DE102012107398A1 - Solar absorber comprises carrier substrate and solar absorber layer system that is arranged on side of substrate and comprises absorber layer and cover layer, where absorber layer includes sub-layers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarabsorber-Schichtsystemen, welche auf Chromoxid basieren und mittels Magnetronsputtern abgeschieden werden. The invention relates to a method for producing solar absorber layer systems which are based on chromium oxide and are deposited by means of magnetron sputtering.
Solarabsorber bestehen regelmäßig aus einem Verbundmaterial, welches auf einem, meist metallischem, Trägermaterial zumindest eine solarabsorbierende Schicht, auch als Absorberschicht bezeichnet, und darüber eine oder mehr entspiegelnde Schichten aufweisen. Weitere ergänzende Schichten zwischen Substrat und Absorberschicht z.B. zur Haftungsverbesserung und/oder IR-Reflexionserhöhung oder zum mechanischen und chemischen Schutz des Schichtsystems sind möglich. Solar absorbers regularly consist of a composite material, which on a, usually metallic, carrier material at least one solar absorbing layer, also referred to as absorber layer, and have one or more non-reflective layers. Further complementary layers between substrate and absorber layer e.g. to improve the adhesion and / or IR reflection increase or for the mechanical and chemical protection of the layer system are possible.
Ziel der Absorber-Schichtsysteme ist es, die einfallende Solarstrahlung, die im Wesentlichen Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahem Infrarots (0,3µm–2,5µm) umfasst, selektiv zu absorbieren, um Wärme maximal aufzunehmen und an ein Übertragungsmittel, das thermisch mit dem Absorber verbunden ist, zur Ableitung abzugeben und gleichzeitig möglichst wenig Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich > 2,5µm als Eigenabstrahlung zu emittieren. Wegen der Äquivalenz von Absorptions- und Emissionsgrad und der für intransparente Materialien gültigen Aussage, dass sich für die Summe von Absorptions- und Reflexionsgrad stets der Wert 1 ergibt, soll das Schichtsystem die solare Strahlung im hohen Maß absorbieren und so gering wie möglich reflektieren und im Bereich der Infrarotstrahlung (> 2,5µm) ein dazu entgegengesetztes Absorptions- und Reflexionsverhalten zeigen. The aim of the absorber layer systems is to selectively absorb the incident solar radiation, which essentially comprises visible and near infrared wavelengths (0.3 μm-2.5 μm), in order to absorb heat to a maximum and to a transmission means thermally connected to the absorber, to discharge and at the same time emit as little infrared radiation in the wavelength range> 2.5μm as self-emission. Because of the equivalence of absorption and emissivity and the statement valid for non-transparent materials that the sum of the absorption and reflectance always equals 1, the coating system should absorb the solar radiation to a high degree and reflect it as low as possible Range of infrared radiation (> 2.5 microns) show a opposite absorption and reflection behavior.
Einige der bekannten Solarabsorber-Schichtsysteme verwenden als Absorber Chromoxid enthaltende Materialien, wobei der Absorber auch aus mehreren Teilschichten bestehen kann, die neben Sauerstoffverbindungen des Chroms auch Stickstoff- und/oder Kohlenstoffverbindungen davon aufweisen können. Um die erzielbare Absorption zu erhöhen und dies auch für möglichst lange Zeiträumen aufrechtzuerhalten werden immer komplexere Systeme entwickelt. Some of the known solar absorber coating systems use chromium oxide-containing materials as absorbers, it also being possible for the absorber to consist of several partial layers which, in addition to oxygen compounds of chromium, may also have nitrogen and / or carbon compounds thereof. In order to increase the achievable absorption and to maintain this for as long periods as possible, more and more complex systems are being developed.
Beispielsweise wird in der
Als herkömmliches Verfahren zum Abscheiden von CrOx wird reaktives Magnetronsputtern verwendet. Dabei wird ein Ar-Sauerstoff-Gemisch als Prozessgas verwendet. As a conventional method of depositing CrO x , reactive magnetron sputtering is used. In this case, an Ar-oxygen mixture is used as the process gas.
