DE2734544A1

DE2734544A1 - Strahlungsenergie-wandler

Info

Publication number: DE2734544A1
Application number: DE19772734544
Authority: DE
Inventors: Jerome John Cuomo; Thomas Herman Distefano; Jerry Mac Pherson Woodall
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-09-16
Filing date: 1977-07-30
Publication date: 1978-03-23
Also published as: CH620287A5; FI67267C; DE2734544C2; NL7710100A; SE431909B; FI67267B; NO773128L; MX143717A; IL52540A0; NO147431C; OA05764A; PL200836A1; NO147431B; ES462375A1; IL52540A; GB1532338A; IT1114123B; FR2365135B1; FR2365135A1; BE857699A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504 ^! kd/se

Strahlungsenergie-Wandler

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsenergie-Wandler zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärmeenergie.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme hängt ab vom Verhältnis des Anteils der absorbierten Strahlungsenergie zum Anteil von Wärme, der wieder ausgestrahlt oder reflektiert wird. Metalle, die gute Wärmeeijgenschaften aufweisen, absorbieren bei praktisch allen Wellenlängen. Gleichzeitig wird ein großer Teil der eingestrahlten Energie reflektiert. Im allgemeinen haben stark reflektierende Flächen sowohl ein geringes Absorptionsais auch ein geringes Emissionsvermögen. Da Absorption und Emission in gegenseitiger Beziehung stehen, wurden bisher mehrschichtige Vorrichtungen entwickelt, in denen eine Schicht eine gewünschte Eigenschaft und eine andere Schicht eine andere gewünschte Eigenschaft aufweist. Ein Beispiel dafür ist in der US-Patentschrift 3 920 413 beschrieben. Die Qualität solcher Vorrichtungen ist dadurch begrenzt, daß die Wirksamkeit einer Schicht die optimale Wirksamkeit der anderen Schicht beeinträchtigen kann. Außerdem ist die Herstellung mehrschichtiger Vorrichtungen häufig kompliziert und aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Oberflächenbereichs auf einem Absorptionsmedium, der so beschaffen ist, daß die Reflexion von der Oberfläche des Absorptionsmediums geschwächt wird und dessen Kriterien so gewählt sind, daß durch das Zusammenwirken mit der Oberflächenbeschaffenheit des Strahlung absorbierenden Mediums der tatsächliche Reflexionseffekt stark herabgesetzt wird.

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; _3_ 273Λ54Α

loie Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Strahlungsjenergie-Wandler, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche des Absorptionsmediums so beschaffen ist, daß jMehrfachreflexionen des einfallenden Lichts stattfinden und jdaß der Brechungsindex der auf dem Absorptionsmedium angeordneten Schicht so auf den Extinktionskoeffizienten des Absorptionsmediums abgestimmt und die Dicke der Schicht so gewählt ist, daß die Reflexion der umzuwandelnden Strahlung eines beistimmten Wellenlängenbereichs auf einem Minimum gehalten wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf ,einer Wolframoberfläche mit einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit eine Schicht anodisch oxydierten Wolframoxids !angeordnet.

jln der deutschen Patentschrift 2 539 101 ist ein Strahlungsjenergie-Wandler zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärmelenergie beschrieben, bei dem auf einem Substrat als Breitbandabsorber für Photonen eine dentritische Anordnung eines Absorptionsmaterials aufgewachsen ist, dessen Dimensionen und und Abstände so gewählt sind, daß Licht im sichtbaren Spektralbereich absorbiert wird. Das Material, das in dieser Patentschrift beschrieben ist, weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Wenn eine Schicht zur Reflexionskontrolle auf dem in der Patentschrift beschriebenen Material angeordnet wird, wird ein noch mehr verbesserter Strahlungsenergie-Wandler erhalten, der 99,94 % des einfallenden Lichts einer bestimmten Wellenlänge absorbieren kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema der optischen Wirkungsweise der Erfindung;

