectric and absorbent materials, is then applied to the low-emitting surface. It has been found that materials produced by sputtering processes, such as. B. the DC magnetron or HF sputtering method can be applied to the heat-conducting substrate, are characterized by a high thermal and chemical resistance and a high resistance to temperature changes. Furthermore, the resistance to UV radiation and the long service life of the materials that can be applied by sputtering are to be emphasized. Further advantages are the excellent layer uniformity, which is well manageable in terms of process technology Process control and the possibility of large-area coating of semi-finished substrate products and ready-made absorbers. The manufacturing process can be designed particularly economically, in particular by the DC magnetron sputtering method. The method is advantageously suitable for coil coating, coating using the inline method and batch coating.
  • the dielectric and the absorbent layers are deposited one above the other in a sandwich-like structure. It therefore contains at least one layer of a dielectric material and at least one further layer of an absorbent material, an absorbing layer and a layer containing a dielectric material being arranged alternately.
  • the individual layer thicknesses are between 1 nm and 100 nm. They are determined by the refractive index and the absorption capacity of the layers in such a way that a high absorption for solar radiation is achieved with a low emissivity of the entire layer system.
  • Carbides preferably silicon carbide, or oxides of the 4th main group or subgroup elements, preferably niobium oxide, zirconium oxide and tantalum oxide, are used as dielectric materials. Nitrides or oxynitrides of silicon, boron or the subgroup elements are also suitable.
  • absorbent reactive layers preferably chromium nitride or nitrides of chromium alloys such as, for. B. Ni / Cr used. Molybdenum and elemental carbon have also proven to be cheap.
  • a cermet structure is achieved by clustering the absorbent materials.
  • the second variant for the construction of the spectrally selective layer system is that the layers are a material mixture of absorbent and dielectric Contain material portions, the stoichiometry changes from layer to layer so that the absorbent material portion of the material mixture increases towards the substrate.
  • the layer system in such a way that it is only produced from a basic material.
  • the system CrO x represents an example.
  • x can be varied such that values 0 ⁇ x ⁇ 1, 5 are reached, with x increasing from the substrate to the light incidence side.
  • an additional absorbent material can also be built into the layers. All subgroup elements, their alloys, in particular Ni / Cr alloys, but also molybdenum or carbon can in turn be used as materials for this.
  • the concentration of the additional absorbent material towards the substrate can also increase.
  • an anti-reflective layer with a low refractive index can be arranged on the light incidence side of the layer system.
  • a layer with a low emissivity can be arranged between the heat-conducting substrate and the spectrally selective layer system. This layer can also function as a corrosion protection.
  • the nitride layers are sputtered from the metal target, e.g. B. Chrome target.
  • Silicon carbide can be produced by sputtering from the silicon target in a carbon-containing atmosphere or preferably by sputtering from the silicon carbide target.
  • the carbon layers are produced by sputtering from the graphite target.
  • Oxide layers are created by reactive sputtering in an oxygen atmosphere. In all cases, the working pressure is approximately 5 x 10 ⁇ bar, the sputtering power densities being between 1 and 10 W / cm ⁇ target surface.
  • the difficulty lies in finding stable working points for the coating process during the sputtering.
  • this problem is solved in that the stoichiometry of the material mixture from layer to layer is changed step by step or continuously by a time-modulated change in the reactive gas content in the sputtering gas.
  • the other possibility is to change the stoichiometry of the material mixture from layer to layer step by step or continuously by changing the sputtering power in a time-modulated manner.
  • the required parameter changes are made on the flow controller or the setpoint specification units for the power supplies of the sputtering system.
  • the silicon carbide layers in particular show very good mechanical resistance and are smudge-proof and easy to handle, properties such as scratch resistance also being influenced by the substrate material.
  • the layers mentioned above show very good stability in the climate change test at temperatures up to 90 ° C. and in saturated water vapor.
  • the reason for this can be seen in the fact that electrochemical corrosion processes are effectively prevented by the deposition of non-metallic layers which also contain hardly any metal impurities.
  • the layers are hydrophobic, so they are poorly wetted by water.
  • FIG. 1 schematically shows the sandwich-like variant of the layer structure of a spectrally selective layer system
  • FIG. 2 schematically shows the variant of the layer structure with changes in stoichiometry
  • FIG. 3 shows the dependence of the sputter voltage on the reactive gas flow
  • FIG. 4 shows a time-modulated change in the sputtering power
  • FIG. 5 a time-modulated change in the reactive gas content in the sputtering gas.
  • FIG. 1 shows a first variant of a spectrally selective layer system according to the invention, in which the dielectric and absorbent materials that can be applied to the substrate 1 by sputtering have a sandwich-like structure.
  • At least one layer 3 contains a dielectric material and at least one further layer 4 contains an absorbent material.
  • the layers 3 with dielectric material and the layers 4 with absorbent material are arranged alternately.
  • Materials with a high thermal conductivity are used for the substrate, in particular metals such as copper, stainless steel, aluminum or nickel.
  • a layer 2 with a low emissivity can be arranged between the heat-conducting substrate and the spectrally selective layer system.
  • Tin, nickel, molybdenum, gold, platinum metals or low-emitting compounds such as nitrides, in particular nitrides, can be used as the material for layer 2
  • Sub-group elements such as titanium nitride or zirconium nitride are used.
  • the layer thickness of layer 2 is between 10 nm and a few ⁇ m.
  • An anti-reflective layer 5 with a low refractive index can also be arranged on the light incidence side of the spectrally selective layer system. This anti-reflective layer 5 serves to lower the reflection in the visible region of the light.
  • the concentration of the absorbent material in the absorbent layers 4 increases from the light incidence side towards the substrate according to a certain function.
  • the layer 2 shows the structure of a spectrally selective layer system, the layers 6 of which contain dielectric and absorbing materials which can be applied to the substrate 1 by sputtering.
  • the layers 6a, 6b, 6c, 6d contain a material mixture of absorbent and dielectric material portions, the stoichiometry changing from layer to layer such that the absorbent material portion of the material mixture increases towards the substrate 1.
  • the layer 6a consists z. B. from CrO x ⁇ , the layer 6b from CrO ⁇ 2, the layer 6c from CrO x 3 and the layer
  • Stoichiometry changes from layer to layer in such a way that the absorbent material portion of the material mixture CrO x increases towards the substrate.
  • absorbent material can also be built into the layers. All subgroup elements and their alloys, in particular Ni / Cr alloys, but also elemental carbon or molybdenum, are also suitable as materials for this. The concentration of this additional absorbent material can also increase towards the substrate.
  • an anti-reflective layer 5 with a low refractive index can also be applied to the light incidence side in order to reduce the reflection in the visible region of the solar radiation.
  • a layer with a low emissivity can also be arranged here between the substrate 1 and the spectrally selective layer system.
  • the desired properties described above can be achieved if the layers are applied to the heat-conducting substrate in succession by sputtering.
  • the DC magnetron sputtering method is particularly preferred.
