用于高温应用的衬里材料或反射材料 |
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| 申请号 | CN201180030800.2 | 申请日 | 2011-06-20 | 公开(公告)号 | CN102958863A | 公开(公告)日 | 2013-03-06 |
| 申请人 | 肖特公开股份有限公司; | 发明人 | 克里斯蒂安·亨; 伊夫琳·鲁迪吉尔-沃伊特; 罗兰德·勒鲁; 法尔克·加贝尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及衬里材料或反射材料及其制备方法，所述材料特别用于在 腐蚀 性气氛中的高温应用。该材料包括红外线反射层，在该红外线反射层上沉积有氮化物层作为屏障层。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于高温应用、特别是用于炉的衬里材料或反射材料，所述衬里材料或反射材料包括玻璃陶瓷基底，所述玻璃陶瓷基底具有红外线反射层，其中，在所述红外线反射层上布置有屏障层作为防氧化保护和防腐蚀性化学侵蚀保护，其中，所述红外线反射层与所述屏障层在800和2000nm之间的波长范围内的反射率之比平均大于2。 |
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| 说明书全文 | 用于高温应用的衬里材料或反射材料技术领域[0001] 本发明涉及用于高温应用的衬里材料或反射材料及其制备方法。特别地，本发明涉及用于高温应用的暴露于化学侵蚀性气氛的衬里材料。 背景技术[0002] 在复合半导体基础上的薄层太阳能电池或者说模块的制备在其核心工艺、吸收层制备中通常与在含硒和/或含硫气氛下的400至800°C的温度关联。这类设施的加热通常借助陶瓷加热元件进行。特别地，在这些加热元件的区域内，设施的温度特别高，从而使得在此处可能强化地出现加热元件本身的或与加热元件相邻的衬里的腐蚀性侵蚀。 发明内容[0005] 相对于此，本发明的任务在于提供减少现有技术的所述缺点的衬里材料或反射材料。 [0006] 特别地，本发明的任务是提供一种衬里材料或反射材料，该衬里材料或反射材料具有反射红外线的性能，并且该衬里材料或反射材料具有与已知衬里材料相比更高的稳定性。 [0009] 本发明涉及用于高温应用的、特别是设置用于炉的衬里材料或反射材料。 [0010] 高温应用被理解为超过200°C、优选超过400°C的使用温度。 [0012] 显而易见的是，该材料不仅可以以平坦的实施方案提供，而且可以以弯曲形式或者以例如抛物线式构造的反射器的形式提供。同样地，该材料也可以具有留空部、例如钻孔、通孔或类似物。 [0013] 该材料优选具有大于1mm的厚度、特别优选1.5至2mm的厚度。 [0014] 依据本发明的衬里材料或反射材料包括玻璃陶瓷基底。在此是适合用于在高温范围内的应用的所谓的零膨胀材料。 [0015] 可例如使用具有如下组成的玻璃陶瓷： [0016] 60-73.0重量%、优选50-75重量%的SiO2； [0017] 15-25.0重量%的A12O3； [0018] 2.2-5.0重量%的Li2O； [0019] 0–5.0重量%的CaO+SrO+BaO； [0020] 0–5.0重量%的TiO2； [0021] 0–5.0重量%的ZrO2； [0022] 0–4.0重量%的ZnO； [0023] 0–3.0重量%的Sb2O3； [0024] 0–3.0重量%的MgO； [0025] 0–3.0重量%的SnO2； [0026] 0–2.0重量%的P2O5； [0027] 0–1.5重量%的As2O3； [0028] 0–1.2重量%的Na2O+K2O，其中相应的比例落入如下给定的范围内：0–1.0重量%的Na2O， [0029] 0–0.5重量%的K2O；和 [0031] 可选的澄清剂、如Sb2O3、As2O3、SnO2、Ce2O3、氟和/或溴。 [0032] 在玻璃陶瓷基底上涂覆有红外线反射层。该涂层一方面使得依据本发明的材料作为反射材料用于例如陶瓷辐射器的加衬成为可能，另一方面依据本发明的材料也可用于整个设施、由其是炉的加衬。在此有利的是，在现有的设施中，陶瓷辐射器的热功率能够由于反射到内腔中的红外线降低，而不减少到待制备结构元件中的能量输入。 [0033] 基于因此减少的热功率，陶瓷辐射器具有显著升高的寿命。 [0034] 红外线反射层被理解为这样的层，该层的材料具有如下性能：在1100至2000nm的波长范围内具有50%或更大的反射率。 [0035] 此外在反射层上涂覆有作为防氧化保护或防化学侵蚀保护的屏障层。