YÖ

iöeemöeTi

Fig. 2 in graphischer Darstellung die Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge für drei verschiedene Oberflächen gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Reflexion von der Wellenlänge, aus der der Einfluß der Erfindung auf die Reflexion für verschiedene Einfallswinkel des Lichts ersichtlich ist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Dicke d einer Oberflächenschicht von Wolframoxid auf Wolfram gegen die Wellenlänge bei maximaler Absorption.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme kann ausgedrückt werden als:

„. .„„ „ . _ absorbierte Energie - rückgestrahlte Energie Wirkungsgrad - eingestrahlte Energie

(Gleichung 1)

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht den Einfluß der Erfindung auf die Absorption und Reflexion des Lichts. Ein Oberflächenbereich 1 zur Strahlungskontrolle aus für die bestimmte Wellenlänge optisch transparentem Material hat eine Oberfläche 2, die parallel verläuft zur Oberfläche 3 des Photonen absorbierenden Materials 9 und eine Dicke 4, die mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts in Beziehung steht. Die optischen und physikalischen Eigenschaften der die Reflexion kontrollierenden Schicht weisen Beziehungen zueinander auf, die nachfolgend erklärt werden.

Unter Reflexion soll in der vorliegenden Beschreibung die Energie verstanden werden, die eingestrahlt und zurückgeworfen wird, ohne in das Substrat eingedrungen zu sein. Im Gegensatz dazu steht die abgestrahlte Energie, die absorbiert

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wurde, zur Erwärmung des Materials beigetragen hat und dann in Form von Energie durch das Material wieder abgestrahlt wird.

Das in Fig. 1 auf die Oberfläche 2 einfallende Licht hat : eine erste Reflexionskomponente 5 und eine Reihe abnehmender ' nachfolgender Komponenten 6, 7 und 8. Weitere Komponenten sind nicht dargestellt. Das an der Oberfläche 3 reflektierte Licht wird verstärkt und geschwächt durch Interferenz mit dem Licht, das von der Oberfläche 2 aus einer früheren Reflexion wieder nach unten fällt.

Im folgenden wird angenommen, daß die die Reflexion kontrol- ; lierende Schicht 1 aus dem Oxid des darunterliegenden metallischen Absorptionsmediums besteht. Der Fachmann erkennt jedoch ohne weiteres, daß eine reiche Auswahl anderer Materialien für die Ausführung der Erfindung in Frage kommt.

Der anfängliche Reflexionskoeffizient (Strahl 5) in Fig. 1 bestimmt sich wie folgt: |

1 - N

(Strahl 5) = (R₁)¹'² ■ (Gleichung 2) ;

wobei R₁ die Reflektivität Luft-Oxid und N_Q der Brechungsindex des Oxids bedeuten. I

Der zweite Reflexionskoeffizient ist:

(Strahl 6) - (R,)^1/2 - (Gleichung 3) ^!

^z m ^{+ N}o ⁺ * ^Km

wobei R, die Reflektivität Oxid-Metall, N der Brechungsindex des Metal
deuten, 1

des Metalls und K_m der Extinktionskoeffizient des Oxids be-

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273A5AA

Die Reflexionskoeffizienten der Komponenten 5, 6, 7 und 8 sind somit:

(Strahl 5) (Strahl 6) (Strahl 7) (Strahl 8)

= r.

r₂ ²r., r₂ ³r.,²

pie Reflektivität der die Reflexion kontrollierenden Schicht 1 ergibt sich, wie nachfolgend in Gleichung 4 angegeben:

¹S¹OTAL

^r1 ^{+ r}2

¹"^r1^r2

(Gleichung 4)

wobei d die Dicke

Und λ die Wellenlänge des Lichts ist.

Die Zeichen

Es ist also

bedeuten Absolutwerte.

. I=E 2 1-r^

Das ist näherungsweise

_< gewünschte Reflekti- ** vität bei λ Min.

(Gleichung 5)

_< gewünschte Reflekti- ~ vitat bei λ Min.

(Gleichung 6)

Bei Anwendungen zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme sollte die gewünschte Reflektivität bei minimaler Wellenlänge (λ Min.) weniger als 0,05 betragen.

