DE10058931A1

DE10058931A1 - Gemusterter Strahlungsenergie-Wandler

Info

Publication number: DE10058931A1
Application number: DE10058931A
Authority: DE
Inventors: Isabella Mayer; Miladin Lazarov; Reinhard Dasbach
Original assignee: TINOX GES fur ENERGIEFORSCHUN
Current assignee: TINOX GMBH ENTWICKLUNG UND PRODUKTION SOLARER ENER
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-06-20
Also published as: AU2002221894A1; WO2002044629A1; EP1340026A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gemusterten Strahlungsenergie-Wandler zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie, der ein Substrat aufweist, das mit einer oder mehreren Schichten wenigstens teilweise überzogen ist, von denen wenigstens eine als Strahlung absorbierende Schicht ausgebildet ist, wobei sich die Dicke und/oder chemische Zusammensetzung von wenigstens einer der Schichten parallel zur Oberfläche des Substrats periodisch ändert. Weiter beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung des gemusterten Strahlungsenergie-Wandlers sowie dessen Verwendung in Sonnenkollektoren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gemusterten Strahlungsenergie-Wandler zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmenergie, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.

Die CH-Patentschrift 581 812 offenbart einen Sonnenkollektor, dessen sonnenbe strahlbare Kollektorfläche Erhöhungen aufweist, wobei es sich um Erhöhungen des Substrats handelt, auf die die sonnenbestrahlbare Kollektorfläche aufgebracht ist.

Aus der WO-A-9 726 488 sind farbige, in Sonnenkollektoren einsetzbare Strah lungsenergie-Wandler (Absorber) bekannt, bei denen eine Strahlung absorbieren de Schicht auf ein Substrat wie ein Blech aufgebracht ist. Jedoch kommt es auf grund der allgemein hohen Anforderungen an einen perfekten optischen Eindruck wegen Fehlern bei der Beschichtung von Blechen mit der Strahlung absorbieren den Schicht oder bei der Weiterverarbeitung der beschichteten Bleche zu einem hohen Ausschuß. Auch kann es vorkommen, daß sich durch die Art der Weiter verarbeitung Wellen im beschichteten Blech nicht vermeiden lassen, die dann als unschön oder wertmindernd empfunden werden. Insbesondere bei der Weiterver arbeitung von Blechen, auf die eine selektiv absorbierende Schicht wie in WO-A- 9 726 488 offenbart, aufgebracht wurde, gibt es immer wieder Ausschuß durch Oberflächenfehler, die schon bei der Beschichtung oder bei der Weiterverarbei tung in die Oberfläche eingebracht worden sind.

Üblicherweise wird bei Sonnenkollektoren die über den Stahlungsenergie- Wandler umgewandelte Wärme über ein Rohrsystem abtransportiert, das eine Wärmetauscherflüssigkeit aufweist. Beim Auflöten oder Aufschweißen des Rohr systems an den Absorber kommt es jedoch immer wieder zu Flecken auf der Ab sorberfläche und Wellen und Beulen im Blech. Ein Ausschuß in diesem Ferti gungsstadium ist mit hohen Kosten verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand nun darin, einen Strahlungs energie-Wandler zu schaffen, der auch bei leichten Produktionsfehlern hohen äs thetischen und technischen Anforderungen gerecht wird, so daß sich der Aus schuß verringert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gemusteter Strahlungsenergie-Wandler (Ab sorber) vorgeschlagen, der ein Substrat aufweist, das mit einer oder mehreren Schichten überzogen ist, wobei sich die Dicke und/oder chemische Zusammenset zung von wenigstens einer der Schichten parallel zur Oberfläche des Substrats periodisch verändert. Durch diese periodische Veränderung der Schichtparameter wird eine periodische Änderung der Helligkeit und/oder des Farbeindrucks der Oberfläche des Strahlungsenergie-Wandlers hervorgerufen. Wenigstens eine der Schichten, mit denen das Substrat überzogen ist, ist als Strahlung absorbierende Schicht ausgebildet.

Zwar wurde von den Erfindern festgestellt, daß je nach Gestaltung der Schicht ein Verlust an Wirkungsgrad auftreten kann, jedoch ist für den Niedrigtemperaturbe reich dieser Verlust tolerabel, da die Minderleistung durch eine geringfügige Er höhung der Kollektorfläche kompensiert werden kann. Diese Mehrkosten durch den größeren Materialeinsatz können aber um ein Vielfaches durch eine Verringe rung des Ausschusses aufgewogen werden.