Weiterhin ist die Herstellung von Chromoxinitrid-Schichten, z.B. für Antimigrations-Schichten in transparenten Solar-Control-Schichtsystemen, mittels Magnetronsputtern bekannt durch Verwendung einer Mischung von Ar, O2, N2 und NO2 als Prozessgas des reaktiven Sputterprozesses. Furthermore, the production of chromium oxynitride layers, eg for antimigration layers in transparent solar control layer systems, by means of magnetron sputtering is known by using a mixture of Ar, O 2 , N 2 and NO 2 as the process gas of the reactive sputtering process.
Das bekannte Verfahren verwendet zum Erzeugen der Arbeitsgasmischung durch Massenflussregler konstant gehaltene Teilflüsse der Prozessgasbestandteile Ar, O2, N2, NO2 oder auch vorgefertigte Mischungen. Es hat jedoch den Nachteil, dass bestimmte CrOxNy-Stöchiometrien, d.h. bestimmte Werte für x und y, der durch Sputtern abgeschiedenen Schichten nicht erreicht werden können, da durch wechselnde Belegung des Sputter-Targets mit Oxidschichten eine Reduktion der Sputterausbeute und nachfolgend eine Abnahme des Sauerstoffverbrauchs und damit eine Verschiebung des Arbeitspunktes des reaktiv geführten Verfahrens zu einer Betriebsweise mit oxidischer Belegung des Sputter-Targets erfolgt. Letzteres ist durch eine geringe Sputterrate und sauerstoffreiche Stöchiometrie der abgeschiedenen Schicht geprägt, der Fachmann nennt dies einen oxidischen Prozess. The known method uses for generating the working gas mixture by mass flow controller held constant partial flows of the process gas components Ar, O 2 , N 2 , NO 2 or pre-made mixtures. However, it has the disadvantage that certain CrO x N y stoichiometries, ie specific values for x and y, of the layers deposited by sputtering can not be achieved because a change in the sputtering target with oxide layers results in a reduction of the sputtering yield and subsequently in a Decrease of the oxygen consumption and thus a shift of the operating point of the reactively guided process to a mode of operation with oxide coverage of the sputtering target takes place. The latter is characterized by a low sputtering rate and oxygen-rich stoichiometry of the deposited layer, the skilled person calls this an oxidic process.
Für andere, mit dem bekannten Verfahren stabil herstellbare Stöchiometrien CrOxNy sind aufgrund der sich einstellenden Oxidbelegung des Sputter-Targets die verfügbare Sputterrate und damit die Produktivität des Prozesses limitiert. Insbesondere ist für Schichten mit einem Stöchiometrieparameter x im Bereich 1,1 < x < 1,6 die erzielbare Schichtdicke pro Magnetrontarget bei einer Sputterleistung von 15 W pro mm Sputter-Targetlänge und einer Substrattransportgeschwindigkeit von 1m/min bei Verwendung des bekannten Verfahrens auf Werte unter 16nm beschränkt. For others, stably be produced by the known method stoichiometries CrO x N y due to the autogenous oxide coating of the sputtering target, the sputtering rate available, thereby limiting the productivity of the process. In particular, for layers having a stoichiometric parameter x in the range of 1.1 <x <1.6, the achievable layer thickness per magnetron target with a sputtering power of 15 W per mm sputtering target length and a substrate transport speed of 1 m / min is below the values using the known method 16nm limited.
