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Design, fabrication, characterization and aging studies of solar selective absorber surfaces
Tese de Doutoramento - Programa Doutoral em FĂsica (MAP- fis)Esta tese tem como objetivo o desenvolvimento de revestimentos para absorção seletiva da
radiação solar, que tenham um elevado coeficiente de absorção solar (α) (> 95%), baixa
emissividade (Δ) (<12% a 400 ÂșC), e com elevada estabilidade tĂ©rmica, acima de 400 ° C ao ar
e acima de 600 ÂșC em vĂĄcuo, de modo a que possa ser usado em sistemas de concentração da
radiação solar (CSP) que utilizem temperaturas elevadas. Os revestimentos são multicamadas,
que tĂȘm quatro a cinco camadas, sendo as duas primeiras, uma barreira de difusĂŁo e um refletor
de radiação infravermelha, tungstĂ©nio. As restantes sĂŁo constituĂdas por uma estrutura de dupla
camada para absorção da radiação solar e uma camada antirefletora. Para a configuração das
camadas de absorção, foram utilizadas trĂȘs soluçÔes diferentes. As duas primeiras soluçÔes
baseiam-se em camadas de nitreto / oxinitreto de metais de transição, nomeadamente a partir
de crómio (CrAlSiNx/CrAlSiNxOy) e tungsténio (WsiAlNx/WSiAlNxOy). A terceira solução
Ă© baseada em compĂłsitos cerĂąmico-metal de AlSiOx:W.
Camadas individuais das diferentes soluçÔes foram depositadas em substratos de vidro, aço
inoxidĂĄvel (SS) e silĂcio (Si) para estudar a composição quĂmica, estrutura, propriedades
Ăłpticas e mecĂąnicas. Os espectros de transmitĂąncia e reflectĂąncia das camadas individuais,
depositados em substratos de vidro, foram simulados com o software SCOUT, de modo a
calcular a respetiva função dielétrica, as constantes ópticas espectrais e espessuras. As
multicamadas foram desenhadas utilizando as constantes Ăłpticas das camadas individuais,
utilizando também o software SCOUT. Utilizando os resultados das simulaçÔes, as
multicamadas foram depositadas em substratos de aço inoxidåvel utilizando a técnica de
pulverização catódica por magnetrão e o desempenho dos revestimentos foi verificado por
meio da sua absorção solar, da emissividade e do seu comportamento quando sujeitos a
tratamentos térmicos ao ar e em våcuo. Diversas técnicas de caracterização foram utilizadas
para estudar os revestimentos, nomeadamente por microscopia eletrĂłnica de varrimento
(SEM), espectrometria de retrodispersão de Rutherford (RBS), difração de raios X (DRX),
espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de
fotoeletrÔes de raios-X (XPS), espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDS),
anålise de detecção de recuo elåstico por tempo de voo (TOF-ERDA), espectroscopia Raman
e espectroscopia UV-VIS-NIR.
Os revestimentos multicamada apresentados nesta tese mostraram boa estabilidade térmica
e resistĂȘncia Ă oxidação apĂłs o tratamento tĂ©rmico em vĂĄcuo a 600 ÂșC ou 580 ÂșC e tratamento
tĂ©rmico ao ar a 400 ÂșC ou 450 ÂșC. A solução baseada na estrutura WSiAlNx/WSiAlOyNx
apresentou os melhores resultados, em termos de estabilidade tĂ©rmica, resistĂȘncia Ă oxidação e
coeficiente de absorção solar, enquanto a baseada em CrAlSiNx/CrAlSiNxOy apresentou os
valores mais baixos de emissividade Ă temperatura de 400 ÂșC. As alteraçÔes no coeficiente de
absorção solar (αsol) e na emissividade (Δ) são insignificantes na maioria dos casos. Em alguns
casos, só foram reveladas pequenas mudanças nas curvas de refletùncia após o primeiro passo
de tratamento térmico, não aparecendo alteraçÔes nos passos subsequentes. No caso dos
revestimentos baseados em CrAlSiNx / CrAlSiNxOy, após o tratamento térmico em våcuo a
600 ÂșC, verificou-se que ocorreu a difusĂŁo de ĂĄtomos de tungstĂ©nio da camada de W para o
substrato de aço inoxidåvel. Assim, foi introduzida uma camada de barreira de CrAlSiNx entre
a camada de tungsténio e o substrato de aço e fetuado o respetivo estudo, tendo-se verificado a
nĂŁo ocorrĂȘncia da difusĂŁo do W.This thesis has the objective to develop solar selective absorber coatings having
simultaneously high solar absorptance (α) (>95%) and low emissivity (Δ) (<12% at 400 ÂșC)
together with high thermal stability above 400°C in air and above 600 ÂșC in vacuum, which
could be used in the concentrated solar power (CSP) or in other high temperature applications.
The coatings are multilayer stacks, that have four to five layers, being the first two, a barrier
layer and a back-reflector tungsten layer. The remaining layers comprise a double film structure
for phase interference finished by an antireflection layer. For the double absorption layer
configuration, three different approaches have been used. The first two are based on transition
metal nitride/oxynitride layers, namely from chromium as (CrAlSiNx/CrAlSiNxOy) and from
tungsten as (WSiAlNx/WSiAlNxOy). Whereas, the third one is based on (AlSiOx:W) cermets.
The single layers of each approach were deposited on glass, stainless-steel (SS) and silicon
(Si) substrates to study their chemical composition, structure, optical and mechanical
properties. The transmittance (T) and the reflectance (R) spectra of single thin layers, deposited
on glass substrates, were modelled with the help of SCOUT software and the spectral optical
constants and thicknesses were calculated. The multilayer designs were performed using the
optical constants of the single layers and conducted with SCOUT software. The final multilayer
stacks were deposited on stainless-steel substrates using DC magnetron sputtering technique
and the functionality of the absorbers optical stacks was verified through solar absorptance,
emissivity and accelerated thermal ageing treatments.
All tandems and their individual layers were characterized by Scanning Electron
Microscopy (SEM), Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), X-ray diffraction (XRD),
Fourier-transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS),
Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Time of flight Elastic Recoil Detection Analysis
(TOF-ERDA), Raman spectroscopy and UVâVISâIR spectroscopy.
The absorber tandems presented in this thesis showed good thermal stability and oxidation
resistance after vacuum annealing at 600 ÂșC or 580 ÂșC and air annealing at 400 ÂșC or 450 ÂșC.
The approach based on WSiAlNx/WSiAlOyNx tandem showed the best thermal stability,
oxidation resistance and it has higher solar absorbance, αsol, while the CrAlSiNx/ CrAlSiNxOy
shows the lowest thermal emittance at the temperature (400 ÂșC). The variations in the solar
absorptance (αsol) and the thermal emittance (Δ) are negligible in most cases. In some cases,
small variations in the reflectance curves after the first step of annealing were observed. After
the annealing in vacuum at 600 ÂșC, tungsten diffusion from the back-reflection layer towards
the stainless-steel substrate was found in the tandem based on CrAlSiNx/ CrAlSiNxOy. Thus,
a CrAlSiNx barrier layer with higher nitrogen N content was included between the stainlesssteel
substrate and tungsten. The influence of that barrier layer upon the W diffusion was also
studied.Financial support of FCT, POCI and PORL operational programs through the project POCI- 01-0145-FEDER-016907 (PTDC/CTM-ENE/2882/2014), co-financed by European community fund FEDER