Основной вопрос при разработке теплиц, парников, опреснителей и гелионагревателей различного назначения — обеспечить макси­мальное пропускание в эти сооружения падающего солнечного излучения и вместе с тем наилучшую тепловую изоляцию. Соз­дание селективной прозрачной изоляции является также необ­ходимым и важным этапом в разработке высокоэффективных ком­бинированных преобразователей солнечной энергии.

Значительная часть тепловых потерь в гелиоустановках проис­ходит за счет излучения [103, 104]. Прозрачная изоляция гелио­установок, снижая в некоторой степени пропускание солнечного излучения, является тепловым экраном, уменьшающим конвектив­ные потери и теплопотери излучением. Если в качестве прозрач­ной изоляции используется стекло, прозрачное для солнечного излучения, то оно поглощает длинноволновое излучение приемни­ка, нагревается и излучает в атмосферу и к приемнику. При этом потери излучением уменьшаются не более чем в два раза [176]. Если же применяется полиэтиленовая пленка, которая почти прозрачна для инфракрасных лучей, теплопотери излучением сни­жаются незначительно.

Для улучшения свойств прозрачной изоляции предложено ис­пользовать стекло с прозрачной электропроводящей пленкой Sll02 на внутренней поверхности стекла, обращенной к приемной по­верхности [74, 177].

Анализ теплового баланса [178, 179] показывает, что эффектив­ность гелиоустановок в случае применения селективной прозрач­ной изоляции повышается. Прозрачность стекол с пленкой Sn02 в видимой области достигает почти 70%, коэффициент отражения в длинноволновой инфракрасной области также составляет 70%. Интегральный коэффициент пропускания Тс внеатмосферного сол­нечного излучения для образцов из промышленного листового стекла с пленкой Sn02, как показал расчет по спектральным дан­ным работы [177], колеблется в пределах 0,52—0,55, при этом є — 0,30 — г — 0,32. Относительно невысокая величина Т0 объяс­няется поглощением солнечного излучения в пленке Sn02 и отра­жением от нее. Весьма желательно увеличить пропускание в об­ласти солнечного спектра 0,2 — 2,5 мкм и вместе с тем снизить интегральный коэффициент излучения. Нанесением на пленки Sn02 просветляющих интерференционных пленок, например Si02 [180], можно снизить потери на отражение, увеличивая Тс на 5—6%, не изменяя практически є.

Технология получения окисных пленок Sn02 такова, что они не могут быть нанесены на полимерные пленки. Как известно, технологический процесс образования пленок Sn02 идет при высокой температуре (500—600° С) на поверхности покрыва­емого стекла [181]. В связи с этим возникла задача получения новых, более эффективных селективных покрытий для прозрачной изоляции гелиоустановок, наносимых при температуре, близкой к комнатной, на любые прозрачные материалы, в том числе и полимерные.

Эту задачу удалось решить, используя то обстоятельство, что полупрозрачные пленки некоторых металлов, например золота, серебра, алюминия, меди и в меньшей мере никеля, хрома, железа, титана, обладают селективным оптическим пропусканием в обла­сти солнечного спектра [182]: пропускают коротковолновую часть (0,4—1,0 мкм) и отражают длинноволновую (1,0—2,5 мкм). В спектральной области собственного теплового излучения (к > >2,5 мкм) эти пленки, несмотря на малую толщину, обладают большим коэффициентом отражения благодаря высокой концен­трации носителей заряда. Подняв пропускание такой пленки в обла­сти солнечного спектра и не уменьшая отражения в области теп­лового излучения, можно получить необходимую светопрозрачную и в то же время теплоотражающую изоляцию.

Исследования проведены в следующих направлениях: 1) вы­браны металлические слои с наибольшей селективностью оптиче­ских свойств; определены значения толщины металлических слоев, при которых высокое отражение в области теплового излу­чения спектра сочетается с большой прозрачностью по отношепию к солнечному спектру; 2) определены оптические параметры про­светляющих слоев, которые следует наносить с обеих сторон ме­таллической пленки для максимального увеличения прозрачности в области солнечного спектра.

При трехслойной структуре оптимизация может быть прове­дена по формулам главы 1. Для проведения расчета спектральных характеристик покрытия и определения его оптимальной оптиче­ской схемы необходимо знать оптические константы материалов, которые, как известно, в очень тонких слоях существенно отли­чаются от констант массивных образцов и сильно зависят от усло­вий нанесения слоев, что затрудняет использование имеющихся в литературе немногочисленных сведений по показателям прело­мления и поглощения тонких пленок.

