Projekt 08397/01

Erarbeitung der physikalischen Grundlagen für die Vakuumbeschichtung von Absorberplatten mit variabler Geometrie

Projektdurchführung

TiNOX GmbHEntwicklung und Produktion solarer Energiesysteme
Triebstr. 3
80993 München

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die physikalischen Grundlagen werden erarbeitet, die die Voraussetzung sind für die Durchführung eines größeren Entwicklungsprojektes, welches zum Ziel hat, hochselektive PVD-Beschichtungen auf vorgefertigte Absorberplatten variabler Geometrie aufzubringen. In dem aktuellen Projekt soll erstens die simultane Abscheidung der bisher in zwei sequentiellen Arbeitsschritten aufgebrachten Absorberschicht entwickelt werden. Zweitens soll die Ausfallrate der Elektronenstrahlverdampfer, einer der zentralen Komponenten des Prozesses, verringert werden. Beide Teilziele stellen für sich bereits eine Erhöhung der Effizienz in energetischer Hinsicht und im Materialaufwand dar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie patentierte Beschichtungstechnik der Firma TiNOX beruht auf einem Rollcoatingverfahren in dem die Absorberschicht bestehend aus TiNxOy und SiO2 in zwei aufeinander folgenden Prozess-Schritten abgeschieden wird. Um diese Arbeitsschritte simultan durchführen zu können, müssen die Prozessgeschwindigkeiten einander angeglichen werden. Da es sich bei dem ersten Teilprozess (TiNXOy) um eine reaktive Deposition handelt, muss der Anteil der Prozessgase für die veränderte Prozessgeschwindigkeit neu ermittelt werden. Dabei gilt es, auch den vom SiO2 bei der Verdampfung freigesetzten Sauer-stoff zu berücksichtigen. Ferner muss zur Erhaltung der Homogenität der Schicht die transversale Verteilung der Reaktionsgase neu optimiert werden. Die gegenseitige Durchmischung der beiden simultan aufgedampften Schichten wird vermieden durch eine Neukonfigurierung des Verdampferraumes. Die resultierenden Schichteigenschaften werden mittels optischer Spektrometermessungen sowie atomar aufgelöster Elementanalysen gemessen und somit experimentell die optimalen Prozessparameter ermittelt. Die Ausfallursachen der Elektronenstrahlverdampfer wird ermittelt durch Experimente, in denen die Be-dienparameter variiert werden wie z. B. Anordnung, Füllstand, Heizleistung, Kühlverhalten, Aufbau, Steuerung, Verunreinigungsschutz, etc. Bei erfolgreicher Ursachenanalyse können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Ausfallhäufigkeit zu reduzieren.


Ergebnisse und Diskussion

Durch die Förderung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Aktenzeichen 08397) war die Entwicklung eines stabilen Simultanbeschichtungsprozesses möglich, der Voraussetzung für die Beschichtung von vorgefertigten Absorberplatten bildet.
Dazu wurde die Verdampfungseinheit und der Beschichtungsraum der bestehenden Produktionsanlage komplett umgebaut, so dass es nun möglich ist fünf Titan- und fünf SiO2 Elektronenstrahlverdampfer gleichzeitig (simultan) zu betreiben. Die Verdampfer wurden so umgebaut, dass die Ausfallrate der Verdampfer signifikant reduziert werden konnte. Außerdem wurden neue Elektronenstrahlsteuerungen eingebaut, die einen wesentlich gleichmäßigeren Ausbrand der Tiegel ermöglichen und den Elektronenstrahl so nachregeln, dass die Leistung der Elektronenstrahlkanonen innerhalb vorgegebener Grenzen konstant gehalten wird. Es wurde ein Shuttersystem entwickelt, mit dem die beiden Aufdampfprozesse räumlich getrennt ablaufen können. Nach Untersuchungen der Schichthomogenität mittels ERDA wurde das Gasversorgungssystem zur Einleitung der Prozessgase komplett umgebaut um eine gleichmäßige Zusammensetzung der Schicht über die Blechbreite zu ermöglichen.
Zur Kontrolle der Verdampfungsraten sowohl der Titan- und auch SiO2- Verdampfer wurde ein neues Spektrometersystem entwickelt, dass die vollautomatische Steuerung der Verdampfer während der Simultanbetriebs ermöglicht. Ferner kann das Spektrometersystem online die Farbwerte der Beschichtung über die gesamte Beschichtungsbreite bestimmen und die Farbe der Schicht automatisch nachregeln.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die neue Produktionsmethode für die TiNOX Absorberbleche wurde auf verschiedenen Messen und Symposien einem breiten Publikum präsentiert.


Fazit

Durch die durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Entwicklungsarbeiten und Umbauten an der bestehenden Produktionsanlage konnte eine signifikante Erhöhung der Prozessstabilität und eine Erhöhung der Kundenzufriedenheit hinsichtlich des farblich homogenen Erscheinungsbildes der Produktes erreicht werden.
Es konnte gezeigt werden, dass eine automatische Simultanbeschichtung von Blechen mit der hochselektiven TiNOX-Schicht möglich und produktionstauglich ist.