DE102011001525A1 - Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und Verwendung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und Verwendung des Verfahrens Download PDFInfo
- Publication number
- DE102011001525A1 DE102011001525A1 DE102011001525A DE102011001525A DE102011001525A1 DE 102011001525 A1 DE102011001525 A1 DE 102011001525A1 DE 102011001525 A DE102011001525 A DE 102011001525A DE 102011001525 A DE102011001525 A DE 102011001525A DE 102011001525 A1 DE102011001525 A1 DE 102011001525A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- titanium nitride
- suspension
- selectively absorbing
- binder
- absorbing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000001282 organosilanes Chemical group 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 239000000080 wetting agent Substances 0.000 claims description 2
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 33
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 abstract description 4
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 8
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006396 nitration reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101000801643 Homo sapiens Retinal-specific phospholipid-transporting ATPase ABCA4 Proteins 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102100033617 Retinal-specific phospholipid-transporting ATPase ABCA4 Human genes 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SCMCGJZNZWBQDK-UHFFFAOYSA-N [Si](O)(O)(O)O.C=C.C=C.C=C.C=C Chemical compound [Si](O)(O)(O)O.C=C.C=C.C=C.C=C SCMCGJZNZWBQDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- FFRBMBIXVSCUFS-UHFFFAOYSA-N 2,4-dinitro-1-naphthol Chemical compound C1=CC=C2C(O)=C([N+]([O-])=O)C=C([N+]([O-])=O)C2=C1 FFRBMBIXVSCUFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001453233 Doodia media Species 0.000 description 1
- 241000249931 Doronicum maximum Species 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N aqua regia Chemical compound Cl.O[N+]([O-])=O QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 238000007761 roller coating Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000009182 swimming Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002347 wear-protection layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/60—Additives non-macromolecular
- C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/66—Additives characterised by particle size
- C09D7/67—Particle size smaller than 100 nm
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S70/00—Details of absorbing elements
- F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
- F24S70/225—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption for spectrally selective absorption
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S70/00—Details of absorbing elements
- F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
- F24S70/25—Coatings made of metallic material
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S70/00—Details of absorbing elements
- F24S70/30—Auxiliary coatings, e.g. anti-reflective coatings
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/28—Nitrogen-containing compounds
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und die Verwendung des Verfahrens. Um ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von selektiv absorbierenden Titannitridschichten zu schaffen, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Suspension von selektiv absorbierendem elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulver und einem schwach IR-absorbierenden Binder in einem Lösungsmittel hergestellt wird, die auf ein Substrat aufgetragen und getrocknet wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde es ermöglicht, selektiv absorbierende Titannitridschichten über den pulvertechnologischen Ansatz eines selektiv absorbierenden elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulvers, das aufgrund der strukturbedingten Plasmonenresonanz selektiv absorbiert, in Kombination mit einem schwach IR-absorbierenden Binder, der zugleich als Antireflexschicht und/oder Schutzschicht wirken kann, zu schaffen. Die Vorteile der Erfindung bestehen im Wesentlichen in den deutlich niedrigeren Beschichtungskosten, die mit diesem Verfahren zu erreichen sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und die Verwendung des Verfahrens.
- Die selektive Solarabsorberschicht stellt den wichtigsten Teil einer thermischen Solarkollektoranlage dar. Sie absorbiert die einfallende Sonnenstrahlung, erwärmt sich und gibt diese Wärme an ein Trägermedium weiter. Die kostenlose Energie der Sonne läßt sich somit sammeln, konzentrieren und an anderer Stelle als thermische Energie nutzen. Das System läßt sich sowohl großtechnisch als auch im Kleinen als Warmwasserquelle auf dem Dach eines Eigenheims nutzen.