Somit betrifft die Erfindung einen gemusterten Strahlungsenergie-Wandler (Ab sorber) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie, der ein Sub strat umfaßt, das mit einer oder mehreren Schichten wenigstens teilweise überzo gen ist, von denen wenigstens eine als Strahlung absorbierende Schicht ausgebildet ist, wobei der Strahlungsenergie-Wandler dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Dicke und/oder die chemische Zusammensetzung wenigstens einer der Schichten parallel zur Oberfläche des Substrats periodisch ändert. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Strahlungsenergie- Wandlers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine oder mehrere Schichten, von denen wenigstens eine als Strahlung absorbierende Schicht ausgebildet wird, mit tels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens oder eines naßchemischen Verfahrens derart auf ein Substrat aufgebracht werden, daß sich die Dicke und/oder die che mische Zusammensetzung von wenigstens einer der Schichten parallel zur Ober fläche des Substrats periodisch ändert. Außerdem betrifft die Erfindung die Ver wendung des Strahlungsenergie-Wandlers in einem Sonnenkollektor und/oder als dekorative Schicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren und den Unteransprüchen beschrieben.

Bei den Figuren zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Herstellung eines er findungsgemäß bevorzugten Strahlungsenergie-Wandlers mit einem Streifenmuster;

Fig. 1b eine schematische Darstellung der in Fig. 1a verwendeten Maske;

Fig. 1c einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß bevorzugten Strahlungs energie-Wandler, bei dem die Schichtdicke der Antireflexschicht (Schicht 2) periodisch variiert wird;

Fig. 1d einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß bevorzugten Strahlungs energie-Wandler, bei dem die Änderung der Schichtdicke stetig erfolgt;

Fig. 1e eine schematische Darstellung einer wellenförmigen Maske zur Erzeu gung einer stetigen Schichtdickenänderung;

Fig. 1f einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß bevorzugten Strahlungs energie-Wandler, bei dem die Schichtdicke der Absorberschicht (Schicht 1) periodisch variiert wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Herstellung eines er findungsgemäß bevorzugten Strahlungsenergie-Wandlers mit einem Streifenmuster, wobei die Position der verwendeten Gasdüsen relativ zum zu beschichtenden Band (Substrat) angedeutet ist;

Fig. 3a eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Herstellung eines Strahlungsenergie-Wandlers mit einem Karomuster; und

Fig. 3b eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß bevorzugten Strahlungsenergie-Wandlers mit einem Karomuster.

Vorliegend soll durch den Begriff "gemusterter Strahlungsenergie-Wandler" aus gedrückt werden, daß es sich um Strahlungsenergie-Wandler oder Absorber han delt, die nicht homogen mit einer einfarbigen Schicht überzogen sind. Des weite ren bedeutet vorliegend der Begriff "periodisch" regelmäßig auftretend oder re gelmäßig wiederkehrend.

Die Oberfläche des Substrats ist wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit einer oder mehreren Schichten überzogen, wobei sich die Dicke und/oder chemische Zusammensetzung von wenigstens einer der Schichten parallel zur Oberfläche des Substrats periodisch ändert. Im folgenden bezieht sich der Begriff "die variierende Schicht" auf die Schicht, bei der sich erfindungsgemäß die Dicke und/oder chemische Zusammensetzung periodisch parallel zur Oberfläche des Substrats ändert. Vorzugsweise erfolgt diese Änderung in einem für das Auge wahrnehmbaren Abstand. Damit ist nicht eine kolumnare Mikrostruktur gemeint, wie sie in der WO-A-9 517 533 offenbart ist. Diese kolumnare Mikrostruktur ent steht beim Aufwachsen einer Schicht auf ein Substrat. Hierbei auftretende Unregelmäßigkeiten in der Schichtdicke liegen im Mikrobereich und sind für das Auge nicht wahrnehmbar. Vorzugsweise ändert sich die Dicke und/oder chemische Zu sammensetzung der variierenden Schicht in einem periodischen Abstand im Be reich von 1 bis 40 cm, vorzugsweise von 3 bis 9 cm, stärker bevorzugt von 4 bis 7 cm. Bevorzugt treten wenigstens 3, stärker bevorzugt 10 bis 30, noch stärker be vorzugt 12 oder 15, periodische Änderungen der Dicke oder der chemischen Zu sammensetzung der variierenden Schicht auf einer Strecke von einem Meter auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verläuft die periodische Ände rung in einer Gerade, also längs oder quer zu den Kanten des Strahlungsenergie- Wandlers, so daß ein Streifenmuster entsteht. Sie kann aber auch in beliebigen anderen geometrischen Formen verlaufen, beispielsweise karoförmig, wabenför mig, rautenförmig, kreisförmig, ellipsenförmig, schneckenförmig oder in Form eines Penrose-Musters. Ein Beispiel für einen Strahlungsenergie-Wandler mit einer periodischen Änderung der Schichtdicke ist schematisch in Fig. 1c, 1d, 1f und 3b gezeigt.