  • the stoichiometry changing from layer to layer such that the absorbent material portion of the material mixture increases towards the substrate either the reactive gas content in the sputtering gas or the sputtering power can be time-modulated be changed.
  • 3 illustrates these methods.
  • the diagram shown shows the sputtering voltage as a function of the reactive gas flow, the two curves P1 and P2 showing two different sputtering powers.
  • a brief transition is carried out between different working points AI, A2 and A3.
  • the arrows between the working points AI and A3 indicate the change in the sputtering performance during which the reactive gas flow remains constant.
  • FIG. 4 shows a diagram of the time-modulated change in the sputtering power.
  • the one working or operating point is held during a time period t1 and the other working or operating point is held for a time period t2, so that the time-modulated change in the sputtering power is equivalent to a step function.
  • 5 shows a diagram with the time-modulated change in the reactive gas content. One operating point is in turn held for a time t1 and the other for a time t2, so that the time-modulated change in the reactive gas content also presents itself as a step function.
  • the alternating frequencies between the respective working or operating points can be between 10 "! And 10 ⁇ Hz. It has proven to be particularly favorable if the frequencies are between 1 - 10 Hz.
  • the function type of the time-modulated change is not dependent on It is conceivable, in particular, to combine the two methods described above of the time-modulated change, the sputtering power and the time-modulated change of the reactive gas content.

Abstract

The present invention relates to a device for heating a transport medium by solar radiation, especially a solar collector, with a spectrally selective layer system, the layers of which are arranged on a heat-conducting substrate in heat-conducting contact with the transport medium to be heated. The layers (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) of the spectrally selective layer system contain dielectric and absorbent materials which can be applied to the substrate (1) by sputtering. The present invention also relates to a heat-conducting substrate (1) in which the layers (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) of the spectrally selective layer system are applied successively to the heat-conducting substrate (1) by sputtering.

Description

Spektralselektive Kollektorbeschichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung Spectral selective collector coating and process for its production
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Transportmediums mittels Sonnenstrahlung, insbesondere einen Sonnenkollektor, mit einem spektralselektiven Schichtsystem, dessen Schichten auf einem wärmeleitenden Substrat, das mit dem zu erwärmenden Transportmedium in wärmeleitendem Kontakt steht, angeordnet sind.The present invention relates to a device for heating a transport medium by means of solar radiation, in particular a solar collector, with a spectrally selective layer system, the layers of which are arranged on a heat-conducting substrate which is in heat-conductive contact with the transport medium to be heated.
Sonnenkollektoren dienen der Erwärmung eines Transportmediums, wie z. B. einer Flüssigkeit oder einem Gas, mit Hilfe der Sonnenstrahlung. Um eine effiziente Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme zu gewährleisten, wird auf ein gut wärmeleitendes Substrat ein hochabsorbierendes Schichtsystem aufgebracht.Solar panels are used to heat a transport medium, such as. B. a liquid or a gas, with the help of solar radiation. In order to ensure efficient conversion of solar radiation into heat, a highly absorbent layer system is applied to a heat-conducting substrate.
Wärmeverluste nach den sonnenabgewandten Seiten des Sonnenkollektors werden durch opake Isolierung vermindert, wohingegen Verluste auf der sonnenzugewandten Seite durch eine Wärmedämmung vermieden werden, die für Sonnenstrahlung transparent ist.Loss of heat on the side of the solar collector facing away from the sun is reduced by opaque insulation, whereas losses on the side facing the sun are avoided by thermal insulation that is transparent to solar radiation.
Als Substrate werden aus Wärmeleitungsgründen und aus Kostengründen Kupfer, Aluminium, Stahl oder Edelstahl verwendet. Es existieren eine Reihe verschiedener Kollektorformen, wie z. B. Flachkollektoren, Vakuum- und Röhrenkollektoren, u.s.w..Copper, aluminum, steel or stainless steel are used as substrates for reasons of heat conduction and for reasons of cost. There are a number of different types of collectors, such as. B. flat collectors, vacuum and tube collectors, etc.
Man unterscheidet dabei Niedertemperatur-Kollektoren, die bei einer Betriebstemperatur von bis zu 100°C arbeiten und Hochtemperatur-Kollektoren, deren Arbeitstemperatur bis zu 300°C beträgt. Diese Kollektoren zeigen sehr unterschiedliche Konstruktionen und Anforderungsprofile an ihre jeweiligen Bestandteile.A distinction is made between low-temperature collectors that work at an operating temperature of up to 100 ° C and high-temperature collectors whose working temperature is up to 300 ° C. These collectors show very different designs and requirement profiles for their respective components.
Um einen möglichst hohen Kollektorwirkungsgrad zu erreichen, werden selektiv beschichtete Absorber verwendet. Das Ziel dabei ist, möglichst die gesamte Strahlenleistung der Sonne zu absorbieren, d. h. ein spektrales Absorptions- vermögen oL (Z in Abhängigkeit von der Wellenlänge • * der Sonnenstrahlung von 100 % anzustreben. Um gleichzeitig die Wärmeverluste kleinzuhalten, muß das Emissionsvermögen £ ( ) im Strahlungsbereich des schwarzen Körpers bei der entsprechenden Kollektor- bzw. Arbeitstemperatur minimal sein. Eine spektralselektive Kollektorbeschichtung zeichnet sich also durch ein hohes spektrales Absorptionsvermögen c im Bereich der Sonnenstrahlung und durch ein niedriges Emissionsvermögen € im Strahlungsbereich des schwarzen Körpers der jeweiligen Arbeitstemperatur aus.In order to achieve the highest possible collector efficiency, selectively coated absorbers are used. The aim is to absorb as much as possible the total radiation power of the sun, ie to strive for a spectral absorption capacity oL ( Z depending on the wavelength • * of the solar radiation of 100%. To keep the heat losses low, the emissivity £ () im Radiation range of the black body at the corresponding collector or working temperature must be minimal, so a spectrally selective collector coating is characterized by a high spectral Absorbance c in the area of solar radiation and a low emissivity € in the radiation area of the black body of the respective working temperature.
Da die zumeist verwendeten Metallsubstrate im solaren Bereich keine Transmission besitzen, wird, um ein hohes Absorptionsvermögen zu gewährleisten, eine verschwindende Reflexion R (X) angestrebt.Since the mostly used metal substrates have no transmission in the solar range, a vanishing reflection R (X) is aimed for in order to ensure a high absorption capacity.
Der ideale Absorber hat demnach unterhalb einer Wellenlänge von - = 2500 nm ein Reflexionsvermögen R (X) = 0 und oberhalb von 2500 nm von R (X) = 1. Um ein solches Prinzip zu verwirklichen, werden verschiedene Absorberkonzepte benutzt, z. B. intrinsisch selektive Materialien, Gradientenschichten, Cermetschichten und Entspiegelungsschichten. Meist werden mehrere dieser Konzepte gleichzeitig benutzt.The ideal absorber therefore has a reflectivity R (X) = 0 below a wavelength of - = 2500 nm and R (X) = 1 above 2500 nm. To implement such a principle, various absorber concepts are used, e.g. B. intrinsically selective materials, gradient layers, cermet layers and anti-reflective layers. Usually several of these concepts are used at the same time.
