В трубчатых вакуумированных коллекторах целесообразно йсполь — зовать покрытия с большим отношением ас/е, причем коррозионная устойчивость покрытий в этом случае не имеет значения.

Подобные покрытия позволяют также проводить отжиг радиа­ционных дефектов солнечных батарей или нагрев материалов в ва­кууме за счет солнечного излучения [323]. При высоком отношении а с/е покрытий температура металлических пластин или трубок, за­ключенных в прозрачные вакуумированные оболочки, может дости­гать нескольких сотен градусов Цельсия даже без применения кон­центраторов солнечного излучения.

Для трубчатых вакуумированных коллекторов наиболее перспек­тивны следующие методы получения селективных покрытий:

вакуумное осаждение чередующихся диэлектрических и полу­прозрачных металлических пленок;

электрохимическое осаждение черных слоев; одновременное испарение в вакууме диэлектрика и металла (или заранее приготовленной их смеси) с целью создания металлокерами­ческих пленок.

Перед началом экспериментальных исследований в этой области необходимо решить вопрос об оптимизации селективных покрытий, чтобы оценить, какие максимальные значения отношения ас/є мо­гут быть получены при использовании данных методов создания покрытий.

Расчеты оптических характеристик многослойных структур про­водились с помощью ЭВМ М-4030 [324, 325]. Для всех рассматри­вавшихся моделей селективных покрытий определялся спектраль­ный коэффициент отражения R(k) (по методикам, приводимым в

работах [23, 292—295]) в диапазоне длин волн 0,3—50 мкм. С ис­пользованием спектральных’зависимостей R(k) по методу дефор­мированной шкалы К [23, 46] рассчитывались ас для внеатмосфер­ного солнечного излучения (условия АМО) и на поверхности Зем­ли (условия АМ2), коэффициент излучения по нормали е„ при 27— 500° С и соответствующие значения ас/вп. Параметры покрытий (тип материала, толщина слоев) оптимизировались по значению отноше­ния aJen. У экспериментальных покрытий измерялся также коэф­фициент излучения в полусферу Вн. Расчетные данные могут быть ■скорректированы с учетом соотношения е*/е«=1,25-И,30 [46].

Вакуумные селективные покрытия. В качестве материалов для подложки рассмотрены серебро, алюминий, медь и никель. Данные по оптическим константам толстых (порядка 0,1 мкм) металличе­ских пленок взяты для алюминия и серебра из статьи [46], для меди из публикаций [46, 294, 326], для никеля из работ [326, 327]. Оптические характеристики этих металлов обладают следую­щими особенностями: серебро и медь имеют наиболее низкие, ни­кель — наиболее высокие ас и е„. Это определяет характер чередо­вания металлических слоев в многослойных оптических системах. Наиболее предпочтительные материалы для использования в качест­ве подложек — серебро, медь, а также алюминий, в то время как для создания промежуточных слоев можно использовать никель.

Были рассчитаны оптические характеристики систем, включаю­щих одно-, двух, трех — и четырехслойные тонкопленочные покры­тия, которые состояли только из диэлектрических прозрачных слоев или представляли собой комбинацию прозрачных и частично погло­щающих тонких металлических пленок. Из большого количества ди­электрических материалов выбраны двуокись кремния (показатель преломления п=1,45), двуокись алюминия (тг=1,7) и сульфид цин­ка (п—2,3). Известно, что оптические константы тонких (50—200 А) металлических пленок значительно изменяются с уменьшением тол­щины, причем их показатель преломления, как правило, возрастает и они приобретают полупроводниковые свойства [293, 294]. Однако данные по оптическим константам тонких металлических пленок приводятся в литературе лишь для некоторых значений толщины пленок и длины волны или в узком спектральном интервале, поэто­му при расчетах пришлось воспользоваться оптическими констан­тами толстых напыленных металлических пленок.