5s ist also erstrebenswert, Rrn_OTAL ^so '^ζ-'·^β^^{η wie} möglich und

Reflektivität der Oberfläche 2 möglichst gleich der Reflek- :ivität der Oberfläche 3 zu halten.

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1	-N₀	^Nm	-N₀-	i	^Km
1	^{+ N}o	^Nm		i	^Km

Die Kriterien einer die Reflexion kontrollierenden Schicht

1 bei einer bestimmten Wellenlänge können durch die Gleichung

angegeben werden:

gewünschte Reflektivität bei * λ Min.

(Gleichung 7)

Aus Gleichung 7 ist im wesentlichen ersichtlich, daß die Kriterien der die Reflexion kontrollierenden Schicht so zu wählen sind, daß der Effekt der Reflexlonskomponenten an Oberfläche 3 gleich dem der ursprünglichen Reflexion des einfallenden Lichts an der Oberfläche 2 ist. Die Dicke d (4 in Fig. 1) wirkt sich auf zwei Arten auf. Einmal ist sie ein Faktor in Gleichung 4 zur Bestimmung der gewünschten Reflektivität der minimalen Wellenlänge und zudem erlaubt sie, wie noch zu beschreiben ist, dieses Minimum zu verschieben.

Es ist erstrebenswert, daß alle Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich absorbiert, unerwünschte Wellenlängen reflektiert und die reflektierte Energie im gewünschten ,Wellenlängenbereich auf einem Minimum gehalten wird. Dies geschieht mittels einer auf die Wellenlänge abgestimmten, die Reflexion kontrollierenden Schicht auf der Oberfläche eines Photonen absorbierenden Materials, die so beschaffen ist, daß die Luft-Bereich-1-Reflektivität, die Dicke und Beschaffenheit, der Brechungsindex von Bereich 1 und der Index und der Extinktionskoeffizient des Photonen absorbierenden Materialb !zusammenwirken, um die Menge des Lichts, das von dem Photonen absorbierenden Material reflektiert wird, auf einem Minimum zu halten.

JAIs Oberflächenbeschaffenheit wird vorzugsweise eine rauhe, 'texturierte Struktur gewählt, wodurch senkrecht auffallendes

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Licht mehr als einmal reflektiert wird, bevor es die Oberfläche verlassen kann. Die rauhe oder texturierte Oberfläche erlaubt zusammen mit der die Reflexion kontrollierenden Schicht ein größeres Absorptionsvermögen, das einen breiteren Wellenbereich umfaßt als eine einfache Antireflexschicht auf einer glatten Metallfläche. Wenn eine Antireflexschicht auf glattem Metall eine Reflexion Rm₀TAL ^aufweist' die von !der Wellenlänge abhängt, weist dieselbe Schicht auf einer rauhen oder texturierten Oberfläche, in welcher das Licht zweimal reflektiert wird, bevor es zurückgeworfen wird, eine Reflexion K^^AL * ^auf' ^die geringer ist als

!Die die Reflexion kontrollierende Schicht ist zu unterschei jden von Passivierungsschichten, die hauptsächlich zum chemischen Schutz des darunterliegenden Körpers erzeugt werden und bei denen die Wahl des Materials unter diesem Gesichtspunkt erfolgt.

Es ist bekannt, Metalle aus der Dampfphase so niederzuschlagen, daß die Oberfläche aus dicht aneinanderliegenden mikroskopischen Hügelchen, nachfolgend als MikrohügeIflache bezeichnet, besteht. Es ist ebenfalls bekannt und in der zweiten, eingangs genannten deutschen Patentschrift 2 539 101 beschrieben, Metalle als dendritische Oberfläche aus der Dampfphase niederzuschlagen. Die Schicht der Mikrohügel-Elache ist wesentlich dünner als die Dendritenschicht und ι iaher billiger herzustellen. Die Mikrohügelflache, wie auch lie Dendritenfläche weisen im Vergleich mit einer glatten lletallflache für eine bestimmte Wellenlänge, die nach den suvor genannten Kriterien wählbar ist, eine wesentlich geringere Reflektivität auf, wenn sie mit der erfindungsgenäßen, die Reflexion kontrollierenden Schicht bedeckt sind. Das ist dargestellt in Fig. 2, wo die totale Reflexion für senkrecht einfallendes Licht als Funktion der Wellenlänge in im aufgetragen ist. Die gestrichelte Kurve bezieht sich auf

