Cermet based solar selective absorbers : further selectivity improvement and developing new fabrication technique

Abstract

Spectral selectivity of cermet based selective absorbers were increased by inducing surface roughness on the surface of the cermet layer using a roughening technique (deposition on hot substrates) or by micro-structuring the metallic substrates before deposition of the absorber coating using laser and imprint structuring techniques. Cu-Al2O3 cermet absorbers with very rough surfaces and excellent selectivity were obtained by employing a roughness template layer under the infrared reflective layer and deposition of the cermet layer at elevated substrate temperatures. Copper and stainless steel plates were laser structured. Through direct laser structuring, solar absorptance of a smooth copper sample increased about 36%, while the increase in thermal emittance was insignificant. To study the optical effect of the imprint surface structuring, a high thixotropic transparent sol-gel layer was micro-structured by a silicon stamp and then a tungsten thin film was deposited. Compared to unstructured tungsten thin film, an increase of 15% in solar absorptance was observed. In addition to selectivity improvement techniques, along of this study a novel economical fabrication method was developed for cermet based solar selective absorbers. Using this new technique, different Ni-Al2O3 cermet selective absorbers were prepared. The best sample showed solar absorptance value of 0.94 and thermal emittance value of 0.11. These Ni-Al2O3 absorber surfaces passed accelerated aging tests.

Die Spektralselektivität von Cermet basierten Selektivabsorbern wurde durch Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit mittels einer Aufrauhtechnik (Abscheidung auf heißen Substraten) oder, vor Abscheidung der Cermet-Schicht, durch Mikrostrukturierung der metallischen Substrate (mittels direkter Laser- und Prägestrukturierungstechniken) erhöht. Durch Abscheidung einer Cu-Al2O3 Cermet-Schicht auf eine IR-Reflektorschicht bei hohen Substrattemperaturen und der Verwendung einer rauhen Templatschicht unter der IR-Reflektorschicht erhält man einen Absorber mit einer sehr rauhen Oberfläche und ausgezeichneter Selektivität. Durch direkte Laserstrukturierung einer glatten Kupferplatte wurde der Absorptions-grad um über 36 % verbessert, während die Zunahme des thermischen Emissions-grades geringfügig war. Um optische Effekte der geprägten strukturierten Oberflächen zu untersuchen, wurde durch Prägeverfahren mittels eines Silikonstempels eine Sol-Gel Schicht mikrostrukturiert. Danach wurde eine Dünnschicht aus Wolfram aufgesputtert. Gegenüber einer unstrukturierten Wolframdünnschicht wurde eine Zunahme des Solarabsorptionsgrades um 15 % beobachtet. Zusätzlich zu den Selektivitätsverbesserungstechniken wurde im Rahmen der Untersuchungen eine neue ökonomische Herstellungsmethode der Cermet basierten Solarabsorber entwickelt. Mittels dieser neuen Technik wurden verschiedene Ni-Al2O3 Cermets vorbereitet. Die beste Probe zeigte einen Absorptionsgrad von 0.94 und einen Emissionsgrad von 0.11. Diese entwickelten Ni-Al2O3 Absorber bestanden die relevanten Alterungstests.