Durch die erfindungsgemäße periodische Änderung der Dicke und/oder chemi schen Zusammensetzung der variierenden Schicht parallel zur Oberfläche des Substrats entsteht für einen Betrachter bei Draufsicht auf den Strahlungsenergie- Wandler der Eindruck eines Musters, beispielsweise eines Streifen-, Wellblech-, Karo-, Waben-, Rauten- oder Penrose-Musters. Dieses Muster lenkt den Betrach ter von Fehlern in der Beschichtung des Strahlungsenergie-Wandlers ab und er möglicht somit eine Verrringerung des Ausschusses. Das menschliche Gehirn nimmt Strukturen durch Kontraste mit dem Hintergrund wahr. Durch das erfin dungsgemäß erzielte Muster wird auf dem Strahlungsenergie-Wandler der Hinter grund nun durch einen Helldunkel- oder einen Farbkontrast strukturiert, so daß sich der Kontrast zu einem Fehler auf der Oberfläche des Strahlungsenergie- Wandlers, wie beispielsweise einer Welle oder Beule, fließend oder willkürlich ändert. Da der Kontrast nicht mehr eindeutig zuordenbar ist, wird das Erkennen des Fehlers erschwert. Außerdem können mit dem Muster architektonisch interes sante Gestaltungseffekte erzielt werden.

Vorteilhafterweise ist der Strahlungsenergie-Wandler an jedem Punkt seiner Oberfläche bezüglich Schichtdicke und chemischer Zusammensetzung gleich wie am Punkt ' mit

' = + n₁ ₁ + ₁ + n₂ ₂ + ₂,

wobei ₁ und ₂ fundamentale Translationsvektoren sind, ₁ und ₂ Differenz vektoren sind und n₁ und n₂ beliebige ganze Zahlen sind, wobei gilt:

||/|| ≦ 25%.

Vorzugsweise enthält die variierende Schicht wenigstens ein Metall der Neben gruppenelemente des Periodensystems oder eine Verbindung des Metalls mit Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Kohlenstoff oder eine Legierung des Metalls mit einem oder mehreren anderen Metallen. Bei dem Metall handelt es sich vorzugsweise um ein Metall der Gruppe IVA, VA oder VIA des Periodensy stems, besonders bevorzugt um ein Metall der Gruppe NA des Periodensystems, vorzugsweise um Titan. Daneben ist auch eine Verbindung oder Legierung von Titan bevorzugt. Bevorzugte Verbindungen, insbesondere keramische Verbindun gen, haben die Formel MC_xN_yO_z, wobei M = Ti, Zr und/oder Hf; x, y, z = 0 bis 2,1; x + y + z = 0,01 bis 4, insbesondere x + y + z = 0,01 bis 2. Dabei liegt das Verhältnis von Metall zu Kohlenstoff zu Stickstoff zu Sauerstoff von 1 : (0 bis 2,1) : (0 bis 2,1) : (0 bis 2,1), bevorzugt von 1 : (0 bis 1,0) : (0 bis 1,0) : (0 bis 2,0), besonders bevorzugt von 1 : (0 bis 0,5) : (0 bis 0,5) : (0 bis 1,5) vor. Die obi gen Verhältnisse beziehen sich auf die Teilchenanzahl bzw. Molverhältnisse. Als zusätzliche Metalle kann die variierende Schicht neben Titan, Zirkonium und/oder Hafnium auch Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän oder deren Legierungen enthal ten, was sich vorteilhaft auf die Korrosionsbeständigkeit der Schicht auswirkt. Ferner können solche Legierungen günstige mechanische Eigenschaften aufwei sen. Als Material für die Schicht eignen sich auch Materialien wie sie in WO-A- 9 726 488, DE-C-43 44 258 und DE-A-195 06 188 beschrieben sind. Besonders bevorzugt ist eine Schicht aus Titanoxycarbonitrid oder Titanoxynitrid, insbeson dere aus Titanoxycarbonitrid.