В связи с этим был выбран путь непосредственной эксперимен­тальной оптимизации для определения материала и толщины се­лективных покрытий [182]. Так, в частности, оптимальные метал­лические пленки и их толщина определялись по максимальному отношению Тс/е, для чего на опытные образцы стекла были нане­сены пленки различных металлов с толщиной, обеспечивающей Тс = 10 ч — 90%.

При выборе диэлектрических слоев для просветления исполь­зовались выводы 1.7 и [45], где показано, что в случае просвет­ления металлических пленок коэффициент отражения стремится к минимуму при тенденции показателя преломления просветля­ющей пленки к увеличению. Исходя из этого в качестве просветля­ющего покрытия была выбрана пленка ZnS, которая из легко нано­симых слоев, прозрачных в солнечной области спектра, имеет наи­больший п = 2,3 — т — 2,5 для видимого света.

Металлические и диэлектрические пленки наносились в метал­лической вакуумной камере диаметром 600 мм и высотой 700 мм, и которой поддерживался вакуум порядка 1-Ю-5 мм рт. ст. Ка­мера была снабжена высоковольтной системой очистки покрыва­емой поверхности тлеющим разрядом и устройством для вращения образцов во время нанесения пленок. Установка позволяла нано­сить трех — и четырехслойные покрытия на образцы общей пло­
щадью 0,5 м2 одновременно. Схема вакуумной камеры с системой оптического контроля нанесения слоев показана на рис. 4.3.

Пленки металлов и ZnS наносились на очищенную стеклянную подложку термическим испарением в вакууме.

Толщина металлических пленок контролировалась с помощью фотоэлемента по пропусканию света, проходящего через стеклян­ную подложку, на которую напылялась пленка. Фототок, изме­ренный при падении на фотоэлемент света определенной длины

РИС. 4.3. Схема вакуумной камеры

1 — лампочка для подсветки;

2 — конденсор;

3 — прозрачные окна;

4 — испарители;

5 — контрольная пластина;

6 — образцы;

7 — узкополосный интерференционный

светофильтр;

8 — фотоэлемент;

.9 — отсчетное устройство УФ-206;

20— прозрачное окно для визуального контроля;

П— зеркало волны (для этого использовался узкий интерференционный све­тофильтр с максимумом пропускания при Я = 0,54 мкм), про­шедшего через стеклянную пластину (с напыленной пленкой ZnS или без нее), принимался за фототок при 100%-ном пропускании системы. В процессе напыления металлической пленки фототок соответственно уменьшался. Зная зависимость пропускания полу­проводниковых и металлических пленок от их толщины, можно по значению фототока, соответствующему определенному значению коэффициента пропускания, контролировать толщину напыляемой пленки.

Толщина просветляющих плеиок ZnS контролировалась так­же фотометрически по увеличению пропускания металлической пленки при определенной длине волны. Возможен и простой метод контроля по цвету тонких интерференционных пленок, получа­ющихся при одновременном напылении на контрольных образцах никелевой фольги. Зависимость цвета тонких интерференционных пленок ZnS от их толщины была предварительно измерена. Кри­терием выбора толщины как отдельных слоев, так и всей системы в целом служило увеличение интегрального коэффициента про­пускания в области 0,2—2,5 мкм и коэффициента отражения
в области X ^> 2,5 мкм. Сравнение характеристик разработанных покрытий было проведено после получения максимального для каждого слоя или системы в делом отношения Гс/е.

Толщину металлических пленок измеряли на микроинтерферо­метрах МИИ-4 и МИИ-11, пропускание в области 0,22—1,0мкм — на спектрофотометре СФ-4А, в области 0,8—2,4 мкм — на инфра­красном спектрофотометре ИКС-14, отражение в области 2,0—50 мкм—на инфракрасном спектрофотометре Н-225 фирмы «Хитачи» (Япония). Интегральный коэффициент излучения измеряли термо­радиометром ФМ-63.

На основании многочисленных опытов определено, что наибо­лее подходящими являются следующие значения толщины метал­лических пленок: для алюминия — 75—85 А, для серебра — 100—150 А, для меди — 100—150 А.

На рис. 4.4 представлены кривые пропускания пленки серебра до и после просветления как с одной, так и с обеих (верхней и нижней) поверхностей.