* ⁹^⁰" ·09812Τββϊϊ

eine glatte Fläche aus Wolfram, die strichpunktierte Kurve auf eine Mikrohügelflache und die ausgezogene Kurve auf eine Dendritenoberfläche. Es 1st ersichtlich, daß die die Strahlung kontrollierende Schicht gemäß der Erfindung ein Absorptions- '■■ maximum bei einer Wellenlänge von 0,62 um aufweist. Bekanntlich liegt diese Wellenlänge nahe bei oder in dem Maximum der Sonnenemission. Gemäß der logarithmischen Skala der Fig. 2 absorbiert die mit der die Reflexion kontrollierenden Schicht belegte Dendritenoberfläche 99,94 % des einfallenden Lichts bei 0,55 um.

Fig. 3 zeigt die Wirksamkeit der Schicht beim Lichteinfall aus verschiedenen Richtungen auf eine Dendritenoberfläche mit einer solchen Schicht. Dargestellt ist die totale Reflexion al Funktion der Wellenlänge des Lichts für Einfallswinkel von i 0°, 20°, 40°, 60° und 80°. Die maximale Absorption erfolgt , in jedem Fall bei etwa derselben Wellenlänge.

Gemäß Fig. 1 wird auf eine Photonen absorbierende Oberfläche, ' angepaßt an die Oberflächenkonfiguration derselben, eine Schicht 1 aufgetragen, wobei folgende Parameter zu berück-

sichtigen sind:

Die Reflexionskoeffizient an der Oberfläche 2 der Schicht 1 ' soll möglichst gleich dem Reflexionskoeffizienten der Grenzfläche 3 zwischen dem Photonen absorbierenden Material und der Schicht 1 sein. Diese Reflexionskoeffizienten stehen in

,Beziehung zum Brechungsindex des Materials der Schicht 1, zum Brechungsindex und zum Extinktionskoeffizienten des Photonen absorbierenden Materials. Diese Parameter sind bekannt und können für die verschiedenen Materialien der Literatur entnommen werden. In Tabelle 1 ist ein Satz spezifischer Werte

^! für Gleichungen 2 bis 7 für das Material Wolframtrioxid (WO₃) \ als Strahlung kontrollierende Schicht 1 auf einer dendritische^ ι Wolframoberfläche angegeben.

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TABELLE 1

W WO₃ W - WO₃

η 3,43 2,26

k 2,96 0,0

0,386

r₂l 0,496

0,012

Zur Herstellung der Strahlung kontrollierenden Schicht sind besonders Prozesse geeignet, bei denen chemische Verbindungen des Photonen absorbierenden Materials entstehen. Dazu wird dieses Material selbst als eine Komponente benutzt, um eine der Oberfläche angepaßte Schicht zu bilden, deren gewünschte Schichtdicke leicht kontrollierbar ist. In Frage kommen vor allem Oxide, Nitride und Carbide. Oxid wird vorzugsweise durch Anodisierung gebildet, wobei das Photonen absorbierende Material oxydiert wird. Dabei wird häufig ein Oxid gebildet, das den Stromfluß begrenzt, so daß die Dicke der Schicht in exaktem Zusammenhang mit der angelegten Spannung steht. jMetalle wie Wolfram, Molybdän, Hafnium, Vanadium, Tantal jund Niob bilden vorteilhafte Oxide gemäß der Erfindung. Tabelle 2 gibt die Dicke 4 von Fig. 1 einer durch Anodisierung gebildeten Oxidschicht in Abhängigkeit von der Anodislerungsspannung für das Material Wolframtrioxid auf Wolfram.