Für die industrielle Nutzung haben sich bisher galvano-technisch hergestellte Systeme auf Chrom-Chromoxid-Ceimet-Basis, sowie Schichten unter Verwendung von Metall- Aluminiumoxid-Mischschichten durch *g»esetzt.For industrial use, electro-technically manufactured systems based on chrome-chromium-oxide-Ceimet, as well as layers using metal-aluminum oxide mixed layers, have become established through * g ».
Die erreichbaren Selektivitätseigenschaften sind abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Elektrolyten, den Arbeitsbedingungen und dem Material des Substrates. Als solches finden Kupfer, Aluminium, Edelstahl sowie verzinkter oder nicht verzinkter Stahl Verwendung. Oft wird auf die Substrate eine Zwischenschicht aus Nickel aufgebracht. Sie dient dem Korrosionsschutz.The selectivity properties that can be achieved depend on the composition of the electrolyte used, the working conditions and the material of the substrate. As such, copper, aluminum, stainless steel and galvanized or non-galvanized steel are used. An intermediate layer of nickel is often applied to the substrates. It serves to protect against corrosion.
Chrom-Chromoxid-Cermet-Systeme gehören zu den selektivenChromium-chromium oxide cermet systems are among the selective
Schwarzchrombeschichtungen, die sich auf verschiedenen Wegen herstellen lassen. Neben Galvanikverfahren mit unterschiedlichen Badzusammensetzungen werden auch Va uumprozesse angewendet. So hat der Begriff "Sch arzchrom" eine übergeordnete Bedeutung und ist nicht auf ein bestimmtes Produkt beschränkt.Black chrome coatings that can be produced in different ways. In addition to electroplating processes with different bath compositions, vacuum processes are also used. The term "chrome black" has a superordinate meaning and is not restricted to a specific product.
Schwarzchrom gilt im Arbeitsbereich der Niedertemperatur-Kollektoren als stabil, und ist gegenüber Feuchtigkeit resistenter. Der generelle Nachteil vieler galvanisch hergestellter selektiver Schichten besteht darin, daß sich ihre Eigenschaften durch Alterung verschlechtern sowie in der umweltgefährdenden Verwendung giftiger Salzlösungen bei der Herstellung.Black chrome is considered stable in the working area of the low-temperature collectors and is more resistant to moisture. The general disadvantage of many electroplated selective layers is that their properties deteriorate due to aging and in the environmentally hazardous use of toxic salt solutions in the manufacture.
Das Herstellungsverfahren von Nickelstruktur-Schichten auf Aluminiumsubstraten ist mit dem aus der Anodisiertechnik bekannten Zweistufenverfahren vergleichbar. Die zu beschichtenden Aluminiumabsorber werden entfettet, gebeizt und dekapiert. Anschließend erfolgt die Erzeugung einer Eloxalschicht mit einem definierten Porenraster und die Abscheidung des Nickels in die Poren.The manufacturing process of nickel structure layers on aluminum substrates is comparable to the two-step process known from anodizing technology. The too Coating aluminum absorbers are degreased, pickled and decapitated. This is followed by the creation of an anodized layer with a defined pore pattern and the deposition of the nickel into the pores.
Bei Hochtemperatur-Vakuum-Absorberschichten für fokussierende Systeme, z.B. Vakuumröhrenkollektoren für Sonnenkraftwerke, werden selektive Schichten auf der Basis hochfrequentgesputterten Aluminiumoxids mit eingelagerten Metallpartikeln, z.B. Molybdän, verwendet. Diese Schichten weisen zwar eine gute Temperaturbeständigkeit, aber eine ungenügende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Feuchtigkeit auf.For high-temperature vacuum absorber layers for focusing systems, e.g. Vacuum tube collectors for solar power plants, selective layers based on high-frequency sputtered aluminum oxide with embedded metal particles, e.g. Molybdenum. Although these layers have good temperature resistance, they have insufficient corrosion resistance to moisture.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine spektralselektive Beschichtung für einen Sonnenkollektor und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen zu liefern, die eine hohe thermische Beständigkeit bis zur Stillstandstemperatur, d. h. wenn der Kollektor ohne Transportmedium betrieben wird, und eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Gasen, Staub, Wasserdampf, etc. gewährleisten. Als weitere erstrebenswerte Eigenschaften sind hohe Beständigkeit bei Temperaturwechseln, hohe Beständigkeit gegen UV-Strahlung, hohe Lebensdauer, großtechnische Herstellbarkeit und niedrige Herstellungskosten zu nennen.The present invention is therefore based on the object of providing a spectrally selective coating for a solar collector and a method for producing such which have a high thermal resistance up to the standstill temperature, i.e. H. if the collector is operated without transport medium and has a high chemical resistance to environmental influences such as Ensure gases, dust, water vapor, etc. Further properties worth striving for include high resistance to temperature changes, high resistance to UV radiation, long service life, large-scale producibility and low manufacturing costs.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schichten des spektralselektiven Schichtsystems dielektrische und absorbierende Materialien enthalten, die durch Sputtem auf das Substrat aufbringbar sind.The object is achieved by a device according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the layers of the spectrally selective layer system contain dielectric and absorbent materials which can be applied to the substrate by sputtering.
Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe gemäß Anspruch 8 durch ein Verfahren zum Herstellen eines spektralselektiven Schichtsystems auf einem wärmeleitenden Substrat gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schichten des spektralselektiven Schichtsystems nacheinander durch Sputtem auf das wärmeleitende Substrat aufgebracht werden.Furthermore, the above-mentioned object is achieved according to claim 8 by a method for producing a spectrally selective layer system on a thermally conductive substrate, which is characterized in that the layers of the spectrally selective layer system are applied in succession to the thermally conductive substrate by sputtering.
Um zu optimalen Schichteigenschaften zu gelangen, müssen sowohl das Absorbersubstrat als auch die Beschichtungskomponenten in ihren Einzeleigenschaften und in ihren Wechselwirkungen betrachtet werden.In order to achieve optimal layer properties, both the absorber substrate and the coating components must be considered in their individual properties and in their interactions.
Als Materialien für das wärmeleitende Substrat können Metalle, Metallfolien, Kunststoffe (PTFE, EPDM), Glas, Gummi und dgl. verwendet werden. Wegen der Wärmeleitungseigenschaften beschränkt man sich in der Regel auf Metalle wie Kupfer, Edelstahl oder Aluminium, wobei die Verwendung von Kupfer und Aluminium, bzw. Nickel, wegen ihres von Natur aus geringen Emissionsvermögens im Wärmestrahlungsbereich vorteilhaft ist.Metals, metal foils, plastics (PTFE, EPDM), glass, rubber and the like can be used as materials for the heat-conducting substrate. Because of the heat conduction properties, it is usually limited to metals such as copper, Stainless steel or aluminum, the use of copper and aluminum or nickel being advantageous because of their inherently low emissivity in the heat radiation range.