- Die Solarabsorber werden nach ihrer Arbeitstemperatur in vier Klassen eingeteilt:
- a. Niedrig-Temperatur-Anwendungen (T < 60°C), z. B. zur Beheizung von Schwimmbädern,
- b. Mittlerer Temperaturbereich (60°C < T < 150°C), z. B. Flachkollektoren zur Brauchwassererwärmung,
- c. Hochtemperaturanwendungen (150°C < T < 300°C), d. h. konzentrierende Systeme, wie Parabolrinnen, z. B. zur Dampferzeugung für Dampfturbinen, die einen Generator antreiben und so elektrischen Strom erzeugen,
- d. Höchst-Temperaturbereich (T bis 1.000°C), d. h. Energietürme („solar thermal power plants”, z. B. zur Erzeugung von Strom über die thermoelektrische Wandlung oder von Prozeßwärme zur Wasserspaltung.
- Die selektiven Solarabsorberschichten, die hier betrachtet werden sollen, liegen in dem mittleren Temperaturbereich, d. h. im Durchschnitt wird der Kollektor bei T < 100°C betrieben, wobei die maximalen Stillstandstemperaturen jedoch bei ca. 200°C liegen. Das Absorbermaterial soll im Wellenlängenbereich bis 2,5 μm absorbieren, oberhalb von 2,5 μm aber reflektieren.
- Derartige, selektiv absorbierende Schichten sind schon lange bekannt und werden in den am Markt erhältlichen Solarkollektoren seit Jahren eingesetzt. Eines der bekanntesten Schichtsysteme besteht aus Titannitrid (TiN). Gesputterte Titannitrid-Schichten wurden bereits in den 70er Jahren auf ihre Eignung als selektive Schichten hin untersucht. In der
US 4,098,956 A wird die Herstellung eines selektiven Absorbers, bestehend aus einem Stahlsubstrat, darauf eine gesputterte Titanschicht, darauf eine gesputterte Silberschicht und als Oberstes eine gesputterte TiNy-Schicht (ca. 160 nm) beschrieben. Die berechnete Absorption für AM 2 liegt bei α = 0,88 und die Emission bei ε(600 K) = 0,065. In J. C. Francois, G. Chassaing, P. Gravier, R. Pierisnard und A. M. Bonnot, „Reflexivity of ScNx thin films; comparison with TiNx, TiNxCy and ZrNx coatings and application to the photothermal conversion of solar energy”, Thin solid films 127 (1985) 205–214 werden ebenfalls über reaktives Sputtern hergestellte TiN-Schichten auf ihre Eigenschaften als intrinsiche selektive Solarabsorber untersucht. Es konnte für eine 0,5 μm dicke Schicht eine Absorption von α = 0 m 56 und eine Emission bei 700 K von ε = 0,18 gemessen werden. - Aus M. Lazarov, „Prozeßwärme mit Temperaturen über 200°C aus der globalen Sonnenstrahlung durch selektive TiNxOy Interferenzabsorber", Fortschrittsberichte VDI, Reihe 6, Vol. 296. (1993), Düsseldorf, VDI-Verlag, ist die Herstellung von TiNxOy-Schichten über einen „Activated Reactive Evaporation-Prozeß” bekannt, die nach Weiterentwicklung und Optimierung in Solarkollektoren unter dem Handelsnamen TiNOX® kommerziell erhältlich sind. Diese Mehrschichtsysteme erreichen eine Absorption von α = 0,947 und eine Emission bei 100°C von ε = 0,036 in der zertifizierten Messung. Bei diesen Schichten handelt es sich um Interferenzabsorber, die eine besonders steile Absorptionskante ermöglichen. Schon eine kleine Abweichung der Schichtdicke oder Oberflächenrauhigkeiten führen zu Einbußen im Wirkungsgrad. Außerdem findet die Abscheidung im Vakuum statt, was zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten der Beschichtungsanlage führt.