Die Herstellung einer CrOxNy-Schicht der Dicke von 32nm bei einer Substrattransportgeschwindigkeit von 10m/min werden deshalb bei Verwendung des bekannten Verfahrens beispielsweise 20 Stück in der Prozessflussrichtung hintereinander angeordnete Magnetron-Sputter-Quellen benötigt. Die dafür benötigte Beschichtungsanlage ist sehr groß und kostenintensiv. Weiterhin sind bei Verwendung des bekannten Verfahrens bestimmte, für das Absorptionsverhalten des Gesamtschichtstapels vorteilhafte optische Eigenschaften, insbesondere der Absorptionkoeffizient nicht stabil oder nur in engen Grenzen stabil einstellbar. The production of a CrO x N y layer with a thickness of 32 nm at a substrate transport speed of 10 m / min is therefore required when using the known method, for example 20 pieces in the process flow direction successively arranged magnetron sputter sources. The coating system required for this is very large and expensive. Furthermore, when using the known method, certain advantageous for the absorption behavior of the overall layer stack optical properties, in particular the absorption coefficient is not stable or stable adjustable within narrow limits.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabenstellung zugrunde, ein Solarabsorber mit einem Trägersubstrat und ein reaktives Sputterverfahren zur Abscheidung dessen Solarabsorber-Schichtsystems anzugeben, welcher es bei hoher solarer Absorption gestattet, die genannten Limitierungen in der Stöchiometrie, Stabilität des Prozesses und erzielbaren Schichtdicken bzw. Abscheideraten zu überwinden. The invention is therefore based on the task, a solar absorber with a carrier substrate and a reactive sputtering process for the deposition of its solar absorber layer system indicate which, with high solar absorption, allows to overcome the stated limitations in stoichiometry, stability of the process and achievable layer thicknesses or deposition rates.
Erfindungsgemäß wird die eigentliche Absorberschicht, welche reaktiv mittels Magnetronsputtern abgeschieden wurde, in zwei Teilschichten unterteilt, von denen eine Teilschicht eine Chromnitrid- oder Chromoxid-Schicht ist und die andere Teilschicht eine Chromoxinitrid-Schicht der Zusammensetzung CrOxNy. Erfindungsgemäß weist die Chromoxinitrid-Teilschicht Anteile des Sauerstoffs und Stickstoffs mit Mischungsverhältnissen im Bereich von 1,1 < x < 1,6 und 0 < y < 0,5, bevorzugt im Bereich von 1,3 < x < 1,48 und 0 < y < 0,5 auf. Diese Mischungsverhältnisse sind mit dem beanspruchten Verfahren stabil herstellbar und weisen in Verbindung mit einer weiteren Teilschicht eine höhere solare Absorption auf, als mit den nach dem Stand der Technik produzierten Absorberschichtsystemen erzielbar ist. According to the invention, the actual absorber layer, which was deposited reactively by means of magnetron sputtering, is divided into two partial layers, of which one partial layer is a chromium nitride or chromium oxide layer and the other partial layer is a chromoxinitride layer of the composition CrO x N y . According to the invention, the chromium oxynitride partial layer has fractions of oxygen and nitrogen with mixing ratios in the range of 1.1 <x <1.6 and 0 <y <0.5, preferably in the range of 1.3 <x <1.48 and 0 < y <0.5. These mixing ratios can be produced stably with the claimed method and have, in conjunction with a further partial layer, a higher solar absorption than can be achieved with the absorber layer systems produced according to the prior art.