Der Mittelwert der Dicke der variierenden Schicht liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 10000 nm, bevorzugt von 30 bis 4000 nm, ganz bevorzugt von 50 bis 2000 nm. Die Abweichung vom Mittelwert durch Schichtdickenänderung liegt hierbei im Bereich von (±) 1 bis 60%, insbesondere 2 bis 30%, stärker bevorzugt 3 bis 15%. Die genannte Schichtdicke sorgt dafür, daß auch Biegungen des Strahlungsenergie-Wandlers ohne Beschädigung toleriert werden können.

Eine Änderung der chemischen Zusammensetzung der variierenden Schicht kann vom Fachmann im Rahmen fachüblicher Versuche erreicht werden. In einer be vorzugten Ausführungsform wird diese Änderung bei Schichten aus Metallver bindungen über eine Änderung des Anteils an wenigstens einer Komponente, aus gewählt aus Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff, erreicht. In einer anderen be vorzugten Ausführungsform ist bei Schichten aus wenigstens zwei verschiedenen Metallen der Anteil der Metalle zueinander verändert. Bei einer Änderung in der chemischen Zusammensetzung kann der Anteil einer Komponente um 1 bis 100 Atom-%, bevorzugt um 10 bis Atom-30%, bezogen auf das Metall, variieren.