- Andere Anwendungen für TiN-Schichten sind ebenfalls lange bekannt. Ein Beispiel sind Verschleißschutzschichten. TiN ist metallisch leitend und weist eine goldgelbe Farbe auf, da die Plasmakante der freien Elektronenabsorption im sichtbaren Spektralbereich liegt. Daher werden TiN-Schichten auch als verschleißfeste Dekorschichten an Stelle mechanisch empfindlicher Goldschichten eingesetzt.
- Nanoskalige TiN-Pulver sind jedoch im sichtbaren Spektralbereich (VIS) schwarz (Plasmonenresonanz). Die Synthese des TiN-Nanopulvers kann prinzipiell über drei verschiedene Wege erfolgen:
- a. Direkte Nitrierung des metallischen Titans bei T > 1.200°C
Ti + ½N2 → TiN - b. Nitrierung des metallischen Titans mit Ammoniak bei T > 1.200°C
Ti + NH3 → TiN + 3/2H2 - c. Gasphasensynthese von Titantetrachlorid bei T = 1.000°C in Wasserstoff- oder Stickstoffatmosphäre
2TiCl4 + 4H2 + N2 → 2TiN + 8HCl - Weitere Herstellungsverfahren durch Abwandlung dieser Routen sind möglich. Bei der Synthese muß allerdings auf eine sauerstoff- und feuchtefreie Atmosphäre geachtet werden, da sonst eine Oxidation des feinskaligen Pulvers erfolgt. Daher eignet sich zur Herstellung von nanoskaligem TiN-Pulver die Abscheidung aus der Gasphase nach dem CVR(chemical vapour reaction)-Prozess am Besten.
- TiN kann an Luft oxidiert werden. In M. Prtischow, „Titannitrid- und Titan-Schichten für die Nano-Elektromechanik”, Dissertation, Universität Stuttgart (2007) wird ein Überblick über die Theorien der Oxidation von TiN bei erhöhten Temperaturen gegeben. Die Reaktion
TiN + O2 → TiO2 + ½N2 - Eine weitere Möglichkeit, TiNxOy-Pulver herzustellen, ist die partielle Nitrierung von TiO2-Pulver. Aus der
DE 34 43 622 C2 ist die Herstellung eines schwarzen Titanoxinitrid-Pigmentpulvers durch die Reaktion von Titanoxid-Pulver mit Ammoniak bei Temperaturen zwischen 550°C und 950°C bekannt. In derUS 7,491,349 B2 wird dieses Verfahren in ähnlicher Weise aufgegriffen, wobei das hergestellte TiNxOy-Pulver aber zusätzlich mit einer SiO2-Schicht versehen wird. - Titannitrid wird als schwach wassergefährdend und leichtentzündlich eingestuft. Für die Verwendung des Nanopulvers sind die üblichen Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Die Handhabung des TiN-Nanopulvers an Luft und in wäßrigen Suspensionen stellt kein Problem dar. Durch die kovalente Bindung besitzt Titannitrid eine hohe Härte und einen hohen Schmelzpunkt (Tm = 2.950°C). Es wird von Salzsäure, Salpetersäure oder Schwefelsäure nicht angegriffen, während es in Königswasser (Gemisch aus Salz- und Salpetersäure) leicht löslich ist.
- Die bekannten Lösungen im Stoffsystem TiN sind insofern von Nachteil, als die Herstellung der Schichten über ein Vakuumbeschichtungsverfahren sehr kostenintensiv sind und damit einer preisgünstigen Lösung bei einer Massenproduktion entgegenstehen. Bei dem zu erwartenden Preisdruck ist daher damit zu rechnen, dass die Produktion zunehmend in Niedriglohnländer verlagert wird und somit Arbeitsplätze in Europa verloren gehen.
- Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von selektiv absorbierenden Titannitridschichten zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Suspension von selektiv absorbierendem elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulver und einem schwach IR-absorbierenden Binder in einem Lösungsmittel hergestellt wird, die auf ein Substrat aufgetragen und getrocknet wird.
- Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde es ermöglicht, selektiv absorbierende Titannitridschichten über den pulvertechnologischen Ansatz eines selektiv absorbierenden elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulvers, das aufgrund der strukturbedingten Plasmonenresonanz selektiv absorbiert, in Kombination mit einem schwach IR-absorbierenden Binder, der zugleich als Antireflexschicht und/oder Schutzschicht wirken kann, zu schaffen. Die Vorteile der Erfindung bestehen im Wesentlichen in den deutlich niedrigeren Beschichtungskosten, die mit diesem Verfahren zu erreichen sind.
- Es ist zweckmäßig, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-% Titannitridpulver enthält.
- Weiterhin ist es sinnvoll, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 7 Gew.-% Binder enthält.
- Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Organosilanen, insbesondere TEOS, und fluorierten Organosilanen.
- Der Binder sollte eine geringe Absorption im nahen infraroten Spektralbereich (Wellenlängen von 1 bis 7 μm) aufweisen.
- Es wird bevorzugt, dass das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser und wasserfreien Lösungsmitteln, insbesondere Ethanol.
- Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Suspension Benetzungsmittel und/oder Entschäumer enthält.
- Zur Erfindung gehörig ist auch, dass die Suspension im Tauchbeschichtungsverfahren, im Walzenbeschichtungsverfahren oder im Kapillardüsenverfahren auf das Substrat aufgetragen wird.
- Neben hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten (Tauchbeschichtungsverfahren: 0,5 m/min, Walzenbeschichtungsverfahren: 2 bis 3 m/min, Kapillardüsenverfahren: 20 m/min) ermöglichen diese Verfahren den Aufbau von Anlagen mit wesentlich geringeren Investitionskosten, da bei diesen atmosphärischen Verfahren kein Vakuum benötigt wird.
- Zu der Erfindung gehörig ist, dass das Substrat ein Aluminiumblech ist.
- Grundsätzlich ist jedes Blech geeignet, das eine hohe Reflektion im infraroten Wellenlängenbereich (ab 2,5 μm) aufweist.
- Weiterhin ist erfindungswesentlich, dass die Suspension mit einer Schichtdicke von 50 bis 2.000 nm, bevorzugt von 100 bis 500 nm aufgetragen wird.
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Trocknen der Suspension bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 300°C, vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und 200°C erfolgt.
- Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von selektiv absorbierenden Titannitridschichten für Solarabsorber liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
- Da Solarkollektoren zunehmend von Architekten als Gestaltungselement von Fassaden oder Dächern eingesetzt werden, ist es von Vorteil, nicht auf Interferenzsysteme angewiesen, die blickwinkelabhängige Farben zeigen, der für eine Hochskalierung von Solarkollektorflächen entscheidend sein kann.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- Beispiel 1:
- Als Binder wurde vorhydrolysiertes Tetraethylenorthosilicat (TEOS) verwendet. Für einen solchen Ansatz werden 15 ml TEOS, 14 ml Ethanol, 14 ml entionisiertes Wasser und 0,1 ml Schwefelsäure vermischt und auf einem Magnetrührer 24 h bei Raumtemperatur verrührt. Für die Suspension wurden 2,3 Gew.-% Titannitrid-Nanopulver (ABCR GmbH & Co. KG, mittlere Teilchengröße ca. 20 nm) in Wasser eingerührt. Zur Stabilisation wurde der pH-Wert mittels Zugabe von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) auf 10 eingestellt. Des Weiteren wurden 2,3 Gew.-% TEOS-Ansatz (Binder) hinzugegeben. Die Suspension wurde anschließend 15 min bei 30% Amplitude im Ultraschalldesintegrator behandelt.
- Die Suspension wurde mittels Dip-Coating auf Aluminiumsubstrate von ca. 33 mm × 50 mm aufgebracht und 2 h bei 120°C getrocknet.