Hergestellt wird ein Solarabsorber mit einer solchen Chromoxinitrid–Teilschicht, indem zumindest bei der Abscheidung dieser Teilschicht der Sauerstoffpartialdruck gemessen und mit einem Regelkreis unter Verwendung der Menge des dem Sputterprozess zugeführten Sauerstoffs als Stellgröße geregelt wird. Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem konstante Gasflüsse verwendet werden und die Einstellung des Arbeitspunktes über die konstant zugeführte Gasmischung sowie die Leistung erfolgt, wird der Sauerstofffluss als aktive Stellgröße zur Regelung des Sauerstoffpartialdruckes genutzt. Damit sind in dem komplexen Zusammenspiel mit dem als Sauerstoffsenke fungierenden reaktiven Sputterprozess, den ebenfalls Sauerstoff wegtransportierenden Vakuumpumpen sowie der vom Sauerstoffpartialdruck beeinflussten Oxidbelegung des Targets, welche ihrerseits wieder die Effektivität des reaktiven Sputterprozesses rückwirkt, andere Prozessarbeitspunkte, bestimmt durch Sauerstoffpartialdruck und Targetoxidbelegung, zugänglich als bei der dem Stand der Technik gemäßen Arbeitsweise mit konstanten Gasflüssen. Erst durch Messung und aktive Regelung des Sauerstoffpartialdruckes ist es möglich, die Abscheidung von Schichten CrOxNy mit Mischungsverhältnissen im Bereich 1,1 < x < 1,6 und 0 < y < 0,5, bevorzug bei 1,3 < x < 1,48 und 0 < y < 0,5 mit hoher Sputterrate durchzuführen. So sind bei einer Sputterleistung von 15 W pro mm Targetlänge und einer Substrattransportgeschwindigkeit von 1m/min Schichtdicken von mehr als > 20nm pro Magnetron-Target möglich. A solar absorber is produced with such a chromoxynitride partial layer in that, at least during the deposition of this partial layer, the partial pressure of oxygen is measured and regulated with a control loop using the amount of oxygen supplied to the sputtering process as a manipulated variable. In contrast to the prior art, in which constant gas flows are used and the adjustment of the operating point via the constantly supplied gas mixture and the power, the oxygen flow is used as an active control variable for controlling the oxygen partial pressure. Thus, in the complex interaction with the acting as oxygen sink reactive sputtering process, the oxygen wegtransportierenden vacuum pumps and influenced by the oxygen partial pressure oxide occupancy of the target, which in turn affects the effectiveness of the reactive sputtering process, other process working points, determined by oxygen partial pressure and target oxide, accessible than at the state of the art operation with constant gas flows. Only by measuring and active regulation of the oxygen partial pressure is it possible to deposit CrOxNy layers with mixing ratios in the range 1.1 <x <1.6 and 0 <y <0.5, preferably at 1.3 <x <1.48 and 0 <y <0.5 with high sputtering rate. Thus, with a sputtering power of 15 W per mm of target length and a substrate transport speed of 1 m / min, layer thicknesses of more than> 20 nm per magnetron target are possible.
Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Sollwert des Sauerstoffpartialdrucks bei der Abscheidung der Chromoxinitrid-Teilschicht mit dem benannten Mischungsverhältnissen auf einen Wert im Bereich 3·10–5mbar bis 6·10–4mbar geregelt wird. According to one embodiment of the method, it has proved to be advantageous if the desired value of the oxygen partial pressure in the deposition of the chromoxynitride partial layer with the named mixing ratio is controlled to a value in the range 3 × 10 -5 mbar to 6 × 10 -4 mbar.
Zur Regelung des Sauerstoffpartialdruckes kann entsprechend verschiedener Ausgestaltungen des Verfahrens eine Lambda-Sensor oder ein Massenspektrometer als Messumformer verwendet werden. Beide Messverfahren eignen sich zur absoluten oder relativen Ermittlung des Partialdruckes von Sauerstoff in einem Gasgemisch aus. To regulate the oxygen partial pressure, a lambda sensor or a mass spectrometer can be used as a transmitter according to various embodiments of the method. Both measuring methods are suitable for the absolute or relative determination of the partial pressure of oxygen in a gas mixture.
Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens kann dem Sputterprozess zusätzlich zu dem geregelten Sauerstofffluss ein konstanter Stickstofffluss zugeführt werden, wodurch sich der Regelaufwand für die Einhaltung der erfindungsgemäßen Mischungsverhältnisse reduziert und die Stabilisierung des Arbeitspunktes verbessert. According to one embodiment of the method, a constant flow of nitrogen can be supplied to the sputtering process in addition to the regulated oxygen flow, whereby the control effort for maintaining the mixing ratios according to the invention is reduced and the stabilization of the operating point is improved.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Absorbers wird auf einem Substratträger, der z.B. aus einem Aluminium-Band besteht, optional auf einer das Aluminiumband schützenden und glättenden und die Haftung der weiteren Schichten verbessernden Zwischenschicht, z.B. aus Al2O3, zunächst eine Infrarotstrahlung reflektierende Schicht abgeschieden. Als IR-reflektierende Schichten sind z.B. Edelmetallschichten bekannt, wie auch Chrom, Aluminium oder Molybdän. Sie weisen aufgrund ihrer hohen IR-Reflexion eine geringe Emissivität in dem Wellenlängenbereich auf, wodurch die Abstrahlung von Wärme reduziert und damit die Ableitung der Wärme in das Übertragungsmittel unterstützt wird. Auch die IR-reflektierende Schicht ist optional. For the production of an absorber according to the invention is on a substrate support, for example, consists of an aluminum strip, optionally on a the aluminum tape protective and smoothing and adhesion of the other layers improving intermediate layer, eg Al 2 O 3 , first deposited a infrared radiation reflecting layer. As IR-reflecting layers, for example, noble metal layers are known, as well as chromium, aluminum or molybdenum. Due to their high IR reflection they have a low emissivity in the wavelength range, which reduces the radiation of heat and thus supports the dissipation of heat into the transmission medium. The IR-reflecting layer is optional.
Die Zwischenschicht ist z.B. durch Eloxieren des Aluminiumbandes herstellbar, kann aber auch in Form einer dünnen durch Oxidation an Umgebungsluft gebildeten Oxidhaut ausgeprägt sein. Eine metallische IR-reflektierende Schicht wird durch Magnetronsputtern von einem metallischen Target des Beschichtungsmaterials hergestellt. The intermediate layer is e.g. can be produced by anodizing the aluminum strip, but can also be pronounced in the form of a thin oxide skin formed by oxidation in ambient air. A metallic IR reflective layer is made by magnetron sputtering from a metallic target of the coating material.
Über der IR-reflektierenden Schicht folgt die Absorberschicht, die im Ausführungsbeispiel aus einer Teilschicht aus CrN und einer Teilschicht aus CrOxNy mit 1,3 < x < 1,48 und 0 < y < 0,5 besteht. Die Abscheidung dieser beiden Schichten erfolgt durch reaktives Magnetronsputtern unter Zufuhr eines konstanten Stickstoffflusses zum Argon als Arbeitsgas. Für die CrOxNy-Teilschicht wird darüber hinaus Sauerstoff zugeführt, dessen Partialdruck durch eine geeignete Regelung in dem Bereich von Bereich 3·10–5mbar bis 6·10–4mbar gehalten wird. Das Sputtern erfolgt für beide Teilschichten von Cr-Targets. Over the IR-reflecting layer follows the absorber layer, which consists in the embodiment of a partial layer of CrN and a sub-layer of CrO x N y with 1.3 <x <1.48 and 0 <y <0.5. The deposition of these two layers takes place by reactive magnetron sputtering while supplying a constant flow of nitrogen to the argon as working gas. For the CrO x N y sublayer oxygen is also supplied, the partial pressure is maintained by a suitable control in the range of 3 x 10 -5 mbar to 6 x 10 -4 mbar. The sputtering takes place for both partial layers of Cr targets.
Über der Absorberschicht werden eine oder mehrere SiO2 enthaltende entspiegelnde Deckschichten, ebenfalls durch reaktives Magnetronsputtern, abgeschieden. Alternativ kann auch ein Wechselschichtsystem mit wechselndem hohen und tiefen Brechungsindex zur Entspiegelung angeordnet sein. About the absorber layer are one or more SiO 2- containing anti-reflective coatings, also by reactive Magnetron sputtering, deposited. Alternatively, a change layer system with alternating high and low refractive indices can also be arranged for antireflection coating.
Die Abscheidung der SiO2-haltigen Deckschicht kann auch durch andere Beschichtungsverfahren, zum Beispiel Elektronenstrahlbedampfung oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD) erfolgen. The deposition of the SiO 2 -containing top layer can also be effected by other coating methods, for example electron beam vapor deposition or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
Als Substratmaterial können neben Aluminium auch Kupfer, Stahl oder Polymere verwendet werden. As substrate material in addition to aluminum and copper, steel or polymers can be used.
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