Der Strahlungsenergie-Wandler kann neben der die Strahlung absorbierenden Schicht eine oder mehrere zusätzliche Schichten, vorzugsweise eine zusätzliche Schicht, umfassen. Dabei kann die Strahlung absorbierende Schicht mit dieser zusätzlichen Schicht oder diesen zusätzlichen Schichten überzogen sein. Es be steht auch die Möglichkeit, daß eine oder mehrere dieser zusätzlichen Schichten zwischen dem Substrat und der Strahlung absorbierenden Schicht liegen. Von den zusätzlichen Schichten können eine oder mehrere dieser Schichten in einem Wel lenlängenbereich oder verschiedenen Wellenlängenbereichen optisch transparent sein. Derartige Schichten bestehen aus dielektrischen Verbindungen oder Gläsern.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der variierenden Schicht um die die Strahlung absorbierende Schicht, die ins besondere so ausgestaltet ist, wie es oben bei der Beschreibung der variierenden Schicht beschrieben wurde.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht als An tireflexschicht ausgebildet, wie sie beispielsweise beschrieben ist in Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch; Sonnenenergie: Photovoltaik; S. 125-127; B. G. Teubner, Stuttgart 1994. Bevorzugt besteht eine derartige Schicht aus einem Silizium- haltigen Glas, Siliziumdioxid oder einem Dielektrikum, beispielsweise ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, SnO₂ oder Si₃N₄, insbesondere besteht die Antire flexschicht aus einem Silizium-haltigen Glas, das Li₂O, B₂O₃, F, Na₂O, Al₂O₃, SiO₂, K₂O, Fe₂O₃, Sb₂O₃ und/oder BaO enthält. Die Schichtdicke der Antireflex schicht beträgt vorzugsweise 70 bis 120 nm. Es besteht auch die Möglichkeit, daß eine periodische Änderung der Schichtdicke und/oder chemischen Zusammenset zung sowohl bei der die Strahlung absorbierenden Schicht als auch bei der Antire flexschicht vorliegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ändert sich der solare Absorptionsgrad durch die Änderung der Schichtdicke der Antireflex schicht nicht um mehr als ±2%. Der durchschnittliche Absorptionsgrad, über die gesamte Fläche gemittelt, ist größer als 90%.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die variierende Schicht des Strahlungsenergie-Wandlers durch ein Vakuum-Beschichtungsverfahren, bei spielsweise PVD, PECVD oder CVD, oder durch ein naßchemisches Verfahren auf ein Substrat aufgebracht worden. Geeignete Substrate sind aus einem Metall, wie Kupfer, Aluminium, Molybdän, Silber, Gold, Wolfram, Nickel, Chrom, Zir konium, Titan, Hafnium, Tantal, Niob, Vanadium, Eisen oder deren Legierungen, wie z. B. Edelstahl. Andere geeignete Substrate bestehen aus einer Keramik, Glas, Kunststoff, kohlenstofffaserhaltigen Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen. Be vorzugt besteht das Substrat aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Strahlungse nergie-Wandler als selektiver Absorber ausgebildet. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Absorber-Reflektor-Tandern mit einer zusätzlichen Antireflex schicht.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlungsenergie-Wandlers wird die variierende Schicht mittels eines Vakuum-Beschichtungsverfahrens oder eines naßchemischen Verfahrens auf das Substrat aufgebracht, wobei Vakuum- Beschichtungsverfahren besonders bevorzugt sind. Zweckmäßigerweise handelt es sich hierbei um PVD (physical vapour deposition), CVD (chemical vapour deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) oder Ionen plattieren, insbesondere PVD-Verfahren, wie reaktives Aufdampfen, Sputtern, reaktive Plasmaprozesse, oder das in DE-A-195 06 188 oder WO-A-9 726 488 beschriebene Verfahren. Allgemein wird zur Aufbringung der Schicht auf das Substrat insbesondere wie folgt verfahren: Zunächst einmal wird das Substrat in einer Vakuumkammer positioniert und auf 20 bis 500°C, bevorzugt auf 100 bis 400°C, besonders bevorzugt auf 200 bis 350°C erwärmt. Zur Beschichtung wird in der Kammer mittels Verdampfung, vorzugsweise Elektronenstrahl- Verdampfung, bei einem Vakuum von 10^-5 bis 10^-2 mbar, bevorzugt von 10^-4 bis 10^-2 mbar, besonders bevorzugt von 10^-4 bis 5.10^-3 mbar das Metall oder die Le gierung, wie oben definiert, verdampft. Sollen Metallverbindungen aufgebracht werden, werden zusätzlich entsprechende Prozeßgase, wie Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff-haltige Gase, wie z. B. Kohlendioxid, Methan oder Ethin, in die Vakuumkammer eingeleitet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein reaktives PVD- Verfahren eingesetzt, bei dem wenigstens ein Metall mittels einer Verdampfer quelle verdampft wird. In Abhängigkeit vom Material der variierenden Schicht wird zweckmäßigerweise wenigstens ein Prozeßgas eingeleitet, das mit dem ver dampften Metall auf dem Substrat zu der die variierenden Schicht bildenden Ver bindung reagiert. Zur Erzielung der erfindungsgemäßen Änderung der Dicke und/oder chemischen Zusammensetzung der variierenden Schicht sind verschie dene Vorgehensweisen möglich, die im folgenden näher beschrieben werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Substrat relativ zu wenigstens einer Verdampferquelle bewegt. Dabei wird zwischen wenigstens einer Verdamp ferquelle und dem Substrat wenigstens eine Maske eingebracht, deren geometri sche Anordnung ggf. während des Aufbringungsverfahrens periodisch geändert wird. Bei der Maske kann es sich beispielsweise um eine kamm- oder rechenför mige Maske oder wellenförmige Maske handeln. Fig. 1a zeigt schematisch die Durchführung eines Verfahrens zur Erzeugung eines Streifenmusters über die Änderung der Schichtdicke mittels einer Maske. Hierbei wird durch Einbringen einer kammförmigen Maske (Grundkamm) zwischen die Verdampfer und dem sich mit konstanter Geschwindigkeit darüber hinwegbewegenden, zu beschichten den Band (Substrat) die Länge der Strecke variiert, auf der verdampftes Material auf dem Band kondensiert. Dabei kann die Maske periodisch über die Bandbreite bewegt werden. Bei einer geeigneten Maske liegt die Breite der Zinken und der Abstände dazwischen im Bereich von 1 bis 40 cm, vorzugsweise von 3 bis 9 cm. Wie in Fig. 1b gezeigt, wird dabei die maximale Beschichtungsbreite L₂, auf der ohne Maske Verdampfermaterial auf dem Band kondensieren kann, durch die Maske mit Zinken der Länge L₁ um maximal 60%, vorzugsweise um 1 bis 20% reduziert. Abhängig von der Verdampfungscharakteristik der eingesetzten Ver dampfer wird dadurch die Schichtdicke an den Stellen, an denen die Maske ein wirkt, um den Betrag verkleinert, um die die maximal bedampfbare Strecke redu ziert wird. So zeigt Fig. 1c einen Querschnitt durch ein gemäß Fig. 1a beschich tetes Band, das einen bevorzugten Strahlungsenergie-Wandler mit einer die Strahlung absorbierenden Schicht 1 und einer Antireflexschicht 2 darstellt. Wäh rend die Schicht 1 eine konstante Dicke aufweist, ändert sich die Dicke der Schicht 2 um 1 bis 60%. Abhängig vom Abstand h der Maske zum zu beschich tenden Band kann auch ein fließender Übergang zwischen den Streifen erzeugt werden. Je größer der Abstand ist, desto weicher ist der Übergang. So ändert sich bei dem Strahlungsenergie-Wandler von Fig. 1d die Dicke der Schicht 2 stetig, so daß ein fließender Übergang im Farbeindruck oder in der Helligkeit entsteht. Die ser Effekt kann auch durch die Verwendung einer wellenförmigen Maske erzielt werden, wie in Fig. 1e gezeigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf eine Strahlung absorbierende Schicht als variierende Schicht eine Antireflexschicht aufgebracht, wobei die Maske nur beim Aufbringen dieser Schicht eingeführt wird. Dadurch verschiebt sich die Wellenlänge, bei der die maximale Reflexionsminderung auf tritt, in den kurzwelligeren Bereich, so daß ein anderer Farbeindruck entsteht. Dies wird eingehend in WO-A-9 726 488 beschrieben. Auf diese Weise wird ein Strahlungsenergie-Wandler erzeugt, der für das Auge ein Streifenmuster entlang der Bewegungsrichtung des Substrats zeigt. Beispielsweise lassen sich dadurch bei einem selektiven Absorber Streifen von abwechselnd blau (Reflexionsmini mum bei 600 nm) und hellblau (Reflexionsminimum bei 650 nm) oder zum Bei spiel blau (Reflexionsminimum bei 600 nm) und rotviolett (Reflexionsminimum bei 550 nm) erzeugen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Substrat aus Kup fer oder Aluminium mit einer Dicke von 0,12 bis 0,6 mm, die Absorberschicht besteht aus einer Titancarboxynitrid-Schicht oder Titanoxynitrid-Schicht mit einer Dicke von 30 bis 120 nm und die Antireflexschicht besteht aus SiO₂ mit einer Dicke von 30 bis 200 nm. Dabei wird sowohl die Absorberschicht wie auch die Antireflexschicht im Roll-Coating-Aufdampfverfahren mittels Elektronenstrahl verdampfern bei einer Substrattemperatur zwischen 20°C und 400°C aufgebracht. Der Abstand zwischen Verdampfern und Substrat beträgt zwischen 0,3 m und 0,9 m. Die Länge L₂ des maximalen Beschichtungsbereichs (vgl. Fig. 1b oder 1e) liegt zwischen 0,3 m und 2 m. Das Verhältnis der Zinkenlänge L₁ zur Länge L₂ des Beschichtungsbereichs L₁/L₂ (vgl. Fig. 1b oder 1e) liegt zwischen 10 und 40%. Der Abstand h zwischen Maske und Substrat beträgt zwischen 0,01 m und 0,2 m.