Результаты расчетов показывают, что прозрачные диэлектриче­ские покрытия (даже многослойные) не обеспечивают эффективного просветления поверхности металла в области солнечного спектра. В состав покрытия надо включать частично поглощающие слои (на­пример, никеля), поэтому необходимо использовать диэлектрический материал с наиболее высоким показателем преломления, чтобы обе­спечить повышенные значения ас. В качестве такого материала выбран сернистый цинк (гс*=2,3), который обладает большей про — зрачностыо в инфракрасной области спектра, чем, например, дву­окись кремния.

В табл. 3.3 представлены максимальные значения ас/е„ (назем­ный солнечный спектр, характерный для условий АМ2, при темпе­ратуре 100° С), которые по расчетам обеспечивают четырехслойные покрытия никель—сульфид цинка—никель—сульфид цинка на ме­таллических подложках из серебра, меди и алюминия.

Таблица 3.3 Расчетные значения максимального отношения «с/еп для четырехелойных покрытий на металлической подложке Подложка Оптимальная толщина слоя, А <xc/8n (AM2, 100° С) Ni ZnS Ni ZnS без покрытия с покрытием Ag 50 200 50 300 2,065 44,599 Си 50 200 50 300 11,088 38,352 А1 150 2Q0 50 300 4,923 27,648

Электрохимические покрытия. Зависимость показателей прелом­ления и поглощения пленок черного никеля от плотности тока, при которой проводится процесс электрохимического осаждения [328], открывает возможность получения разнообразных по оптическим свойствам селективных покрытий, состоящих, например, из чере­дующихся слоев интерференционной толщины с высоким и низким показателями преломления. Слоистая структура такого покрытия может быть получена изменением по заранее заданной программе плотности тока при проведении процесса осаждения; увеличение плотности тока приводит к уменьшению показателя преломления. Возможно также плавное изменение химического состава и струк­туры покрытия по толщине и постепенное снижение показателей преломления и поглощения в направлении от подложки к поверх­ности.

В качестве материала подложки рассматривались медь и никель, которые могут предварительно электролитически осаждаться на полированную коллекторную поверхность из алюминия или стали [324, 325, 329]. Никель обладает более высоким по сравнению с медью исходным значением степени черноты, однако интересно также оценить оптические характеристики селективных покрытий, нанесенных на подложки из никеля, поскольку он является корро­зионно-стойким материалом и покрытия на его основе должны об­ладать большей стабильностью. Кроме того, никель имеет более низкий коэффициент отражения в области солнечного спектра и, следовательно, повышенную поглощательную способность ас, что важно при создании покрытий для невакуумированных тепловых коллекторов.

Оптические константы п и к пленок черного никеля [328] счи­тались постоянными в широком спектральном диапазоне 0,3—20 мкм. При создании однослойных покрытий наиболее высокие значения ас/є„ могут быть получены при /1=1,77 и &=0,43, которые соответ­ствуют наиболее высоким допустимым значениям плотности тока при проведении процесса осаждения. Максимальное отношение ас/еп при 100° С достигается при толщине слоя черного никеля 2=900 А и в условиях АМ2 равно 13,31 для никелевой подложки и 56,94 для подложки из меди. В условиях АМ0 соответствующие значе­ния ас/еп несколько снижаются и составляют 12,88 и 54,81.

Для двухслойных электрохимических покрытий оптимальное со­четание оптических констант черного никеля /іі=1,77, &і=0,43 и п2=2,07, &2=0,98 получается, когда внешний слой покрытия имеет наименьшее, а внутренний слой — наибольшее из реально достижи­мых значений показателя преломления. Максимальные значения ас/в„ У таких покрытий, однако, лишь незначительно выше, чем у оптимальных однослойных покрытий: при 100° С в условиях АМ2 для двухслойного покрытия на подложке из никеля ас/еп= 13,34 (2і=700 А, 22=200 А), а для двухслойного покрытия на подложке из меди ас/е„=58,61 (2t=600 A, 22=300 А). Результаты оптимизации трехслойных электрохимических покрытий показали, что такие по­крытия не являются более эффективными по сравнению с двух­слойными.

Расчетные зависимости отражательной способности подложек из никеля и меди с одно — и двухслойными электрохимическими покры­тиями с оптимизированными параметрами представлены на рис. 3.11.

