I. Physikalisches Institut der JLU Giessen
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Thermochrome Schichten

Prof. Dr. Bruno K. Meyer       Dr. Angelika Polity

VO2

Einkristallines und undotiertes VO2 vollzieht bei 68°C einen reversiblen Übergang von einer halbleitenden zu einer metallischen Phase. Damit verbunden ist die Änderung vieler Eigenschaften, z.B. elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Brechungsindex und Absorptionskoeffizient.

Aus der Änderung der Leitfähigkeit resultiert ein stark unterschiedliches Reflexionsvermögen für infrarote Strahlung in den beiden Phasen von VO2. Im sichtbaren Bereich des Spektrums hingegen wird eine Änderung der Lichtdurchlässigkeit beobachtet, die in erster Linie auf Absorption beruht. Das Vermögen einer VO2-Dünnschicht solare Strahlung zu "schalten", ist in Abbildung 1 gezeigt.

Die Herstellung der VO2-Schichten erfolgt über reaktives Hochfrequenz-Sputtern vom metallischen Vanadium-Target und mit dem Reaktivgas Sauerstoff und dem Arbeitsgas Argon.

Reines VO2 war vor allem wegen seiner hohen Phasenübergangstemperatur von ca. 55°C bei Dünnschichten noch nicht für eine technische Anwendung als "intelligente" Sonnenschutzschicht geeignet. Dieses und weitere Probleme wurden an unserem Institut gelöst:

  • Absenkung der Phasenübergangstemperatur durch Dotierung mit Wolfram und Fluor
  • Erhöhung der Lichttransmission durch die Zugabe von Fluor und durch zusätzliche Antireflexschichten
  • Erhöhung des Energieschaltens durch die Verwendung bewusst "fehlangepasster" Antireflexschichten

Zur Zeit wird an der weiteren Optimierung der Eigenschaften von VO2 hinsichtlich des Einsatzes als Architekturglasbeschichtung gearbeitet.

Abb . 1: Der von einer VO2-Schicht geschaltete Anteil der Sonneneinstrahlung. ausgehend von der auftreffenden Energiestromdichte in unserer geographischen Breite (charakterisiert durch den Wert AM1,5=air mass 1,5), gestrichelte Linie, transmittiert VO2 in der halbleitenden Phase den Anteil, der der schwarzen Kurve entspricht. In der metallischen Phase wird der durch die rote Kurve dargestellte Anteil transmittiert. Die graue Fläche zeigt die "geschaltete" Energiestromdichte an.

 

FeS

Schaltbare Absorberschichten bestehend aus Fe-Gruppe-VI-Elementen, bevorzugt Schwefel, zeigen reversible Metall-Halbleiter-Übergänge im Temperaturbereich zwischen 150 und 200°C, die je nach Komposition oder Abweichung von der Stöchiometrie realisiert werden können. Die thermochromen Schichten werden in einem Radiofrequenz-Sputterprozess vom metallischen Target und den jeweiligen Reaktivgasen, z.B. H2S, auf Glas abgeschieden. Über die Wahl der Prozessparameter (Sputterleistung, Gasfluss, Substrattemperatur) können die Schichteigenschaften gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Schichten erfolgt über Röntgenbeugung und elektrische Leitfähigkeit, die sich beim Phasenübergang um etwa 3 Größenordnungen ändert.

Ziel der Forschungen ist die Entwicklung einer Frontschicht für Solarabsorbermaterial, um die hohe thermische Beanspruchung und damit die erheblichen Probleme bei allen Materialien im Kollektor zu verringern. Die Optimierung der geschalteten Emissivität unter- und oberhalb des Phasenüberganges, die Gewährleistung der Kompatibilität mit dem Herstellungsprozess und die Aufskalierung auf Großflächenbeschichtung sind dabei die wichtigsten Aufgaben.