Passive Mechanismen in der Solarenergie - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 267

• Diffusionsprozesse
Prinzipiell gibt es verschiedene Arten von Diffusionsprozessen. Es sei die Volumen-
diffusion erwähnt, die über Zwischengitterplätze oder Einfach- und Doppelleerstel-
len erfolgen kann. Sie spielt jedoch nur eine untergeordnete Rolle, wenn das betrach-
tete Material Gitterbaufehler wie Korngrenzen oder Versetzungen aufweist. Entlang
dieser Störungen findet eine um mehrere Größenordnungen schnellere Diffusion
statt, die auch als Kurzschlussdiffusion (short circuit diffusion) bezeichnet wird
(Heumann 1992 ). Gesputterte Schichten können außerdem eine hohe Porosität auf-
weisen. Dort kann die Diffusion, z. B. von Sauerstoff aus der Luft in die Schicht, ver-
stärkt stattfinden.
Diffusionsprozesse können zwischen dem Stahlsubstrat und der Absorberschicht oder
auch zwischen den einzelnen Schichten ablaufen. Zudem kann Diffusion auch inner-
halb des Cermets zwischen den einzelnen Cermetstapeln auftreten und zum Abbau
des Gradienten führen. Letzteres tritt bei Metallcarbiden im Vakuum auf, wobei sich
mit zunehmender Temperatur und Heizdauer die Absorption der homogenen Cermet-
schichten annähert. Außerdem ändert sich auch die Größe und Form der Metallpar-
tikel. Insbesondere bei Metallsubtraten werden Diffusionsbarrieren erforderlich. Auf
Edelstahl sind die Schichten bis ca. 400 °C stabil, während auf noch höher legierten
Stählen (Nicral, In100) die Degradation erst ab 700 °C einsetzt.
• Oxidation durch Luftsauerstoff
Bei Hochtemperaturanwendung der Absorberschichten an Luft stellt vor allem der dar-
in enthaltene Sauerstoff eine Quelle für Degradationsprozesse dar. Bezogen auf die Ab-
sorberschichten bedeutet das insbesondere die Oxidation der Metallpartikel im Cermet
oder des metallischen IR-Spiegels.
• Redox-Reaktionen und Clusterbildung im Cermet
Cermets bestehen aus einer metallischen Komponente in einer dielektrischen Matrix.
Während des reaktiven Sputtervorgangs wird z. B. bei einem Mo/Al 2 O 3 -Cermet durch-
aus auch das metallische Molybdän teilweise oxidiert. Ebenso liegt das Aluminium
nicht vollständig oxidiert vor. Während des ersten Temperns bei erhöhter Temperatur
finden Redox-Reaktionen statt, die das System in Richtung des chemischen Gleichge-
wichts verschieben; dies bedeutet, das oxidierte Molybdän wird reduziert und gibt den
Sauerstoff an das metallische Aluminium ab. Außerdem ändert sich auch die Größe und
Form der Metallpartikel. Die Änderung der chemischen Zusammensetzung sowie die
Änderung der Teilchenform und -größe bewirken eine starke spektrale Verschiebung
in den Reflexionsspektren eines Absorbers in den ersten Stunden des Heizens bei ho-
hen Temperaturen. Diese als „erster spektraler Shift“ bezeichnete Verschiebung tritt im
Wellenlängenbereich von 300 nm bis ca. 5 μm auf und beeinflusst dadurch die Lage der
Interferenzen und die der Selektivitätskante maßgeblich. Nach einer gewissen Zeit sind
die Umordnungsprozesse abgeschlossen und können und müssen dadurch mit in die
Optimierung der optischen Eigenschaften einbezogen werden.