Für das Beständigkeitsverhalten der Absorber ist die Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeitscharakteristik) der verwendeten Substratsbleche von großer Bedeutung. Als günstig haben sich möglichst glatte Oberflächen mit geringen Rauhtiefen, ohne tiefe Rillenbildung, also sanft gewellte Oberflächen erwiesen.The surface quality (roughness characteristics) of the substrate sheets used is of great importance for the resistance behavior of the absorbers. Surfaces that are as smooth as possible and have low roughness depths, without deep groove formation, that is, gently undulating surfaces, have proven to be advantageous.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Korrosionseigenschaften besteht in der Verwendung verzinnter bzw. vernickelter Bleche, wobei die Schichtdicke der Zinn¬ bzw. Nickelschicht größer oder gleich 1 μm ist.A further possibility for improving the corrosion properties consists in the use of tin-plated or nickel-plated sheets, the layer thickness of the tin or nickel layer being greater than or equal to 1 μm.
Die Vorbehandlung der Substratbleche erfolgt entweder durch Entfetten in entsprechenden Reinigungsbädem oder vorzugsweise durch eine Flammenbehandlung, wobei dem Verbrennungsgas eine siliziumhaltige Verbindung, vorzugsweise Tetraethoxylan-TEOS, zugesetzt wird, was zum Aufbau einer sehr dünnen SiOx-Schicht auf dem Substratblech mit Korrosionsschutzwirkung führt.The substrate sheets are pretreated either by degreasing in appropriate cleaning baths or preferably by a flame treatment, a silicon-containing compound, preferably tetraethoxylan-TEOS, being added to the combustion gas, which leads to the build-up of a very thin SiO x layer on the substrate sheet with an anti-corrosion effect.
Um ein niedriges Emissionsvermögen des Substrates zu garantieren, gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit besteht in der Verwendung von Substraten mit einem niedrigen Emissionsvermögen, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Nickel o. ä.. Die andere Möglichkeit besteht darin, auf das Substrat eine geeignete Schicht mit einem niedrigen Emissionsvermögen aufzubringen. Als Materialien für diese Schichten können Zinn, Nickel, Molybdän, Gold, Platinmetalle oder niedrig emittierende Verbindungen wie Nitride, insbesondere der Nitride der Nebengruppenelemente wie Titannitrid oder Zirkonnitrid Verwendung finden. Die Schichtdicke kann dabei zwischen 10 nm und einigen μm liegen.There are two ways to guarantee a low emissivity of the substrate. The first option is to use substrates with a low emissivity, e.g. B. copper, aluminum, nickel or the like. The other possibility is to apply a suitable layer with a low emissivity on the substrate. Tin, nickel, molybdenum, gold, platinum metals or low-emitting compounds such as nitrides, in particular the nitrides of the subgroup elements such as titanium nitride or zirconium nitride, can be used as materials for these layers. The layer thickness can be between 10 nm and a few μm.
Auf die niedrig emittierende Oberfläche wird danach das spektralselektive Schichtsystem, das Schichten aus dielektrischen und absorbierenden Materialien enthält, aufgebracht. Es hat sich erwiesen, daß Materialien, die durch Sputter- Verfahren, wie z. B. das DC-Magnetron- bzw. HF-Sputter- Verfahren auf das wärmeleitende Substrat aufbringbar sind, sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit sowie eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit auszeichnen. Weiterhin sind die Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung, sowie die hohe Lebensdauer der durch Sputtem aufbringbaren Materialien hervorzuheben. Weitere Vorteile bestehen in der hervorragenden Schichtgleichmäßigkeit, der verfahrenstechnisch gut beherrschbaren Prozeßführung und der Möglichkeit zur Großflächenbeschichtung von Substrathalbzeugen und fertigkonfektionierten Absorbern. Insbesondere durch das DC- Magnetron-Sputter- Verfahren läßt sich der Herstellungsprozeß besonders wirtschaftlich gestalten. Das Verfahren ist vorteilhafterweise für die Bandbeschichtung, die Beschichtung im Inline- Verfahren, sowie für die Batch-Beschichtung geeignet.The spectrally selective layer system, which contains layers of dielectric and absorbent materials, is then applied to the low-emitting surface. It has been found that materials produced by sputtering processes, such as. B. the DC magnetron or HF sputtering method can be applied to the heat-conducting substrate, are characterized by a high thermal and chemical resistance and a high resistance to temperature changes. Furthermore, the resistance to UV radiation and the long service life of the materials that can be applied by sputtering are to be emphasized. Further advantages are the excellent layer uniformity, which is well manageable in terms of process technology Process control and the possibility of large-area coating of semi-finished substrate products and ready-made absorbers. The manufacturing process can be designed particularly economically, in particular by the DC magnetron sputtering method. The method is advantageously suitable for coil coating, coating using the inline method and batch coating.
Für den Aufbau der Schichten des spektralselektiven Schichtensystems haben sich zwei verschiedene Varianten als besonders günstig erwiesen.Two different variants have proven to be particularly favorable for the construction of the layers of the spectrally selective layer system.
Bei der ersten Variante werden die dielektrischen und die absorbierenden Schichten in einem sandwichähnlichem Aufbau übereinander abgeschieden. Es enthält also mindestens eine Schicht ein dielektrisches Material und mindestens eine weitere Schicht ein absorbierendes Material, wobei je eine absorbierendes und eine dielektrisches Material enthaltende Schicht abwechseln angeordnet sind. Die Einzelschichtdicken liegen dabei zwischen 1 nm und 100 nm. Sie werden durch die Brechungsindex und das Absorptionsvermögen der Schichten so bestimmt, daß eine hohe Absoiption für Solarstrahlung bei gleichzeitig geringem Emissionsvermögen des Gesamtschichtsystems erreicht wird.In the first variant, the dielectric and the absorbent layers are deposited one above the other in a sandwich-like structure. It therefore contains at least one layer of a dielectric material and at least one further layer of an absorbent material, an absorbing layer and a layer containing a dielectric material being arranged alternately. The individual layer thicknesses are between 1 nm and 100 nm. They are determined by the refractive index and the absorption capacity of the layers in such a way that a high absorption for solar radiation is achieved with a low emissivity of the entire layer system.
Als dielektrische Materialien finden Carbide, vorzugsweise Siliziumcarbid, oder Oxide der 4. Hauptgruppe bzw. Nebengruppenelemente, vorzugsweise Nioboxid, Zirkonoxid und Tantaloxid Verwendung. Weiterhin eignen sich Nitride bzw. Oxynitride des Siliziums, Bors oder der Nebengruppenelemente.Carbides, preferably silicon carbide, or oxides of the 4th main group or subgroup elements, preferably niobium oxide, zirconium oxide and tantalum oxide, are used as dielectric materials. Nitrides or oxynitrides of silicon, boron or the subgroup elements are also suitable.