Металлокерамические покрытия. Аналогичные расчеты оптиче­ских характеристик проводились для структур с покрытиями из кер- метных пленок, полученных совместным испарением в глубоком вакууме металла и диэлектрика из двух источников или из таблетки, изготовленной прессованием порошка — смеси металла и диэлектри­ка (с использованием в этом случае одного электроннолучевого или термического испарителя). Предполагалось, что тг=1,77 во всем диа­пазоне спектра 0,3—20 мкм, в то время как к=0,43 при А<3,0 мкм и 2с=0,10 или 0,05 при Я>3,0 мкм. Эти значения оптических кон­стант близки к значениям, опубликованным для керметных пленок из смесей никеля и окиси магния или никеля и двуокиси крем­ния [330].

Расчетные зависимости отношения ас/еп от толщины покрытий на медной подложке представлены на рис. 3.12. Для вакуумного покрытия (кривая 1) со структурой сульфид цинка—никель—медь мак­симальные значения ас/е„ приведены в зависимости от общей тол­щины покрытия 2 (при 2=500 А толщина слоя никеля 22—130 А, при 2=1200 А, 22^170 А).

Более сложные вакуумные покрытия, например сульфид цинка— никель—сульфид цинка—никель—медь, позволяют лишь незначи­тельно повысить отношение ас/е„ —с 37,3 до 38,4.

Рис. 3.11. Спектральные зависимости коэффициента отражения полированной поверхности меди (а) и никеля (б) с электрохимическими покрытиями из черного никеля

1, Ґ — до просветления; 2, 2′ — однослойное покрытие (пі=1,77; fti=0,43 Z,=900 А); З, 3’ — двухслойное покрытие («1=1,77, fci=0,43, /1=600-5-700 A; nj=2,07, fc,=0,98, Z2=200-r300 A)

Рис. 3.12. Расчетные зависимости отношения otc/Єп для наземного сол­нечного спектра (условия АМ2) при температуре коллектора 100° С от толщины селективных покрытий трех типов

1 — ZnS—N1—Си;

2 — черный никель — Си;

3,4 — керметная пленка — Си при разных значениях показателя поглощения (fc=0,10 и 0,05 соответственно)

В отличие от электрохимических покрытий из черного никеля (кривая 2) керметные пленки при Я>3 мкм имеют существенно меньший показатель поглощения: &=0,10 (кривая 3) и /с=0,05 (кривая 4), что и обусловило более высокие значения ас/еп кермет- ных покрытий, особенно при большой толщине.

Изменением режима электрохимического осаждения можно до­биться для покрытий из черного никеля более благоприятных спек­тральных зависимостей пик, аналогичных полученным для кер — метных покрытий [321].

Проведенные расчеты позволяют сделать два важных практиче­ских вывода:

с помощью изученных методов создания селективных покрытий возможно получение селективных поверхностей с большими значе­ниями отношения ссс/е;

электрохимические и металлокерамические покрытия, представ­ляющие собой структуры из мелких, равномерно распределенных в прозрачной диэлектрической матрице поглощающих частиц метал —

па, обладают лучшей селективностью оптических свойств и позво­ляют достичь значительно более высоких значений отношения ас/е (при большей общей толщине покрытий), чем вакуумные покрытия из чередующихся слоев диэлектрика и полупрозрачного металла.

Эксперимент подтвердил результаты расчета. Для покрытий всех рассмотренных типов удалось получить ас>0,9, однако лишь при нанесении керметных и электрохимических покрытий коэффициент излучения подложки не изменялся, оставаясь, например, для кол­лектора из полированной меди на уровне 0,02—0,03, что говорит о реальной возможности достижения значений ас/еп=30-^40 для поглощающих поверхностей трубчатых вакуумированных коллекто­ров. Электрохимические покрытия на основе двухслойных структур из черного никеля [329] обладают, как показали испытания, доста­точно высокой свето — и термостойкостью, если их осаждение ведет­ся не из сернокислых электролитов, как это обычно принято, а из ванн, содержащих хлориды никеля и цинка.