Оптимизация оптических параметров и расчет спектральных характеристик, в частности коэффициентов отражения металлов с тонкослойными покрытиями, необходимы для успешного экс­периментального получения селективного покрытия на коллек­торной поверхности тепловых преобразователей, которая обычно выполняется из хорошо проводящих тепло меди или алюминия (например, в случае солнечных термоэлектрогенераторов). Как будет показано в главе 3, очень эффективным является нанесе­ние поверх меди или алюминия полупрозрачной, частично по­глощающей пленки никеля, ибо дальнейшее снижение отражения в области солнечного спектра значительно легче осуществить от пленки никеля, чем от чистой поверхности меди или алюминия. Однако для выбора оптимальной толщины пленки никеля, сни­жающей отражение от меди пли алюминия в области солнечного спектра и одновременно позволяющей сохранить их высокое отражение в инфракрасной области, полезно провести расчет оптических параметров такой двухслойной системы для ряда значений толщины пленки никеля, хотя (см. главу 3) возможен и экспериментальный выбор оптимальной толщины пленки.

Серьезным препятствием для проведения такого расчета слу­жило отсутствие в литературе сведений об оптических констан­тах (показателе преломления п и показателе поглощения к) пленок никеля разной толщины во всем интересующем нас спек­тральном диапазоне от 0,2 до 30 мкм. Вследствие этого расчет был проведен при тех значениях к, для которых известны опти­ческие константы никеля, в частности при к — 0,59 .мкм (п = = 1,79, к = 1,86 [42]), к = 0,95 мкм (п = 2,6, к — 4,1), к = — 3,0 мкм (п = 3,55, к = 7,6), к = 6,0 мкм (п = 5,3, к = 13,9), к — 7,0 мкм (п = 6,05, к = 15,9), к = 10,25 мкм (п = 8,65, к = = 22,0 [43]). При тех же значениях к были измерены оптические константы сравнительно толстых слоев никеля (1—2 мкм). Из­вестно, что оптические константы пленок могут заметно изме­няться с уменьшением толщины, что может быть связано с из­менением электрических свойств (уменьшение длины свободного пробега носителей заряда из-за рассеяния на границах пленки) и влиянием структурных дефектов (увеличение количества пор). В связи с этим с помощью метода, описанного в работе [441, и специально построенных графиков зависимости коэффициентов отражения и пропускания поглощающих пленок, нанесенных на стекло, от их толщины были определены оптические константы пленок никеля, использованных для создания покрытий, и вы­полнено сравнение полученных данных с константами, взятыми из работ [42, 43] при проведении расчетов. Оптические константы массивных меди и алюминия были взяты из [41].

Результаты расчетов по формуле (1.28) сведены в табл. 1.6, из которой видно, что пленка никеля толщиной 100—400 А, нанесенная на медь или алюминий, резко усиливает селективность

оптических свойств поверхности в необходимом нам направлении. Отражение в области солнечного спектра значительно уменьшается после нанесения пленки никеля, оставаясь по-прежнему высоким в инфракрасной области спектра (для К у> Змкм). При I > 300 А пленка никеля начинает заметно поглощать излучение, и в этом спектральном интервале В падает, что должно привести к воз­растанию Є.

Таким образом, из проведенного расчета видно, что для со­хранения е поверхности коллектора на низком исходном уровне, характерном для меди или алюминия, и одновременного увели­чения поглощения в области солнечного спектра толщина слоя никеля в покрытии не должна превышать 300—400 А. Достаточно ли такого слоя для защиты поверхности от окисления и корро­зии — могли решить только лабораторные и натурные испыта­ния, методика и результаты которых описываются в главе 3.

Расчет параметров многослойного селективного покрытия
на металлической коллекторной, поверхности

Снижения отражения в области солнечного спектра, достигае­мого с помощью однослойного покрытия из никеля (см. табл. 1.6), явно недостаточно для получения значений интегрального коэффициента поглощения солнечной радиации ас 0,9. Поверх пленки никеля необходимо нанести дополнительное селективное покрытие, например, состоящее из двух диэлектрических и од­ного металлического слоев. Вместо пленок SiO, предложенных для этой цели [41, 45), частично поглощающих в инфракрасной области спектра, особенно в области 9—10 мкм, и изменяющих свои оптические свойства при длительном облучении ультрафио­летовым излучением [46], целесообразнее использовать стабиль­ные и прозрачные в спектральном интервале 0,2—30 мкм пленки Si02, получаемые испарением в вакууме с помощью электронно­лучевого нагрева. Оптическая толщина каждой из пленок Si02 должна составлять Х/4 в области, соответствующей максимальной плотности потока фотонов в спектре Солнца, т. е. 0,5—0,6 мкм. Отсюда оптическая толщина пленок Si02 должна быть 0,12— 0,15 мкм, а геометрическая — 800—1000 А, учитывая, что nSl0a = = 1,45. В связи с тем, что медь или алюминий должны быть предварительно покрыты слоем никеля, то и для полупрозрачного слоя трехслойного покрытия выгодно и технологически удобно выбрать пленку никеля. Следует учитывать, однако, что суммар­ная толщина обоих слоев не должна превышать 300—400 А. Это означает, что толщина каждого слоя никеля должна быть не более 100—200 А. Такое четырехслойное пленочное покрытие должно выглядеть следующим образом: подложка из полиро­ванной меди или алюминия—пленка Ni (/4 = 150—200 А)—плен­

ка Si02 (1Э = 800—1000 А)—пленка Ni (/2 = 150—200 А)—плен­ка Si02 (Z4 = 800-1000 А).

Окончательный вывод об эффективности данной (или любой другой) оптической схемы многослойного покрытия можно сде­лать только после расчета коэффициентов отражения поверхно­сти коллектора с такими покрытиями в широком спектральном интервале.

Расчет был проведен по рекуррентным формулам, приведен­ным в 1.1, 1.2. В рассматриваемом случае расчет усложнился из-за того, что в пленочном черно-белом покрытии имеются че­тыре слоя, два из которых являются поглощающими. Это озна­чает, что показатель преломления и фазовая толщина этих слоев должны быть записаны в комплексном виде.

Использованные для расчета формулы выглядят так:

где пь— ікь— комплексный показатель преломления металлической подложки.

Расчет коэффициента отражения поверхности меди и алюми­ния с четырехслойным покрытием был проведен для тех значе­ний X, для которых имелись литературные данные об оптических константах пленок никеля. Показатель преломления пленки Si02 был принят равным 1,45 для всех рассматриваемых значений к.

В результате расчета для выбранного в качестве примера четырехслойного черно-белого покрытия Si02 (li= 750 А) —Ni (Z2 = 150 A)—Si02 (Z3 = 1000 A)—Ni (Z4 — 150 А) на меди для значений длины волны 0,6; 1,0; 3,0; 7,0 и 10,25 мкм получены коэффициенты отражения 11,1; 21,4; 71,1; 84,4 и 93,3% соот­ветственно.

Таким образом, данная четырехслойная пленочная система позволяет получить поверхность коллектора, резко селективную по своим оптическим свойствам.

С помощью метода, изложенного в работе Г44], были экспе­риментально определены оптические константы пленок никеля с теми значениями толщины, которые использовались в расчетах. Они оказались отличными от тех, которые имеются в литературе для толстых пленок, но их использование в расчетах не привело к значительному изменению спектрального коэффициента отра­жения многослойного покрытия.

Эксперимент, результаты которого будут приведены в главе 3, позволил на практике получить покрытия, характеристики ко­торых подтвердили справедливость расчетных данных.

1.6.