Als absorbierende Materialien werden absorbierende Reaktivschichten, und dabei insbesondere Nitride, vorzugsweise Chromnitrid bzw. Nitride der Chromlegierungen wie z. B. Ni/Cr benutzt. Auch Molybdän sowie elementarer Kohlenstoff haben sich als günstig erwiesen.As absorbent materials, absorbent reactive layers, and in particular nitrides, preferably chromium nitride or nitrides of chromium alloys such as, for. B. Ni / Cr used. Molybdenum and elemental carbon have also proven to be cheap.
Durch Clusterbildung der absorbierenden Materialien wird dabei ein Cermetaufbau erreicht.A cermet structure is achieved by clustering the absorbent materials.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, ein Gradientenschichtsystem zu erzeugen, bei dem die Konzentration des absorbierenden Materiales von der Lichteinfallsseite zum Substrat hin zunimmt.It has proven to be particularly advantageous to produce a gradient layer system in which the concentration of the absorbent material increases from the light incidence side to the substrate.
Die zweite Variante für den Aufbau des spektralselektiven Schichtsystems besteht darin, daß die Schichten ein Materialgemisch aus absorbierenden und dielektrischen Materialanteilen enthalten, wobei die Stöchiometrie sich von Schicht zu Schicht so ändert, daß der absorbierende Materialanteil des Materialgemisches zum Substrat hin zunimmt.The second variant for the construction of the spectrally selective layer system is that the layers are a material mixture of absorbent and dielectric Contain material portions, the stoichiometry changes from layer to layer so that the absorbent material portion of the material mixture increases towards the substrate.
Dabei ist es möglich, daß Schichtsystem so herzustellen, daß es nur von einem Grundmaterial ausgehend erzeugt wird. Ein Beispiel stellt das System CrOx dar. Durch eine geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen, wie weiter unten beschrieben, läßt sich x so variieren, daß Werte 0 < x < 1 ,5 erreicht werden, wobei x vom Substrat zur Lichteinfallsseite zunimmt.It is possible to manufacture the layer system in such a way that it is only produced from a basic material. The system CrO x represents an example. By a suitable choice of the reaction conditions, as described further below, x can be varied such that values 0 <x <1, 5 are reached, with x increasing from the substrate to the light incidence side.
Als Materialien kommen prinzipiell alle Nebengruppenelemente, deren Legierungen, und insbesondere Ni/Cr-Legierungen, in Frage.In principle, all subgroup elements, their alloys, and in particular Ni / Cr alloys, can be considered as materials.
Es kann aber auch ein zusätzliches absorbierendes Material in die Schichten eingebaut sein. Als Materialien dafür können wiederum alle Nebengruppenelelemente, deren Legierungen, insbesondere Ni/Cr-Legierungen, aber auch Molybdän oder Kohlenstoff verwendet werden.However, an additional absorbent material can also be built into the layers. All subgroup elements, their alloys, in particular Ni / Cr alloys, but also molybdenum or carbon can in turn be used as materials for this.
Zusätzlich zur oder anstelle der Stöchiometrieänderung durch Zunahme des absorbierenden Materialanteiles des Materialgemisches zum Substrat hin kann auch die Konzentration des zusätzlichen absorbierenden Materiales zum Substrat hin zunehmen.In addition to or instead of the stoichiometry change due to an increase in the absorbent material portion of the material mixture towards the substrate, the concentration of the additional absorbent material towards the substrate can also increase.
Weiterhin kann bei beiden Varianten des Schichtsystemaufbaus auf der Lichteinfallsseite des Schichtsystems eine Entspiegelungsschicht mit niedrigem Brechungsindex angeordnet sein.Furthermore, in both variants of the layer system structure, an anti-reflective layer with a low refractive index can be arranged on the light incidence side of the layer system.
Außerdem kann zwischen dem wärmeleitenden Substrat und dem spektralselektiven Schichtsystem eine Schicht mit niedrigem Emissionsvermögen angeordnet sein. Diese Schicht kann gleichzeitig die Funktion eines Korrosionsschutzes haben.In addition, a layer with a low emissivity can be arranged between the heat-conducting substrate and the spectrally selective layer system. This layer can also function as a corrosion protection.
Wie oben bereits ausgeführt, sind Sputter- Verfahren zur Herstellung spektralselektiver Schichtsysteme besonders geeignet. Bei der sandwichartigen Variante des Schichtsystemaufbaus werden die Nitridschichten durch Sputtem vom Metalltarget, z. B. Chromtarget, hergestellt. Siliziumcarbid kann Sputtem vom Siliziumtarget in kohlenstoffhaltiger Atmosphäre oder vorzugsweise durch Sputtem vom Siliziumcarbid- Target hergestellt werden. Die Kohlenstoffschichten werden durch Sputtem vom Graphit-Target hergestellt. Oxidschichten werden durch reaktives Sputtem in Sauerstoffatmospähre erzeugt. In allen Fällen wird bei einem Arbeitsdruck von etwa 5 x 10^ bar gearbeitet, wobei die Sputterleistungsdichten zwischen 1 bis 10 W/cm^ Targetoberfläche betragen.As already stated above, sputtering processes are particularly suitable for producing spectrally selective layer systems. In the sandwich-like variant of the layer system structure, the nitride layers are sputtered from the metal target, e.g. B. Chrome target. Silicon carbide can be produced by sputtering from the silicon target in a carbon-containing atmosphere or preferably by sputtering from the silicon carbide target. The carbon layers are produced by sputtering from the graphite target. Oxide layers are created by reactive sputtering in an oxygen atmosphere. In all cases, the working pressure is approximately 5 x 10 ^ bar, the sputtering power densities being between 1 and 10 W / cm ^ target surface.
Bei der Herstellung von Spektralsystemen gemäß der zweiten Variante, bei der sich der absorbierende Materialanteil kontinuierlich ändert, liegt die Schwierigkeit darin, stabile Arbeitspunkte für den Beschichtungsprozeß während des Sputtems zu finden. Insbesondere ist es schwierig, Zustände im Übergangsbereich zwischen dem "metallic" und dem "compound" Modus zu stabilisieren.In the production of spectral systems according to the second variant, in which the absorbent material content changes continuously, the difficulty lies in finding stable working points for the coating process during the sputtering. In particular, it is difficult to stabilize states in the transition area between the "metallic" and the "compound" mode.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Stöchiometrie des Materialgemisches von Schicht zu Schicht durch eine zeitmodulierte Änderung des Reaktivgasgehaltes im Sputtergas schrittweise oder kontinuierlich verändert wird.According to the present invention, this problem is solved in that the stoichiometry of the material mixture from layer to layer is changed step by step or continuously by a time-modulated change in the reactive gas content in the sputtering gas.
