Beyer, EckhardLeyens, ChristophAbendroth, ThomasThomasAbendroth2022-03-072022-03-072017https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/281648Im Rahmen dieser Dissertation wird ein neuartiges strahlungsselektives Schichtsystem auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), hergestellt mit Atmosphärendruckverfahren, für den Einsatz in Solarabsorberrohren entwickelt und charakterisiert. Dafür wurden verschiedene CNT-Materialien hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Die für CNTs charakteristischen Absorptionsmechanismen sind die Absorption durch das p-Plasmon und die Absorption an Interbandübergängen (van Hove Singularitäten). Diese Absorptionsbanden liegen alle im Wellenlängenbereich des solaren Spektrums und wurden für verschiedene einwandige (SW) und mehrwandige (MW) CNTs bestimmt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde ein Tandem-Absorber, bestehend aus einer Infrarot-reflektierenden Oberfläche (Kupfer), einer solarabsorbierenden CNT-Schicht und einer Siliziumoxid-Schutzschicht entwickelt und hinsichtlich der optischen Eigenschaften (solare Absorption a und thermische Emission e für verschiedene Temperaturen) charakterisiert. Das aus Reflexionsmessungen bestimmte optische Verhalten konnte zudem durch Emissionsmessungen qualitativ bestätigt werden. Langzeituntersuchungen haben die thermische Stabilität des CNT-basierenden Schichtsystems bei 400 °C im Vakuum nachweisen können. Für Untersuchungen der thermischen Verlustleistung wurden im Rahmen dieser Arbeit Absorberrohre hergestellt, welche dann in Receiverrohren bei Temperaturen bis 400 °C getestet wurden. Die CNT-Schichten eignen sich prinzipiell für noch höhere Anwendungstemperaturen. Für SWCNTs konnte eine thermische Beständigkeit von 585 °C (Luft) und 850 °C (Stickstoff) nachgewiesen werden. Neben der Entwicklung und Charakterisierung der Solarabsorber-Schicht auf flachen Substraten wurde auch die zur Herstellung notwendige Prozesstechnik (Zerstäuben von CNT-Dispersionen, Waschen von CNT-Dünnschichten, Tauchbeschichtung von Siliziumoxid) für die Herstellung von Solarabsorber-Rohren entwickelt. Im Ergebnis konnte durch diese Arbeit ein neues strahlungsselektives Schichtsystem entwickelt werden, welches die kostengünstige Herstellung hoch strahlungsselektiver Oberflächen (solare Absorption a > 0,90) für Niedrig- und Hochtemperaturanwendungen (thermische Emission e(100°C) ~ 0,05; e(400°C) ~ 0,11) ermöglicht.1 Einleitung // 2 Stand der Forschung und theoretischer Teil // 2.1 Strahlungsselektive Schichten für solartechnische Anwendungen // 2.2 Kohlenstoffnanoröhren // 2.3 Absorberschichten auf Basis von CNTs // 2.4 Optik an dünnen CNT-Schichten // 3 Aufgabenstellung und Zielsetzung // 4 Methoden und Experimentelles // 4.1 Herstellung von CNT-Dünnschichten // 4.2 Herstellen von Siliziumoxid-Schichten // 4.3 Herstellung Strahlungsselektiver Absorber // 4.4 Substratmaterialien // 4.5 Charakterisierungsmethoden // 5 Ergebnisse und Diskussionen // 5.1 Strahlungselektive CNT-Absorberschichten für Solarthermische Anwendungen // 5.2 Optische Eigenschaften metallischer Substratmaterialien // 5.3 Optische Eigenschaften von CNT-Proben // 5.4 Einflüsse auf optische Eigenschaften von CNT-Dünnschichten // 5.5 Siliziumoxid-Schichten // 5.6 Optische Eigenschaften des CNT-SiO2 Schichtsystems // 5.7 Temperaturbeständigkeit und Langzeitstabilität // 5.8 Entwicklung eines Absorberrohres für die Anwendungsuntersuchungen // 6 Zusammenfassung // 7 LiteraturverzeichnisdeCNTSolarthermiestrahlungsselektive Dünnschichten621671doctoral thesis