CC BY
83
УДК 537.533
ОПТИМИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ТЕПЛООТРАЖАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ
В.Г. Дыскин
НПО «Физика - Солнце» АН Республики Узбекистан. Физико-технический институт,г. Ташкент
E-mail: [email protected]
Приведены результаты компьютерной оптимизации визуального коэффициента пропускания Tv теплоотражающих покрытий SnO2-Ag-SnO2 и TiO2-Ag-TiO2 с защитными слоями. Установлено, что для выполнения условия Tv>80 % толщина защитных слоев серебра для SnO2-Ag-SnO2 не должна превышать 1,5 нм, а для TiO2-Ag-TiO2 - 2 нм. Показано, что теплоотражающие покрытия с одним защитным слоем имеют лучшие оптические характеристики по сравнению с теплоотражающими покрытиями с двумя защитными слоями.
В результате нефтяных кризисов и постоянного роста цен на топливо актуальной задачей становится не только освоение и развитие энергетики на основе альтернативных, например возобновляемых источников энергии, но и внедрение энергосберегающих технологий в строительство жилых, административных и промышленных зданий. Применение в строительстве энергосберегающего остекления уменьшает потребление энергии зимой на обогрев зданий, летом на их охлаждение. Основным элементом конструкций энергосберегающего остекления являются или теплопоглощающие, или нейтрально-окрашенные, или теплоотражающие стекла [1-4].
Теплоотражающее стекло - это листовое стекло, на которое нанесено теплоотражающее покрытие (ТОП), представляющее собой селективное диэлек-трик-металл-диэлектрик покрытие. Применение трехслойной структуры ТОП обусловлено тем, что для увеличения адгезии металла со стеклом наносят промежуточный слой, а для уменьшения коэффициента отражения металла и защиты его от воздействия окружающей среды наносят просветляющий слой. В качестве металлического слоя используются тонкие пленки из Cr, Ni, Ag, Cu, Au, Al, но основным металлом ТОП является серебро, которое сильно отражает солнечное излучение в инфракрасной области спектра и имеет маленькую степень поляризации даже при больших углах падения излучения [5, 6].
В промышленных масштабах нанесение ТОП на плоское строительное стекло осуществляется на магнетронных распылительных установках. Для защиты слоя серебра от воздействия кислородной плазмы при магнетронном способе нанесения покрытий применяют защитные (барьерные) слои [1-4]. Так как металлы, полупроводники, окислы и т. д. образуют сплошные пленки при разных толщинах, то исследование влияния структуры, материала и толщины барьерных слоев на оптические характеристики ТОП представляет практический интерес.
Цель данной работы - методом компьютерного моделирования исследовать влияние структуры, материала и толщины слоев на оптические характеристики теплоотражающих покрытий, определить оптимальные толщины защитных слоев. В качестве объекта исследования были выбраны ТОП SnO2-Ag-SnO2 (SAS) и TiO2-Ag-TiO2 (TAT).
В качестве критерия оптимизации ТОП выбран визуальный коэффициент пропускания Т, который определяется по формуле
2
J E(X)V (X)T (X)dX
T =
_ л
2
J E (X)V (X)dX
(*)
где У(Х) - относительная спектральная чувствительность человеческого глаза [7], Т(А) - коэффициент пропускания системы ТОП - стекло, Я1 и Ь1 границы видимой области спектра, спектра, Е(А) -стандартный спектр прямого потока солнечного излучения АМ1.5 [8]. Спектр нормирован на максимальное значение.
//////////////////.
ss/sss/s/ss/s/ss/s.
//////////////////.
/SSSSS/SSSS/SSSS/S.
/SSSSS/SSSS/SSSS/S,
/SSSSS/SSSS/SSSS/S.
/SSSSS/SSSS/SSSS/S.
/sssss/ssss/ssss/s.
/S//S//S/S//S/SS/S.
/sssss/ssss/ssss/s.
¿SJJSSSSJSSSSJSSSS
У/S/SSSS/SSSS/SSSS/
SS//SSS//SSS/SSSS/
SS/S/SS/S/SS/S/SS/
'l/S/SSSS/SSSS/SSSS/
'‘/S/S/SS/S/SS/S/S/S
'tss/ssss/ssss/sss//
SSSSS/SSSS/SSSS/S
SSSSS/SSSS/SSSS/S
SSSSS/SSSS/SSSS/S
SSSSS/SSSS/SSSS/S
SSSSS/SSSS/SSSS/S
SSSSS/SSSS/SSSS/S
sssss/ssss/ssss/s
SSSSS/SSSS/SSSS/S
и
□
Защитный слой
Стекло
Диэлектрик
а
Рис. 1.
Структура ТОП без защитных слоев (а), с двумя защитными слоями (б), с одним защитным слоем (в). Нумерация слоев сверху вниз
Под оптимизацией в данной работе подразумевается поиск структур, материалов и толщин слоев ТОП, для которых Т имеют наибольшие значения. Материалы, толщины слоев и структуры ТОП, реализующие наибольшие значения Т„ далее именуем оптимальными.