- Die Spektren von drei Proben, die aus dieser Suspension hergestellt wurden, sind in
- Beispiel 2:
- Als Binder wurde vorhydrolysiertes Tetraethylenorthosilicat (TEOS) verwendet. Für einen solchen Ansatz werden 15 ml TEOS, 14 ml Ethanol, 14 ml entionisiertes Wasser und 0,1 ml Schwefelsäure vermischt und auf einem Magnetrührer 24 h bei Raumtemperatur verrührt. Für die Suspension wurden 2,3 Gew.-% Titannitrid-Nanopulver (ABCR GmbH & Co. KG, mittlere Teilchengröße ca. 20 nm) in Wasser eingerührt. Zur Stabilisation wurde der pH-Wert mittels Zugabe von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) auf 10 eingestellt. Des Weiteren wurden 0,07 Gew.-% Glydol N109, einige Tropfen Contraspum K1012 (beides Fa. Zschimmer & Schwarz) und 2,2 Gew.-% TEOS-Ansatz (Binder) hinzugegeben. Die Suspension wurde anschließend 15 min bei 30% Amplitude im Ultraschalldesintegrator behandelt.
- Die Suspension wurde mittels Dip-Coating auf Aluminiumsubstrate von ca. 50 mm × 750 mm aufgebracht und 2 h bei 300°C getrocknet.
- Die Spektren von drei Proben, die aus dieser Suspension hergestellt wurden, sind in
- Die Viskositäten der Suspensionen von
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 4098956 A [0005]
- DE 3443622 C2 [0011]
- US 7491349 B2 [0011]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- M. Lazarov, „Prozeßwärme mit Temperaturen über 200°C aus der globalen Sonnenstrahlung durch selektive TiNxOy Interferenzabsorber”, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 6, Vol. 296. (1993), Düsseldorf, VDI-Verlag [0006]
Claims (11)
- Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension von selektiv absorbierendem elektrisch leitfähigen nanoskaligen Titannitridpulver und einem schwach IR-absorbierenden Binder in einem Lösungsmittel hergestellt wird, die auf ein Substrat aufgetragen und gehärtet wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-% Titannitridpulver enthält.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 7 Gew.-% Binder enthält.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Organosilanen, insbesondere TEOS, und fluorierten Organosilanen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser und wasserfreien Lösungsmitteln, insbesondere Ethanol.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension Benetzungsmittel und/oder Entschäumer enthält.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension im Tauchbeschichtungsverfahren, im Walzenbeschichtungsverfahren oder im Kapillardüsenverfahren auf das Substrat aufgetragen wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Aluminiumblech ist.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mit einer Schichtdicke von 50 bis 2.000 nm, bevorzugt von 100 bis 500 nm aufgetragen wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen der Suspension bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 300°C, vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und 200°C erfolgt.
- Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung von selektiv absorbierenden Titannitridschichten für Solarabsorber.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102011001525A DE102011001525A1 (de) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und Verwendung des Verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102011001525A DE102011001525A1 (de) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und Verwendung des Verfahrens |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102011001525A1 true DE102011001525A1 (de) | 2012-09-27 |
Family
ID=46831426
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102011001525A Ceased DE102011001525A1 (de) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und Verwendung des Verfahrens |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102011001525A1 (de) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4098956A (en) | 1976-08-11 | 1978-07-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior | Spectrally selective solar absorbers |
| DE3443622C2 (de) | 1984-11-29 | 1993-07-29 | Mitsubishi Kinzoku K.K., Tokio/Tokyo, Jp | |