该屏障层因此保护红外线反射层和/或基底免受氧化和腐蚀性侵蚀。 [0036] 对于在红外范围内的射线，屏障层基本上是可穿透的。因此，红外线反射层与屏障层在800和2000nm之间的波长范围内的反射率之比平均大于2、优选大于3、并且特别优选大于5。 [0037] 在本发明的优选的实施方式中，红外线反射层与屏障层在1100和2000nm之间、优选800和2000nm之间的整个波长范围内的反射率的比例大于2、优选大于3、并且特别优选大于5。 [0038] 对于屏障层，可以使用在红外范围内虽然仅具有很小的反射率但是在高温下相对化学侵蚀具有良好稳定性的材料。 [0039] 依据本发明的材料是惰性的并且在炉气氛中特别不产生半导体毒物（Halbleitergifte）。这优选地同样适用于红外线反射材料以及其上布置的屏障层。基于已提到的屏障层，也在化学侵蚀性气氛中在高温应用的情况下大大提高了依据本发明的材料的稳定性，从而使得其使用时间可相对于传统材料得以延长，并且服务时间的间隔、也就是直至更换衬里材料的时间段可显著提高。 [0040] 优选地，红外线反射层直接布置在陶瓷基底上，且屏障层直接布置在红外线反射层上。但是显而易见的是，依据本发明的材料还可包括其它的层，例如用于多个层的更好附着的中间层。 [0042] 在本发明的优选的实施方式中，屏障层包括氮化物，特别地，屏障层基本上由一种氮化物制成。 [0043] 本发明人已经发现，氮化物层在高温和特别由氧、硫或硒的化学侵蚀下具有特别好的屏障效果。作为屏障层，通常使用孔隙度小于1%（计算的孔隙率）的层。 [0044] 通常地，氧化物、特别是氧化硅在已提到的腐蚀性材料的情况下适合于作为针对屏障层的合适材料。但是本发明人已经发现，氧化层、特别是由氧化硅制成的氧化层会导致体系特别在大于700°C的温度下退化，与之相反在使用氮化物层的情况下红外线反射性能即使在700°C或更大的热力负载下仅微弱变化。 [0046] 在本发明的优选的实施方式中使用氮化钛作为红外线反射层。 [0047] 氮化钛是惰性材料，该惰性材料可以依赖于层厚度地从可见光谱范围、也就是从500nm的波长起反射射线。在红外范围内可以达到70至80%的反射率。 [0048] 在本发明的优选的实施方式中，红外线反射层具有在20和500nm之间、优选在50和200nm之间的厚度。 [0049] 已经表明，100nm厚度的层已经足够达到约70%的在红外范围内的反射率。 [0050] 更厚的层，例如400nm和更多导致约80%的更为改善的反射率，但是合乎逻辑地在制备中明显更耗费且与更高的成本关联。 [0051] 屏障层可以具有在5和500nm之间、优选在20和100nm之间的厚度。已经表明，例如30nm的相对较薄的氮化物层已经足以保护位于其下方的红外线反射层免受腐蚀性侵蚀，而在此不会影响TiN-层在红外范围内的光学性能。 [0052] 通过本发明可以提供衬里材料或反射材料，所述衬里材料或反射材料即使在超过24小时的至少700°C的温度负载之后特别在约1100至2000nm的红外波长范围内具有超过50%的反射率。 [0053] 本发明还涉及特别是具有一个或多个上述特征的衬里材料或反射材料，所述衬里材料或反射材料包括玻璃陶瓷基底，将由氮化钛制成的红外线反射层涂覆到该玻璃陶瓷基底上。 [0054] 令人惊讶地表明，通过应用具有氮化钛层的玻璃陶瓷基底可以特别在制造半导体结构元件时提供用于高温应用的衬里材料，通过该衬里材料可以减少对于运行这类设施而言所需的热功率。 [0055] 本发明还涉及上述衬里材料或反射材料在温度超过400°C、优选超过550°C的腐蚀性气氛中的应用。 [0056] 特别地，衬里材料或反射材料在含硫族元素、例如硫和/或硒的气氛中应用，正如该气氛例如在制造在复合半导体基础上的薄层太阳能电池时使用那样。 [0057] 本发明还涉及用于制备衬里材料或反射材料的方法。在此，首先提供玻璃陶瓷基底，并上将红外线反射氮化物层、特别是氮化钛层沉积到该玻璃陶瓷基底上。 [0059] 在本发明的改进方案中，氮化物层以在超过300°C的基底温度下的真空工艺进行沉积。 [0060] 令人惊讶地表明，这样会产生紧密的、也就是具有低孔隙率的层结构，仅可向内扩散少量杂质、特别是氧到该层结构中。氮化物层优选具有小于1%的孔隙度（计算孔隙率）。 [0061] 优选地，沉积在到待溅射的材料的靶平面上的大于5W/cm2、优选大于15W/cm2的高离子能量下进行。 [0062] 在本发明的改进方案中，在氮化物层上沉积有屏障层、特别是如前所述的屏障层。 [0063] 屏障层的沉积借助PVD法、CVD法进行，或者特别在含氧化物的层的情况下通过液相，优选同样借助溅射法且优选在超过200°C、特别优选超过350°C的基底温度下进行。 [0064] 作为屏障层优选应用氮化物层。显而易见的是，在此不是相同的用于反射红外线的氮化物层（例如氮化钛），而是由氮化物或氮氧化物制成的通常相对于红外线透明的层，也就是在红外波长范围内具有比红外线反射层显著更低的反射率，特别是低至少10%、特别优选低40%。屏障层包括其它的不同于红外线反射层的元素。附图说明 [0065] 下面参考示意性描绘的实施例并且借助图1至图3解释本发明。 [0066] 图1示意性描绘地显示了衬里材料或反射材料； [0067] 图2显示了如何制备依据本发明的反射材料的流程图； [0068] 图3显示了不同衬里材料在800和2000nm之间的波长范围内的反射曲线。 具体实施方式[0069] 图1示意性描绘地显示了衬里材料或反射材料1。 [0070] 衬里材料或反射材料1包括玻璃陶瓷基底2。在该实施例中，玻璃陶瓷基底2构造为平坦的片，并且因此特别设置用于设施的加衬。在玻璃陶瓷基底2上沉积有约100nm厚的氮化钛层，该氮化钛层充当红外线反射层。为了保护氮化钛层3，将约30nm厚的由氮化硅制成的屏障层4沉积到氮化钛层3上。 [0071] 如此提供的复合材料因此始终保证在1100和2000nm之间的波长范围内的至少50%的反射，并且也适合用于在温度为400°C和更高的情况下的高温应用和用于在化学腐蚀性气氛中的应用。 [0072] 图2显示了如何制备衬里材料或反射材料的流程图。 [0073] 首先例如以玻璃陶瓷片的形式提供玻璃陶瓷基底5。然后特别借助磁控管溅射法沉积氮化钛层6。 [0074] 氮化钛层的沉积在真空中在超过350°C的基底温度下进行。因此实现产生紧密的、也就是具有低孔隙率的氮化钛层。由此显著减少在后续工艺中、特别是在超过400°C的温度下的杂质原子或者说杂质离子、特别是氧的到该层中的向内扩散。氧向内扩散到氮化钛层中的结果是例如使该氮化钛层的反射性能显著恶化。 [0075] 然后将设置为屏障层的氮化硅层7沉积到氮化钛层上。 [0076] 图3显示了不同衬里材料或反射材料的反射，其中，相对于以%计的反射率（y轴9）绘制以nm计的波长（x轴8）。 [0077] 曲线10显示了上述具有氮化钛层的衬里材料或反射材料的反射分布，在该氮化钛层上存在作为屏障层的氮化硅层。 [0078] 曲线10显示了该材料在初始状态下的反射分布，与之相反曲线11显示了该材料暴露于超过700°C的温度下超过24小时的反射分布。 [0079] 可以看出，反射率在1100nm波长的情况下超过50%，并且直至2000nm连续升高至约70%。 [0080] 此外可以看出，经温度处理的层的反射率11相对于原始状态甚至还略微改善。材料的频带边缘（Bandkante）不由这种温度处理而移动，也就是材料的反射性能即使在高温下仍然维持（从上述由层的压缩所导致的微弱改善可以看出），这对于该材料来说是用作衬里材料的必要条件并且对此是适合的。 [0081] 此处所示的分布是在材料在气氛（空气）中热力处理之后记录的，依据本发明的材料也特别适合用于在化学腐蚀性气氛中的应用。 [0082] 曲线12显示了仅设有氮化钛层的衬里材料或反射材料的反射分布。 [0083] 可以看出，反射率相对于曲线10和11略为更高，在800nm的情况下已经达到大于70%，并且直至2000nm始终超过70%。 [0084] 曲线13显示了材料在500°C的温度下暴露于气氛中超过14小时之后的该材料的反射分布。 [0085] 可以看出，该层由于不具有屏障层而显著退化，并且在1100nm波长的情况下的反射率仅为30%。 [0086] 因此，该不具有屏障层的材料不太适合用于在腐蚀性气氛中的高温应用。 [0087] 曲线14显示了在超过24小时的700°C的温度负载之后，具有氮化钛层作为红外线反射层的衬里材料的反射分布，在该氮化钛层上涂覆有氧化硅层。 [0088] 可以看出，该体系不再显示出足够的效果。反射率在800和2000nm之间的整个波长范围内仅为约10%。因此，氧化硅不适合在氮化钛上、特别是在腐蚀性气氛中作为用于高温应用的屏障层。 [0089] 通过本发明可以提供高温耐用的衬里材料或反射材料，其即使在化学侵蚀性气氛中仍然稳定。 [0090] 附图标记列表 [0091] 1 衬里材料或反射材料 [0092] 2 玻璃陶瓷基底 [0093] 3 氮化钛层 [0094] 4 屏障层 [0095] 5 提供玻璃陶瓷基底 [0096] 6 沉积氮化钛层 [0097] 7 沉积氮化硅层 [0098] 8 x轴 [0099] 9 y轴 [0100] 10-14 反射分布 |
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