Die andere Möglichkeit besteht darin, die Stöchiometrie des Materialgemisches von Schicht zu Schicht durch eine zeitmodulierte Änderung der Sputter-Leistung schrittweise oder kontinuierlich zu verändern.The other possibility is to change the stoichiometry of the material mixture from layer to layer step by step or continuously by changing the sputtering power in a time-modulated manner.
Dabei wird jeweils ein kurzzeitiger Übergang zwischen dem "metallic" und dem "compound" Modus durchgeführt. Durch eine gezielte Einstellung der Verweilzeiten tl und t2 in dem jeweiligen Zustand läßt sich eine Mischschicht erzeugen und dadurch die Schichtzusammensetzung in weiten Grenzen variieren. Die entsprechenden Frequenzen können zwischen 10"* Hz und 10^ Hz liegen, als besonders günstig hat sich eine Zustandswechselfrequenz von 1 - 10 Hz erwiesen.There is a brief transition between the "metallic" and the "compound" mode. Through a specific setting of the dwell times t1 and t2 in the respective state, a mixed layer can be generated and the layer composition can thereby vary within wide limits. The corresponding frequencies can be between 10 " * Hz and 10 ^ Hz, a state change frequency of 1 - 10 Hz has proven to be particularly favorable.
Die erforderlichen Para eteränderugnen erfolgen am Flowcon troller oder den Sollwertvorgabeeinheiten der Stromversorgungen der Sputteranlage.The required parameter changes are made on the flow controller or the setpoint specification units for the power supplies of the sputtering system.
Die erfindungsgemäßen Schichtsysteme und die erfindungsgemäß hergestellten Schichtsysteme zeichnen sich durch ein hohes solares Absorptionsvermögen von o = 90 % bis 96 %, und ein niedriges Emissionsvermögen € = 3 % bis 10 % aus. Insbesondere die Siliziumcarbidschichten zeigen eine sehr gute mechanische Beständigkeit und sind wischfest und handhabungssicher, wobei Eigenschaften wie die Kratzfestigkeit auch durch das Substratmaterial beeinflußt werden.The layer systems according to the invention and the layer systems produced according to the invention are distinguished by a high solar absorption capacity of o = 90% to 96% and a low emissivity € = 3% to 10%. The silicon carbide layers in particular show very good mechanical resistance and are smudge-proof and easy to handle, properties such as scratch resistance also being influenced by the substrate material.
Weiterhin zeigen die oben genannten Schichten, insbesondere die Siliziumcarbid- Systeme eine sehr gute Stabilität im Klimawechseltest bei Temperaturen bis 90°C und in gesättigtem Wasserdampf. Die Ursache dafür kann darin gesehen werden, daß durch die Abscheidung nichtmetallischer Schichten, die auch kaum Metallverunreinigungen enthalten, elektrochemische Korrosionsprozesse wirkungsvoll verhindert werden.Furthermore, the layers mentioned above, in particular the silicon carbide systems, show very good stability in the climate change test at temperatures up to 90 ° C. and in saturated water vapor. The reason for this can be seen in the fact that electrochemical corrosion processes are effectively prevented by the deposition of non-metallic layers which also contain hardly any metal impurities.
Außerdem sind die Schichten hydrophob, werden also durch Wasser schlecht benetzt.In addition, the layers are hydrophobic, so they are poorly wetted by water.
Schließlich sind die oben genannten Schichten, insbesondere die SiC/CrNx-Systeme imFinally, the layers mentioned above, in particular the SiC / CrN x systems in the
Vakuum bis zu Temperaturen von 400 °C und darüberhinaus stabil und damit auch für den Einsatz in Vakuumkollektoren geeignet.Vacuum up to temperatures of 400 ° C and more stable and therefore also suitable for use in vacuum collectors.
Es ist weiterhin vorstellbar, die erfindungsgemäßen Schichtsysteme nicht nur für Kollektorbeschichtungen, sondern auch als Sonnenschutz- oder als Wärmeschutzbeschichtungen auf Glas-Substraten zu verwenden.It is also conceivable to use the layer systems according to the invention not only for collector coatings, but also as sun protection or as heat protection coatings on glass substrates.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:The present invention is described in more detail below by means of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 schematisch die sandwichartige Variante des Schichtaufbaus eines spektralselektiven Schichtsystems, Fig. 2 schematisch die Variante des Schichtaufbaus mit Stöchiometrieänderungen, Fig. 3 die Abhängigkeit der Sputter-Spannung vom Reaktivgasfluß, Fig. 4 eine zeitmodulierte Änderung der Sputter-Leistung, Fig. 5 eine zeitmodulierte Änderung des Reaktivgasgehaltes im Sputtergas.1 schematically shows the sandwich-like variant of the layer structure of a spectrally selective layer system, FIG. 2 schematically shows the variant of the layer structure with changes in stoichiometry, FIG. 3 shows the dependence of the sputter voltage on the reactive gas flow, FIG. 4 shows a time-modulated change in the sputtering power, FIG. 5 a time-modulated change in the reactive gas content in the sputtering gas.
Fig. 1 zeigt eine erste Variante ein erfindungsgemäßes spektralselektives Schichtsystem, in dem die durch Sputtem auf das Substrat 1 aufbringbaren dielektrischen und absorbierenden Materialien einen sandwichartigen Aufbau aufweisen. Mindestens eine Schicht 3 enthält ein dielektrisches Material und mindestens eine weitere Schicht 4 ein absorbierendes Material. Die Schichten 3 mit dielektrischem Material und die Schichten 4 mit absorbierendem Material sind jeweils abwechselnd angeordnet.1 shows a first variant of a spectrally selective layer system according to the invention, in which the dielectric and absorbent materials that can be applied to the substrate 1 by sputtering have a sandwich-like structure. At least one layer 3 contains a dielectric material and at least one further layer 4 contains an absorbent material. The layers 3 with dielectric material and the layers 4 with absorbent material are arranged alternately.
Für das Substrat werden Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet, insbesondere Metalle wie Kupfer, Edelstahl, Aluminium bzw. Nickel.Materials with a high thermal conductivity are used for the substrate, in particular metals such as copper, stainless steel, aluminum or nickel.
Zwischen dem wärmeleitenden Substrat und dem spektralselektivem Schichtsystem kann eine Schicht 2 mit einem niedrigen Emissionsvermögen angeordnet sein. Als Material für die Schicht 2 können Zinn, Nickel, Molybdän, Gold, Platinmetalle oder niedrig emittierende Verbindungen wie Nitride, insbesondere Nitride der Nebengruppenelemente wie Titannitrid oder Zirkonnitrid Verwendung finden. Die Schichtdicke der Schicht 2 beträgt zwischen 10 nm und einigen μm.A layer 2 with a low emissivity can be arranged between the heat-conducting substrate and the spectrally selective layer system. Tin, nickel, molybdenum, gold, platinum metals or low-emitting compounds such as nitrides, in particular nitrides, can be used as the material for layer 2 Sub-group elements such as titanium nitride or zirconium nitride are used. The layer thickness of layer 2 is between 10 nm and a few μm.