| DE19620645A1 (de) * | 1995-05-22 | 1996-12-05 | Thomas Eisenhammer | Verfahren zur Herstellung selektiver Absorber |
| EP0905100B1 (de) * | 1997-09-30 | 2003-02-05 | Sumitomo Metal Mining Company Limited | Beschichtungslösung zur Herstellung eines selektiv durchlässigen Filmes |
| US7491349B2 (en) | 2004-12-28 | 2009-02-17 | Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. | Black titanium oxynitride |
-
2011
- 2011-03-24 DE DE102011001525A patent/DE102011001525A1/de not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4098956A (en) | 1976-08-11 | 1978-07-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior | Spectrally selective solar absorbers |
| DE3443622C2 (de) | 1984-11-29 | 1993-07-29 | Mitsubishi Kinzoku K.K., Tokio/Tokyo, Jp | |
| DE19620645A1 (de) * | 1995-05-22 | 1996-12-05 | Thomas Eisenhammer | Verfahren zur Herstellung selektiver Absorber |
| EP0905100B1 (de) * | 1997-09-30 | 2003-02-05 | Sumitomo Metal Mining Company Limited | Beschichtungslösung zur Herstellung eines selektiv durchlässigen Filmes |
| US7491349B2 (en) | 2004-12-28 | 2009-02-17 | Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. | Black titanium oxynitride |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M. Lazarov, "Prozebetawärme mit Temperaturen über 200°C aus der globalen Sonnenstrahlung durch selektive TiNxOy Interferenzabsorber", Fortschrittsberichte VDI, Reihe 6, Vol. 296. (1993), Düsseldorf, VDI-Verlag |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102286243A (zh) | 以尖晶石型颜料为吸光剂制备太阳能选择性吸热涂料的方法 | |
| Geng et al. | Low-temperature combustion synthesis of CuCr2O4 spinel powder for spectrally selective paints | |
| EP0804513A1 (de) | Anstrichstoff mit reflektierenden eigenschaften in zwei wellenlängenbereichen und absorbierenden eigenschaften in einem dritten wellenlängenbereich | |
| DE4128645C2 (de) | ||
| Geng et al. | Sol–gel combustion‐derived CoCuMnOx spinels as pigment for spectrally selective paints | |
| EP3262675A1 (de) | Raumtemperatur-verfahren zur herstellung elektrotechnischer dünnschichten und verfahrensgemäss erhaltene dünnschichtfolge | |
| Abass | Fe2O3 thin films prepared by spray pyrolysis technique and study the annealing on its optical properties | |
| EP3645636A1 (de) | Schutzbeschichtung für zentralen turmempfänger in solarkraftanlagen und verfahren zur herstellung davon | |
| CH639412A5 (de) | Farbe zur spektral selektiven beschichtung von metalloberflaechen und verwendung der farbe. | |
| EP2970698B1 (de) | Beschichtung, verfahren zu deren herstellung und ihre verwendung | |
| WO2009106525A2 (de) | Absorberbauteil für thermosolare anwendungen | |
| DE112022006135B4 (de) | Herstellungsverfahren für eine cspbbr3-perowskit- solarzelle | |
| DE102011001525A1 (de) | Verfahren zum Herstellen einer selektiv absorbierenden Titannitridschicht und Verwendung des Verfahrens | |
| Indora et al. | Optical and structural analysis of sol-gel derived TiO2/MWCNT nanocomposites | |
| EP4263452A1 (de) | Passiver strahlungskühler | |
| DE102016122132A1 (de) | Katalytisch aktives Material, Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung | |
| DE19515305A1 (de) | Strahlungsenergiewandler auf Fullerenbasis | |
| DE102010034901A1 (de) | Solarthermische Anordnung | |
| DE102010027063A1 (de) | Beschichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie | |
| Orel et al. | Organic soot pigmented paint for solar panels: formulation, optical properties and industrial application | |
| Jasim et al. | Improvement of the solar-thermal characteristics of the flat-plate collector using a composite coating | |
| EP2430375B1 (de) | Vakuumkollektorröhre und verfahren zur herstellung einer solchen vakuumkollektorröhre | |
| Agarwal et al. | Chemically sprayed PbS coatings for photothermal solar energy conversion | |
| Indrakanti et al. | Synthesis and electrochemical study of Ti2GaN electrode material | |
| CN201616787U (zh) | 一种钒钛太阳能电池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20130104 |