Bei Verwendung einer Maske mit verschieden langen Zinken lassen sich auch Streifen mit mehr als 2 verschiedenen Farben erzeugen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nicht die Schichtdicke der Antireflexschicht, sondern die Schichtdicke der Absorberschicht periodisch vari iert, wie in Fig. 1f gezeigt anhand Schicht 1 (Absorberschicht) und Schicht 2 (Antireflexschicht). Dabei wird die Maske nur beim Aufbringen der Absorber schicht eingeführt: Aus so lassen sich verschiedenfarbige Streifen erzeugen, da das optische System des Reflektor-Absorber-Tandems hier periodisch variiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird sowohl die Schichtdicke der Antireflexschicht als auch der Absorberschicht variiert, wobei die Variation der Schichtdicke auch unterschiedliche Perioden und Phasenlagen aufweisen kann.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die gewünschte Änderung der Schichtdicke und/oder chemischen Zusammensetzung über die geometrische Anordnung von wenigstens zwei Verdampferquellen erreicht, deren geometrische Anordnung ggf. periodisch geändert werden kann. Insbesondere kann auch die Aufdampfrate von wenigstens einem verdampften Metall peri odisch geändert werden. In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Er findung, bei der wenigstens ein Prozeßgas eingeleitet wird, wird die gewünschte Änderung der Schichtdicke und/oder chemischen Zusammensetzung der variie renden Schicht über die geometrische Anordnung von wenigstens zwei Gasdüsen zur Einleitung von Prozeßgasen erreicht, wobei deren geometrische Anordnung ggf. wiederum periodisch geändert werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, daß hier der Gasfluß von wenigstens einem Prozeßgas periodisch geändert wird oder daß bei Einleiten von wenigstens zwei unterschiedlichen Prozeßgasen die Gaszusammensetzung periodisch geändert wird. Auf diese Weise wird eine Ände rung der chemischen Zusammensetzung der variierenden Schicht erzielt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Strah lungsenergie-Wandler mit einem Streifenmuster über periodisch angebrachte Gasdüsen erzeugt wird. Aus Rother/Vetter, Plasma-Beschichtungsverfahren und Hartstoffschichten, S. 188, Leipzig 1992, ist bekannt, daß der Farbeindruck von Titancarbonitridschichten von der Zusammensetzung der Schicht abhängig ist wie folgt:

