Optimierung der Gasflusssputter-Technik für die Abscheidung von Solarabsorberschichten

Aktenzeichen 25056/01
Zusammenfassung / Abstract: Dateigröße: 0.05 MB | Zuletzt geändert: 11.08.2009
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Projektträger: Almeco-TiNOX GmbH Entwicklung und Produktion solarer Energiesysteme
Triebstr. 3
80993 München
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Telefon: 089 / 14 72 96 26
Internet: -
Bundesland: Bayern
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Motivation des Vorhabens: Bisher für die industrielle Abscheidung von Absorberschichten auf Metallbändern eingesetzte Abscheidungsverfahren besitzen neben ihren spezifischen Vorteilen Nachteile, die nur mit großem regelungstechnischem Aufwand reduziert werden können. Eine Weiterentwicklung dieser Verfahren wird daher nur noch zu einer geringen Kostenreduktion führen. Außerdem ist es mit diesen Verfahren schwierig, neue komplexe Schichtsysteme abzuscheiden, die bei gleichen oder besseren optischen Kennwerten wie von derzeit kommerziell verfügbaren Absorberschichten temperatur- und korrosionsstabiler sind.
Ziel des Projektes ist es, die Hochrate Gasflusssputtertechnik (GFS) - ein neues innovatives Beschichtungsverfahren, das am Fraunhofer-Institut in Braunschweig entwickelt wurde - für die Abscheidung von selektiven Solarabsorberschichten einzusetzen und so weiterzuentwickeln, dass mit dieser Technik in einer industriellen Bandbeschichtungsanlage Bänder mit einer Breite von 1250 mm beschichtet werden können. Ebenso ist die Ermittlung und Reduktion des Energiebedarfs und des Bedarfs an Prozessmate-rial für die Beschichtung ein wichtiger Aspekt des Projektes.
Damit soll die wirtschaftliche industrielle Produktion von neuartigen selektiven Absorberschichten ermöglicht werden, die bei gleichen oder besseren optischen Kennwerten, deutlich temperatur- und korrosionsstabiler wie heute kommerziell verfügbare Schichten sind.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDurch die Förderung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Aktenzeichen 25056) war der Aufbau einer Versuchs-Bandbeschichtungsanlage möglich, die mit zwei 250 mm breiten Gasflusssputterquellen (GFS - Quellen) vom Fraunhoferinstitut Braunschweig (Arbeitsgruppe Dr. Jung) ausgestattet wurde. In dieser wurde die GFS-Technologie erstmals für die Abscheidung von selektiven Solarabsorberschichten auf Metallbändern eingesetzt.
In der Versuchsanlage wurden zunächst die optimalen Prozessparameter zur Erzielung einer maximalen Abscheiderate ermittelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Abscheidungsrate entscheidend durch die Strömungsverhältnisse innerhalb und außerhalb der GFS-Quellen beeinflusst wird. Daher wurden die Strömungsverhältnisse durch Umbau einzelner Komponenten optimiert. Dadurch konnte auch die Homogenität der Beschichtung verbessert werden. Derzeit kann ein etwa 200 mm breiter Streifen mit einer Homogenität von ±3% beschichtet werden.