На рис. 4.5 и 4.6 показаны спектральные зависимости коэффи­циента пропускания систем: ZnS -)- Ag — j — ZnS; ZnS -(- Cu

-b ZnS; ZnS + A1 + ZnS; ZnS + Ni + ZnS; для сравнения при­ведены кривые пропускания пленки Sn02 из работы [177] и плен­ки Cu2S из работы [183]. Видно, что системы с серебром и медью в области солнечного спектра более прозрачны, чем пленки Sn02 и Cu2S, а системы с алюминием близки к ним по пропусканию. На рис. 4.5 и 4.6 шкала абсцисс представляет собой деформиро­ванную шкалу X (использованную и ранее), что позволяет рассчи­тать интегральный коэффициент пропускания пленок в области солнечного спектра.

Наибольший эффект просветления пленкой ZnS получали при верхнем слое ZnS толщиной 520 А (буро-фиолетового цвета) и нижнем слое — 650 А (сине-фиолетового цвета). При этом одно­временно обеспечивается высокое отражение в спектральной об­ласти собственного теплового излучения поверхности (рис. 4.7).

Из спектральных кривых расчетным путем [41] определены интегральные коэффициенты пропускания ТС/ в области солнечного спектра разработанных покрытий, интегральные коэффициенты излучения измерены терморадиометром ФМ-58. Полученные ре­зультаты наряду с отношением Тс/е, позволяющим оценить сте­пень селективности, приведены в табл. 4.2, из которой видно, что отношение Тс/е для разработанных покрытий больше, чем у по­крытий со Sn02 (например, для системы с серебром — в 6 раз, для системы с медью — в 3,2 раза, для системы с алюминием,— в 1,7 раза).

Проведенные измерения и расчеты спектральных и интеграль­ных оптических характеристик позволяют рассчитать тепловой баланс солнечных установок, использующих селективную про-
3 — без просветления; 2 — ZnS со стороны воздуха (/ = 580 А); 3 — ZnS со стороны стек­ла (I = 650 А); 4 — ZnS со стороны воздуха (( = 580 А) и стекла (( = 650 А)

РИС. 4.5. Спектральные зависимости коэффициента пропускания селектив­ної! прозрачной изоляции на основе стекла с пленками

3 — CuiS (р = 70 Ом/а, є =0,4 [183]); 2 — Sn02 (р = 16 Ом/Q, є = 0,3 [177]); 3 — ZnS +

+ Си + ZnS dzns = 550 4, /Си = 100 A, (ZnS = 750 A, p = 15 Ом/П, e = 0,11); 4 — ZnS + Ag + ZnS (!Zng = 520 A, lAg = 100 A, ‘ZnS = 770 A, p = 10 Ом/П, e = 0,06)

a,4 a,6 0,0 40 40л, mkm 2,a 0 /0 00Л,»**

1 — ZnS + Ni + ZnS (!ZnS = 520 A, 1N4 = 05 A, lZliS = 650 A, p = 85 Ом/П. e = 0,35);

2 — ZnS + A1 + ZnS dzns = 520 A, <A1 = 75 A. ‘ZllS = 650 A, p = 50 Ом/П, c = 0.18);

3 — ZnS + A1 + ZnS ((ZnS = 520 A, (A1 = 85 A, tZnS = 700 A, p = 4 Ом/П. t = O. lS)

РИС. 4.7. Спектральные зависимостп коэффициента отражения селективной прозрачной изоляции на основе стекла с пленками

1 — CUjS (Р = 70 Ом/П, Т(. = 48%); 2 — Si02 (р = 16 Ом/П, Гс = 53%); 3 — ZnS — f-

л — Си + ZnS (lZnS = 520 А. ‘си = 75 A, lZnS = е0° А, Тс = 49%); 4 — ZnS + Си Ь — I — ZnS dzns = 550 А. ‘Си =— НО A, ‘ZnS = 750 А, Тс = 63%); 5 — ZnS + Ag + -)- ZnS (‘ZnS “ 520 A, ‘Ag ~ 110 A, ‘znS ~ 770 A, rl ^ = 68%); 6 ZnS -|- Ag +

ZnS (‘ZnS = 020 ‘Ag ~ *00 A, ‘znS = 700 A, Tc = 64%)

Таблица 4.2 Интегральные оптические коэффициенты стеклянной прозрачной изоляции гелиоустановок с селективными покрытиями Покрытие тс г тс./е Sn02 р= 16 Ом/Г [177] 0,53 0,30 1,77 Cu2S р = 70 Ом/Г [183] 0,48 0,40 1,2 ZnS — і — Ag + ZnS р = 10 Ом/Г"’ 0,68 0,06 11,3 ZnS + Си г ZnS Р = 15 Ом/Г/ 0,63 0,1 5,7 ZnS + А1 — j — ZnS р = 50 Ом/Г! 0,49 0,16 3,03

зрачную изоляцию с разработанными покрытиями, по методикам, изложенным, например, в работах [178, 179].