So wird in Fig. 2 ein Rechen aus Gasdüsen zwischen dem Substrat und den Ver dampfern eingebracht, bei dem abwechselnd aus einer Düse Stickstoff (Gas 1) und aus der nächsten Düse Methan (Gas 2) eingeleitet wird. Es ist auch möglich, unterschiedliche Gasgemische einzuleiten. Dadurch ändert sich die Gasverteilung über dem Substrat periodisch und bei der Reaktion mit dem verdampften Metall entstehen Verbindungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, was bei Draufsicht den Eindruck eines Streifenmusters vermittelt. Hierbei kann z. B. ein Muster aus silbernen und goldenen Streifen erzeugt werden.

Fig. 3a zeigt eine Apparatur zur Herstellung eines Strahlungsenergie-Wandlers mit Karomuster mittels Masken. Wie in Fig. 1a wird auch in Fig. 3a eine kamm förmige Maske verwendet. Zusätzlich dazu werden senkrecht zu den Zinken des Kammes Metallstreifen mit derselben Geschwindigkeit wie das zu beschichtende Band (Substrat) bewegt. Auf dem Rückweg der Metallstreifen klappen diese durch die Schwerkraft nach unten, so daß sie die Bedampfung nicht beeinflussen. Daher bezeichnet man dieses Bauteil auch als Klappkamm. Ist der Weg der Me tallstreifen gleich dem der Länge des Zinken des Kamms, so entsteht ein Karomu ster mit nur zwei Farbschattierungen, vgl. Fig. 3b. Ist der Weg dagegen ungleich dem der Zinken des Kamms, so entsteht ein Muster mit drei verschiedenen Far beindrücken. Mit Hilfe eines Klappkammes ist es auch möglich, beliebige Muster auf das Substrat aufzubringen, wie z. B. Schriftzüge. Dabei wird in die Klappen eine Öffnung in Form des gewünschten Musters eingebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt als In-Line- oder Roll-Coating- Verfahren durchgeführt.

Die erfindungsgemäßen Strahlungsenergie-Wandler finden Verwendung in Son nenkollektoren und/oder als dekorative Schicht. Insbesondere eignen sie sich in Sonnenkollektoren, beispielsweise als Dach- und Fassadenverkleidungen für Häu ser und andere Bauobjekte, insbesondere Hochhäuser und Bürohäuser. Der erfin dungsgemäße Strahlungsenergie-Wandler kann auch in ein Fensterelement inte griert sein, das aneinandergereiht oder flächig kombiniert werden können. Auch auf öffentlichen Plätzen oder in Schwimmbädern kann er eingesetzt werden. Hier bei wird der gewünschte dekorative Effekt mit gleichzeitiger Energiegewinnung kombiniert. Der erfindungsgemäße Strahlungsenergie-Wandler ist natürlich in jeder Art von Kollektoren einsetzbar, insbesondere für Vakuum-, Flach- oder Röhrenkollektoren.

Anders als bei der CH-Patentschrift 581 812, bei der Erhöhungen im Substrat vorliegen, handelt es sich erfindungsgemäß um Änderungen in der Dicke oder Zusammensetzung einer Schicht, also - im Sinne der CH 581 812 - um Änderun gen in der Dicke oder chemischen Zusammensetzung einer Schicht der sonnenbe strahlbaren Kollektorfläche.

Claims

1. Gemusterter Strahlungsenergie-Wandler zur Umwandlung von Strah lungsenergie in Wärmeenergie, der ein Substrat aufweist, das mit einer oder mehreren Schichten wenigstens teilweise überzogen ist, von denen wenigstens eine als Strahlung absorbierende Schicht ausgebildet ist, da durch gekennzeichnet, daß sich die Dicke und/oder die chemische Zu sammensetzung von wenigstens einer der Schichten parallel zur Oberflä che des Substrats periodisch ändert.