Ergebnisse und Diskussion

Durch diese Maßnahmen war es möglich, eine dynamische Abscheidungsrate von TiO2 von 90 nmm/min zu erreichen. Mit Magnetronsputtertechnologie ist maximal eine dynamische Rate von 30 - 40 nmm/min für TiO2 erzielbar.
Um gut haftende Schichten zu erhalten, wurden zwei Methoden zur Plasmareiniung der Metallbandober-fläche erfolgreich getestet: Plasmareinigung mittels klassischer Plasmabox und GFS-Quellen unterstützte Plasmareinigung.
Im Folgenden wurden Versuche durchgeführt, die klassische TiNOX Beschichtung mittels GFS-Technologie abzuscheiden. Dabei konnte gezeigt werden, dass selektive Absorberschichten bei Sub-strattemperaturen von weit unter 100°C mit ähnlichen Eigenschaften wie mit Elektronenstrahltechnologie abgeschieden werden können. Nach anschließendem Aufbringen einer Antireflexschicht aus SiO2 oder Al2O3 konnten Absorberschichten mit einem solaren Absorptionsgrad von 94% und einem thermischen Emissionsgrad von 5% hergestellt werden.
Um den Betrieb in einer industriellen Beschichtungsanlage zu simulieren, wurden durch gleichzeitigen Betrieb von zwei Quellen verschiedene Betriebszustände simuliert: Durch hintereinander Schalten von zwei mit Titantargets bestückten Quellen, konnte die Abscheidungsgeschwindigkeit der TiNxCyOz Absor-berschicht nahezu verdoppelt werden. Ebenso wurden mit dieser Methode gradierte Absorberschichten hergestellt, indem beide Quellen mit unterschiedlichen Reaktivgasflüssen betrieben wurden.
Auch durch simultane Abscheidung mittels zwei hintereinander geschalteten GFS-Quellen - wobei mit der einen Quelle eine TiNxCyOz Absorberschicht und mit der andern eine Al2O3 Antireflexschicht reaktiv abgeschieden wurde - konnten bereits gute selektive Absorberschichten mit einem Absorptionsgrad von 93,5% und Emissionsgrad von 5% hergestellt werden. Bei all diesen Versuchen zeigte sich, dass sich die Quellen nur wenig gegenseitig beeinflussen, was die Konstruktion einer Produktionsanlage einfacher und kostengünstiger macht.


Fazit

Mit Hilfe der mit Förderung der DBU aufgebauten Bandbeschichtungsanlage konnte gezeigt werden, dass die GFS-Technik geeignet ist, selektive Absorberschichten mit guten optischen Kennwerten und guter Stabilität auf Metallbändern abzuscheiden. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass die Schichten schon bei Substrattemperaturen weit unter 100°C abgeschieden werden können! Damit ist das Arbeitsziel, die für die Abscheidung nötige Substrattemperatur auf einen Wert deutlich unter 150°C zu reduzie-ren, eindeutig erreicht. Die Beschichtung von temperaturempfindlichen Substraten auf Kunststoffbasis ist somit möglich.
Durch die unternommenen Versuche konnte gezeigt werden, dass die GFS-Technologie grundsätzlich für den Einsatz in einer industriellen Bandbeschichtungsanlage geeignet ist. Allerdings haben die Versuche auch gezeigt, dass die Gasströmung in den Quellen und zwischen Quellenmündung und Band noch weiter optimiert werden müssen, um einen problemlosen Betrieb in einer industriellen Beschichtungsanlage gewährleisten zu können. Insbesondere muss die Quellenmündung und die Targetkühlung noch optimiert werden, um einen Dauerbetrieb in einer industriellen Beschichtungsanlage zu ermöglichen.
Daher wird ein Folgeprojekt vorgeschlagen, in dem eine GFS-Quelle für die Beschichtung von 1250 mm breiten Metallbändern entwickelt wird. Dabei soll insbesondere die Gasströmung und die Quellenmün-dung optimiert werden. Vorversuche dazu können in der Versuchsanlage durchgeführt werden. Außer-dem sollen Strömungssimulationen vorgenommen werden, um die optimale Strömungsführung für eine Produktionsanlage zu finden. Die so entwickelte Quelle soll dann in einer Produktionsanlage eingebaut, getestet und optimiert werden.
Damit soll die Herstellung von neuartigen selektiven Absorberschichten in einer industriellen Produktionsanlage ermöglicht werden, die bei gleichen oder besseren optischen Kennwerten, deutlich temperatur- und korrosionsstabiler wie heute kommerziell verfügbare Schichten sind. Im Rahmen eines BMBF- Projektes sollen im Anschluss an dieses Projekt verschiedene dieser Schichtsysteme [Ken02] [Eis99] in der GFS-Versuchsanlage abgeschieden und bewertet werden.

Förderzeitraum: 14.11.2006 - 14.09.2007 (10 Monate)
Fördersumme: 56.222,00
Förderbereich: I.1.2
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umweltforschung, Klimaschutz, Umwelttechnik, Ressourcenschonung
Publikationen:
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