Auf der Lichteinfallsseite des spektralselektiven Schichtsystems kann weiterhin eine Entspiegelungsschicht 5 mit niedrigem Brechungsindex angeordnet sein. Diese Entspiegelungsschicht 5 dient zur Erniedrigung der Reflexion im sichtbaren Bereich des Lichtes.An anti-reflective layer 5 with a low refractive index can also be arranged on the light incidence side of the spectrally selective layer system. This anti-reflective layer 5 serves to lower the reflection in the visible region of the light.
Die Konzentration des absorbierenden Materiales in den absorbierenden Schichten 4 nimmt von der Lichteinfallsseite zum Substrat hin nach einer bestimmten Funktion zu.The concentration of the absorbent material in the absorbent layers 4 increases from the light incidence side towards the substrate according to a certain function.
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines spektralselektiven Schichtsystems, dessen Schichten 6 dielektrische und absorbierende Materialien enthalten, die durch Sputtem auf das Substrat 1 aufbringbar sind. Die Schichten 6a, 6b, 6c, 6d enthalten ein Materialgemisch aus absorbierenden und dielektrischen Materialanteilen, wobei die Stöchiometrie sich von Schicht zu Schicht so ändert, daß der absorbierende Materialanteil des Materialgemisches zum Substrat 1 hin zunimmt.2 shows the structure of a spectrally selective layer system, the layers 6 of which contain dielectric and absorbing materials which can be applied to the substrate 1 by sputtering. The layers 6a, 6b, 6c, 6d contain a material mixture of absorbent and dielectric material portions, the stoichiometry changing from layer to layer such that the absorbent material portion of the material mixture increases towards the substrate 1.
Ein Beispiel für ein solches System ist das System CrOx. Die Schicht 6a besteht dabei z. B. aus CrOxι, die Schicht 6b aus CrOχ2, die Schicht 6c aus CrOx3 und die SchichtAn example of such a system is the CrO x system . The layer 6a consists z. B. from CrO x ι, the layer 6b from CrOχ2, the layer 6c from CrO x 3 and the layer
6d aus CrOx4- Es gilt 0 < xl < x2 < x3 < x4 <. 1,5, so daß sich die6d from CrO x 4- The following applies: 0 <xl <x2 <x3 <x4 <. 1.5, so that the
Stöchiometrie von Schicht zu Schicht so ändert, daß der absorbierende Materialanteil des Materialgemisches CrOx zum Substrat hin zunimmt.Stoichiometry changes from layer to layer in such a way that the absorbent material portion of the material mixture CrO x increases towards the substrate.
Als Materialien eignen sich anstelle von Cr alle Nebengruppenelemente und deren Legierungen, inbesondere Ni/Cr-Legierungen.Instead of Cr, all subgroup elements and their alloys, in particular Ni / Cr alloys, are suitable as materials.
Weiterhin kann zusätzlich absorbierendes Material in die Schichten eingebaut sein. Als Material dafür eignen sich ebenfalls alle Nebengruppenelemente und deren Legierungen, insbesondere Ni/Cr-Legierungen, aber auch elementarer Kohlenstoff oder Molybdän. Auch die Konzentration dieses zusätzlichen absorbierenden Materiales kann zum Substrat hin zunehmen.Furthermore, absorbent material can also be built into the layers. All subgroup elements and their alloys, in particular Ni / Cr alloys, but also elemental carbon or molybdenum, are also suitable as materials for this. The concentration of this additional absorbent material can also increase towards the substrate.
Bei dieser zweiten Variante des Schichtaufbaus kann ebenfalls zur Erniedrigung der Reflexion im sichtbaren Bereich der Sonnenstrahlung eine Entspiegelungsschicht 5 mit einem niedrigen Brechungsindex auf die Lichteinfallsseite aufgebracht werden. Weiterhin kann auch hier zwischen dem Substrat 1 und dem spektralselektivem Schichtsystem eine Schicht mit niedrigem Emissionsvermögen angeordnet sein. Bei der Herstellung von spektralselektiven Schichtsystemen auf einem wärmeleitenden Substrat sind die weiter oben beschriebenen gewünschten Eigenschaften dann zu erreichen, wenn die Schichten nacheinander durch Sputtem auf das wärmeleitende Substrat aufgebracht werden. Dabei wird insbesondere das DC-Magnetron- Sputterverfahren bevorzugt. Zur Herstellung von Schichten, die ein Materialgemisch aus absorbierenden und dielektrischen Materialanteilen enthalten, wobei sich die Stöchiometrie von Schicht zu Schicht so ändert, daß der absorbierende Materialanteil des Materialgemisches zum Substrat hin zunimmt, kann entweder der Reaktivgasgehalt im Sputtergas, oder die Sputter-Leistung zeitmoduliert geändert werden. Fig. 3 verdeutlicht diese Verfahren. Das gezeigte Diagramm zeigt die Sputterspannung in Abhängigkeit vom Reaktivgasfluß, wobei die beiden Kurven Pl und P2 zwei verschiedene Sputter-Leistungen zeigen. Zur Erzeugung eines Mischzustandes wird jeweils ein kurzzeitiger Übergang zwischen verschiedenen Arbeitspunkten AI , A2 und A3 durchgeführt. Die Pfeile zwischen den Arbeitspunkten AI und A3 kennzeichnen die Veränderung der Sputterleistung, während der der Reaktivgasfluß konstant bleibt.In this second variant of the layer structure, an anti-reflective layer 5 with a low refractive index can also be applied to the light incidence side in order to reduce the reflection in the visible region of the solar radiation. Furthermore, a layer with a low emissivity can also be arranged here between the substrate 1 and the spectrally selective layer system. In the production of spectrally selective layer systems on a heat-conducting substrate, the desired properties described above can be achieved if the layers are applied to the heat-conducting substrate in succession by sputtering. The DC magnetron sputtering method is particularly preferred. For the production of layers which contain a material mixture of absorbent and dielectric material portions, the stoichiometry changing from layer to layer such that the absorbent material portion of the material mixture increases towards the substrate, either the reactive gas content in the sputtering gas or the sputtering power can be time-modulated be changed. 3 illustrates these methods. The diagram shown shows the sputtering voltage as a function of the reactive gas flow, the two curves P1 and P2 showing two different sputtering powers. To generate a mixed state, a brief transition is carried out between different working points AI, A2 and A3. The arrows between the working points AI and A3 indicate the change in the sputtering performance during which the reactive gas flow remains constant.
Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die zeitmodulierte Änderung der Sputter-Leistung. Dabei wird der eine Arbeits- bzw. Betriebspunkt während einer Zeitspanne tl und der andere Arbeits- bzw. Betriebspunkt während einer Zeitspanne t2 gehalten, so daß die zeitmodulierte Änderung der Sputterleistung einer Stufenfunktion gleicht.4 shows a diagram of the time-modulated change in the sputtering power. The one working or operating point is held during a time period t1 and the other working or operating point is held for a time period t2, so that the time-modulated change in the sputtering power is equivalent to a step function.