2. Strahlungsenergie-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke und/oder chemische Zusammensetzung der wenig stens einen Schicht in einem periodischen Abstand im Bereich von 1 bis 40 cm ändert.

3. Strahlungsenergie-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß er an jeden Punkt seiner Oberfläche bezüglich Schicht dicke und chemischer Zusammensetzung gleich ist wie am Punkt ' mit
' = + n₁ ₁ + ₁ + n₂ ₂ + ₂,
wobei ₁ und ₂ fundamentale Translationsvektoren sind, ₁ und ₂ Dif ferenzvektoren sind, und n₁ und n₂ beliebige ganze Zahlen sind, wobei gilt:
||/|| ≦ 25%.

4. Strahlungsenergie-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der wenigstens einen Schicht um eine Antireflexschicht handelt.

5. Strahlungsenergie-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflexschicht aus einem Silizium-haltigen Glas, Siliziumdi oxid oder einem Dielektrikum ausgewählt aus ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, SnO₂ oder Si₃N₄ besteht, insbesondere aus einem Silizium- haltigen Glas, das Li₂O, B₂O₃, F, Na₂O, Al₂O₃, SiO₂, K₂O, Fe₂O₃, Sb₂O₃ und/oder BaO enthält.

6. Strahlungsenergie-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der wenigstens einen Schicht um eine Strahlung absorbierende Schicht handelt.

7. Strahlungsenergie-Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlung absorbierende Schicht eine Verbindung zwischen einem oder mehreren Metallen der Nebengruppenelemente des Perioden systems mit Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthält, insbesondere daß sie Titanoxycarbonitrid oder Titanoxynitrid aufweist.

8. Strahlungsenergie-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Dicke der wenigstens ei nen Schicht im Bereich von 10 bis 10000 nm liegt, wobei für die periodi sche Änderung die Abweichung vom Mittelwert im Bereich von (±) 1 bis 60% liegt.

9. Strahlungsenergie-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Schichten durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren oder naßchemisches Verfahren auf das Substrat aufgebracht worden sind.

10. Strahlungsenergie-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Metall, einer Metallegierung, einer Keramik, Glas, Kunststoff, einem kohlenstofffaserhaltigen Werkstoff oder einem Verbundwerkstoff besteht.

11. Strahlungsenergie-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als selektiver Absorber ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsenergie-Wandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schichten, von denen wenigstens eine als Strahlung absorbie rende Schicht ausgebildet wird, mittels eines Vakuumbeschichtungsver fahrens oder naßchemischen Verfahrens derart auf ein Substrat aufge bracht werden, daß sich die Schichtdicke und/oder die chemische Zu sammensetzung von wenigstens einer der Schichten parallel zur Oberflä che des Substrats periodisch ändert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Vakuum beschichtungsverfahren ein reaktives PVD-Verfahren eingesetzt wird, bei dem wenigstens ein Metall mittels einer Verdampferquelle verdampft wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat relativ zu wenigstens einer der Verdampferquellen bewegt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen wenigstens einer der Verdampferquellen und dem Substrat wenig stens eine Maske eingebracht wird, deren geometrische Anordnung ggf. periodisch geändert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Änderung der Schichtdicke und/oder chemischen Zu sammensetzung über die geometrische Anordnung von wenigstens zwei Verdampferquellen erreicht wird, deren geometrische Anordnung ggf. periodisch geändert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfrate von wenigstens einem verdampften Metall peri odisch geändert wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Prozeßgas eingeleitet wird, das mit dem verdampften Metall auf dem Substrat zu der die Schicht bildenden Verbindung rea giert, wobei die periodische Änderung der Schichtdicke und/oder chemi schen Zusammensetzung über die geometrische Anordnung von wenig stens zwei Gasdüsen zur Einleitung von Prozeßgasen erreicht wird, deren geometrische Anordnung ggf. periodisch geändert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Prozeßgas eingeleitet wird, das mit dem verdampften Metall auf dem Substrat zu der die Schicht bildenden Verbindung rea giert, wobei der Gasfluß von wenigstens einem Prozeßgas periodisch ge ändert wird oder daß bei Einleitung von wenigstens zwei unterschiedli chen Prozeßgasen die Gaszusammensetzung periodisch geändert wird.

20. Verwendung eines Strahlungsenergie-Wandlers nach einem der Ansprü che 1 bis 11 oder hergestellt gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, in einem Sonnenkollektor und/oder als dekorative Schicht.