Для возможного использования разработанных трехслойных систем в качестве прозрачных электропроводящих покрытий на стекле (для электрообогрева) определено удельное поверхностное электрическое сопротивление пленок. Для систем на основе пле­нок алюминия получили р = 40 — ч — 50 Ом/Г, а для систем на основе серебра — р ^ 10 Ом/г (расстояние между электродами составляло 1 см). Для проводящих пленок Sn02 и Cu2S можно получить столь же низкие значения поверхностного сопротивле­ния (и уменьшение интегрального коэффициента излучения по сравнению со значениями, приводимыми в табл. 4.2) при увели­чении их толщины, однако прозрачность при этом в видимой об­ласти солнечного спектра резко падает. Так, для пленок Cu2S при р л; 15 Ом/г отражение в области 5—23 мкм повышается до 85% (є да 0,15 — ч — 0,2), однако значение коэффициента пропуска­ния при X = 0,6 мкм уменьшается до 30% [183], а Тс, как показал расчет по спектральным данным этой же работы, падает прибли­зительно до 18%. Лучшими оптическими свойствами обладают более перспективные трехслойные покрытия ТЮ2 — J — Ag -f Ті02 [184] и рассмотренные выше ZnS -|- Ag + 2nS [182].

Интересен и оригинален метод получения полупрозрачного селективного покрытия фотолитографическим вытравливанием в сплошной алюминиевой фольге или в напыленной на стекло пленке алюминия круглых отверстий диаметром порядка 0,1 мкм в количестве около 10е на 1 см2. Таким способом удалось получить отношение Тс/е ж 10 [185]. Очевидно, что использова­ние данного метода улучшения селективности для трехслойных покрытий ZnS -|- Ag — і — ZnS [182] или Ti02 — f — Ag — j — Ti02 [184] может привести к дальнейшему увеличению отношения Тс/е и КПД преобразователей солнечной энергии. Первые положитель­ные результаты в этом направлении были опубликованы в работе [186]: экспериментально был обнаружен факт значительного уве­личения коэффициента пропускания пленок Sn02 и 1п2Оэ при образовании в них квадратных отверстий со стороной 2,5 мкм, хотя и сопровождавшийся некоторым уменьшением коэффициента излучения є. Возможно, если бы использовались отверстия мень­шего диаметра (например, порядка 0,1 мкм, как в работе [185]), то уменьшения є не произошло бы.

При определении областей применения разработанных селек­тивных оптических покрытий следует иметь в виду, что исполь­зование в условиях вакуума или с экранированием от воздействия влаги является наиболее благоприятным для тонкопленочных покрытий. Эти покрытия могут найти сейчас широкое применение для нанесения на внутреннюю поверхность защитного стекла гелиоводонагревателей, получения прозрачных сосудов Дьюара, экспериментов по отжигу радиационных дефектов солнечных бата­рей, прозрачной изоляции гелиоустановок, в любых гелиоприем — пиках с вакуумной изоляцией от окружающей среды.

Использование усовершенствованных покрытий для гелиотеп­лиц и опреснителей (где неизбежна повышенная влажность) окажется возможным после разработки методов защиты покрытий триплексированием или нанесением лаков, прозрачных в солнеч­ной и инфракрасной областях спектра. Эта задача, наряду с раз­работкой многослойного просветления полупрозрачных металли­ческих слоев и проведением лабораторных и натурных испытаний, является основным предметом исследований, проводимых в насто­ящее время. В частности, недавно удалось показать, что исполь­зование сравнительно прозрачных в инфракрасной области спек­тра лаков на основе фторсополимеров позволяет защитить трех — слойныо покрытия ZnS + Ag + ZnS от влаги при небольшом возрастании коэффициента излучения е до 0,2 [187].

4.3.