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TABELLE

Spannung (V)

Dicke (pm)

0,035 0,045 0,055 0,065 0,075

Um die außergewöhnlichen Ergebnisse gemäß der Erfindung zu zeigen, werden Versuchsergebnisse eines bestimmten Ausführungsbeispiels angegeben. Es wurde eine Mikrohügelflache aus Wolfram in einem Phosphorsäurebad bei einer Spannung von 30 Volt anodisiert. Der Wolframtrioxidbereich bringt die anodische Reaktion bei einer spezifischen Dicke, die durch die angelegte Spannung gegeben ist, zum Stillstand. Das Verhältnis von "Absorptionsvermögen" zu einfallender Strahlung "über" "hemisphärischem Emissionsvermögen", in anderen Worten, α/ε für diese Oberfläche bei 150°C beträgt 3,9. Tabelle 3 gibt den nach Gleichung 1 berechneten Wirkungsgrad einer solchen Oberfläche im Vergleich mit einem Schwarzkörper als Standard für verschiedene Temperaturen an.

TABELLE

Temperatur	Wirkungsgrad	32 %	Rücke tr ahluner (W'otT²)	Schwarzkörper
	Wolfram Schwarzkörper	12 %	Wolfram	0,063
50 ⁰C	80 %	0	0,015	0,083
75 ⁰C	75 %	0	0,020	0,1125
100 ⁰C	68 %	0	0,027	> 0,1
150 ⁰C	51 %		0,044	> 0,1
200 ⁰C	26 %	0,69
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Wie ersichtlich, ist der Wirkungsgrad größer 50 % bei Temperaturen bis zu 150 ⁰C.

<Ein wesentlicher Vorteil ist, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ein neues Photonen absorbierendes Material bereitgestellt wird, indem die Vorteile von Antireflexüberzügen Substraten mit Photonen absorbierenden Eigenschaften, die von Oberflächenunregelmäßigkeiten herrühren, verliehen werden !können.

Bei den meisten Sonnenergie-Wandlern ist eine Absorption von ^mehr als 90 % des Sonnenspektrums erwünscht. Weder glattes

joder rauhes Metall, noch einfache Antireflexschichten darauf |sind dazu geeignet. Mit rauhen oder texturierten Metallobertflächen, beispielsweise aus Wolfram, in Verbindung mit einer !die Reflexion kontrollierenden Schicht kann niedrigere Reflektivität über einen breiten Spektralbereich erhalten jwerden. Es wurde gefunden, daß texturierte oder gerauhte Metalloberflächen, an denen senkrecht einfallendes Licht JMehrfachreflexionen von der Oberfläche der die Reflexion !kontrollierenden Schicht erfährt, das gewünschte Absorptionsvermögen aufweisen. Antireflexbeläge dagegen auf glattem Metall weisen ein Absorptionsvermögen, das nur einen schmalen Bereich des Sonnenspektrums umfaßt, auf.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.1 Strahlungsenergie-Wandler zum Umwandeln von Strahlungsenergie in Wärmeenergie mit einem Absorptionsmedium und einer darauf angeordneten Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Absorptionsmediums so beschaffen ist, daß Mehrfachreflexionen des einfallenden Lichts stattfinden und daß der Brechungsindex der auf dem Absorptionsmedium angeordneten Schicht so auf den Extinktionskoeffizienten des Absorptionsmediums abgestimmt und die Dicke der Schicht so gewählt ist, daß die Reflexion der umzuwandelnden Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs auf einem Minimum gehalten wird.

2. Strahlungsenergie-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmedium aus Metall und die darauf angeordnete Schicht aus einem Oxid, Nitrid oder Carbid desselben besteht.

3. Strahlungsenergie-Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmedium aus Wolfram und die darauf angeordnete Schicht aus Wolframtrioxid besteht.

4. Strahlungsenergie-Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Absorptionsmediums eine Mikrohügelstruktur oder eine Dendritenstruktur aufweist.

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