Der in Fig. 3 durch Pfeile verdeutlichte Übergang zwischen den Arbeitspunkten AI und A2 kennzeichnet die Änderung des Reaktivgasflusses bei konstanter Sputterleistung. Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit der zeitmodulierten Änderung des Reaktivgasgehaltes. Der eine Betriebspunkt wird wiederum während einer Zeit tl und der andere während einer Zeit t2 gehalten, so daß sich die zeitmodulierte Änderung des Reaktivgasgehaltes ebenfalls wie eine Stufenfunktion darstellt.The transition between the operating points AI and A2, which is illustrated by arrows in FIG. 3, characterizes the change in the reactive gas flow with constant sputtering power. 5 shows a diagram with the time-modulated change in the reactive gas content. One operating point is in turn held for a time t1 and the other for a time t2, so that the time-modulated change in the reactive gas content also presents itself as a step function.
Bei beiden Verfahren können die Wechselfrequenzen zwischen den jeweiligen Arbeits¬ bzw. Betriebspunkten zwischen 10"! und 10^ Hz liegen. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die Frequenzen zwischen 1 - 10 Hz liegen. Der Funktionstyp der zeitmodulierten Änderung ist nicht auf eine Stufenfunktion festgelegt, sondern kann auch eine andere für den speziellen Anwendungsfall optimierte Form haben. Es ist insbesondere vorstellbar, die beiden oben beschriebenen Verfahren der zeitmodulierten Änderung, der Sputter-Leistung und der zeitmodulierten Änderung des Reaktivgasgehaltes zu kombinieren. In both methods, the alternating frequencies between the respective working or operating points can be between 10 "! And 10 ^ Hz. It has proven to be particularly favorable if the frequencies are between 1 - 10 Hz. The function type of the time-modulated change is not dependent on It is conceivable, in particular, to combine the two methods described above of the time-modulated change, the sputtering power and the time-modulated change of the reactive gas content.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung zum Erwärmen eines Transportmediums mittels Sonnenstrahlung, mit einem spektralselektiven Schichtsystem, dessen Schichten auf einem wärmeleitenden Substrat, das mit dem zu erwärmenden Transportmedium in wärmeleitendem Kontakt steht, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) dielektrische und absorbierende Materialien enthalten, die durch Sputtem auf das Substrat (1) aufbringbar sind.1. Device for heating a transport medium by means of solar radiation, with a spectrally selective layer system, the layers of which are arranged on a heat-conducting substrate which is in heat-conducting contact with the transport medium to be heated, characterized in that the layers (3, 4, 6a, 6b , 6c, 6d) contain dielectric and absorbent materials which can be applied to the substrate (1) by sputtering.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (3) ein dielektrisches Material und mindestens eine weitere2. Device according to claim 1, characterized in that at least one layer (3) is a dielectric material and at least one further
Schicht (4) ein absorbierendes Material enthält, wobei je eine absorbierendes und eine dielektrisches Material enthaltende Schicht abwechselnd angeordnet sind.Layer (4) contains an absorbent material, wherein an absorbent and a dielectric material-containing layer are alternately arranged.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (6a, 6b, 6c, 6d,) ein Materialgemisch aus absorbierenden und dielektrischen Materialanteilen enthalten, wobei die Stöchiometrie sich von Schicht zu Schicht so ändert, daß der absorbierende Materialanteil des Materialgemisches zum Substrat (1) hin zunimmt.3. Device according to claim 1, characterized in that the layers (6a, 6b, 6c, 6d,) contain a material mixture of absorbent and dielectric material components, the stoichiometry changing from layer to layer such that the absorbent material component of the material mixture Substrate (1) increases.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches absorbierendes Material in die Schichten (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) eingebaut ist.4. The device according to claim 3, characterized in that an additional absorbent material in the layers (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) is installed.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des absorbierenden Materiales zum Substrat (1) hin zunimmt. 5. The device according to claim 2 or 4, characterized in that the concentration of the absorbent material to the substrate (1) increases.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem wärmeleitenden Substrat (1) und dem spektralselektiven Schichtsystem eine Schicht (2) mit niedrigem Emissionsvermögen angeordnet ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the heat-conducting substrate (1) and the spectrally selective layer system, a layer (2) with a low emissivity is arranged.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Lichteinfallsseite des spektralselektiven Schichtsystems eine Entspiegelungsschicht (5) mit niedrigem Brechungsindex angeordnet ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an anti-reflective layer (5) with a low refractive index is arranged on the light incidence side of the spectrally selective layer system.
8. Verfahren zum Herstellen eines spektralselektiven Schichtsystems auf einem wärmeleitenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) des spektralselektiven Schichtsystems nacheinander durch Sputtem auf das wärmeleitende Substrat (1) aufgebracht werden.8. A method for producing a spectrally selective layer system on a thermally conductive substrate, characterized in that the layers (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) of the spectrally selective layer system are applied one after the other by sputtering onto the thermally conductive substrate (1).
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) ein Materialgemisch aus absorbierenden und dielektrischen Materialanteilen enthalten, wobei die Stöchiometrie des Materialgemisches von Schicht zu Schicht durch eine zeitmodulierte Änderung des Reaktivgasgehaltes im Sputtergas schrittweise oder kontinuierlich verändert wird.9. The method according to claim 8, characterized in that the layers (3, 4, 6a, 6b, 6c, 6d) contain a material mixture of absorbent and dielectric material components, the stoichiometry of the material mixture from layer to layer by a time-modulated change in the reactive gas content is gradually or continuously changed in the sputter gas.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (6a, 6b, 6c, 6d) ein Materialgemisch aus absorbierenden und dielektrischen Materialanteilen enthalten, wobei die Stöchiometrie des10. The method according to claim 8, characterized in that the layers (6a, 6b, 6c, 6d) contain a material mixture of absorbent and dielectric material portions, the stoichiometry of
Materialgemisches von Schicht zu Schicht durch eine zeitmodulierte Änderung derMaterial mixture from layer to layer by a time-modulated change in the
Sputter-Leistung schrittweise oder kontinuierlich verändert wird.Sputter performance is changed gradually or continuously.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitmodulierte Änderung zwischen zwei Betriebspunkten erfolgt, wobei der eine Betriebspunkt während einer Zeit tl , und der andere Betriebspunkt während einer Zeit t2 gehalten wird.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the time-modulated change takes place between two operating points, the one operating point being held for a time t1 and the other operating point being held for a time t2.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselfrequenz zwischen den beiden Betriebspunkten 1-10 Hz beträgt. 12. The method according to claim 11, characterized in that the alternating frequency between the two operating points is 1-10 Hz.
PCT/EP1995/003764 1994-09-22 1995-09-22 Spectrally selective collector coating and process for its production WO1996009502A1 (en)

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