Компьютерные методы проектирования оптических покрытий основаны на использовании математических методов многопараметрической оптимизации [9-11]. Известно, что результаты оптимизации зависят от выбора начальных значений оптимизируемых параметров, поэтому в настоящей работе поиск наибольшего значения (*) осуществлялся методом перебора толщин слоев. Шаг изменения толщины выбирался не меньше, чем точность, с которой можно наносить слои, а интер-
вал изменения толщины слоев выбирался так, чтобы он включал в себя все значения, которые имеют место на практике
dt e[0,75dmm,1,25dmJ,
dmin = minCY Y2X
dmax = max(Yi, y2),
где 4 - толщина /-го слоя покрытия, 71=0,25Я1/и1, 72=0.25А2/и2, п1, п2 - показатели преломления /-го слоя для Я1=0,40 мкм ^=0,75 мкм. Толщина слоя серебра 12 нм, соответствующая сплошной пленке, при моделировании оставалась постоянной. Описание математической модели многослойной тонкопленочной системы и рекуррентные формулы для вычисления коэффициентов отражения, пропускания, поглощения приведены в [9]. Показатель преломления стекла принят равным 1,5. Интеграл рассчитывался численно, Оптические постоянные материалов слоев заимствованы из [10—14].
Была выполнена оптимизация толщин слоев SAS и TAT без защитных слоев (рис. 1, а). Расчеты показали (рис. 2), что для оптимальных толщин коэффициенты пропускания в инфракрасной области спектра практически не отличаются друг от друга, а в коротковолновой области спектра ТАТ имеет лучшие по сравнению с SAS оптические характеристики. Визуальный коэффициент пропускания обоих покрытий равен 97,0 %.
Рис. 2. Спектральный коэффициент пропускания: 1) 5пС2(44нм) -Ад-БпС,(55 нм) и2) ТЮ2(39 нм)-Ад-ТКС(47нм)
На рис. 3 приведены результаты расчетов зависимости Т от толщины защитного слоя для разных материалов. Требования к материалу защитного слоя очевидны: минимальное уменьшение Т„ стойкость к воздействию агрессивной кислородной среды, способность образовывать на поверхности слоев сплошные пленки малой толщины. Моделирование показало, что для ТОП с барьерными слоями (рис. 1, б) оптимальной является симметричная структура, т. е. структура с равными толщинами защитных слоев. Предельную толщину и оптимальный материал защитного слоя можно определить, используя условие Т^Т^, где Т,^ -задаваемое минимальное значение Т,. Например, если 7^=80 % (на рис. 3 - линия, параллельная оси абсцисс), то:
максимальная толщина защитных слоев для SAS - 1,5 нм, для TAT - 2 нм; использование хрома в качестве защитного слоя нецелесообразно;
использование Ti в качестве защитного слоя вместо Ni85Cr15 уменьшает продолжи-тельность рабочего цикла напыления (не нужно тренировать мишени из сплава Ni-Cr в плазме магне-тронного разряда);
барьерные слои толщиной 1,5 нм и 2 нм из Al, Ti, Ni85Cr15, Ni уменьшают визуальный коэффициент пропускания SAS на 10 и 20 %, а TAT на 8,0 и 17,0 %.
6 а
толщина защитного слоя, нм
толщина защитного слоя, нм Рис. 3. Влияние толщины защитных слоев на визуальный коэффициент пропускания ТЮ2-Ад-Т1С2 (а) и 5пС2-Ад-БпС2 (б). Для разных материалов: 1) Б1, 2) А, 3) Т, 4) N/85 С%, 5) N1, 6) Сг
Для улучшения оптических характеристик ТОП в [4] предлагается использовать один защитный слой (рис. 1, в). С целью сравнения оптических характеристик для тех же материалов была выполнена оптимизация визуального коэффициента пропускания ТОП с одним защитным слоем. Результаты оптимизации приведены в таблице.
Сравнение значений Т, и рис. 4 указывают на преимущество ТОП с одним защитным слоем по
б
сравнению с двумя. Очевидно, что применение одного защитного слоя возможно, если серебро не диффундирует в диэлектрический и защитный слои.
Таблица. Результаты расчётов Т„ для ТОП с одним (значение сверху) и двумя (значение снизу) защитными слоями
Барьерный слой SnO2-Ag-SnO2 TiO2-Ag-TiO2
1 нм 2 нм 1 нм 2 нм
Al 94,1 89,9 94,9 92,1
90,0 80,1 92,3 84,9
Ti 92,0 86,6 92,7 88,2
87,2 77,8 88,9 80,6
Ni85Cr15 91,5 85,8 92,3 87,5
86,4 76,3 88,1 79,4
Ni 91,0 84,8 91,6 86,7
85,4 74,4 87,3 77,8
Следует отметить, что применение SnO2 в производстве ТОП обусловлено тем, что ее коэффициент распыления (соответственно и скорость осаждения) в несколько раз выше, чем у ТЮ2 [14]. Наш взгляд, модификация конструкции магнетронных распылительных установок с целью повышения
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слепцов В.В., Спиваков Д.Д., Александров А.Ю. Теплосберегающие стекла и энергосбережение // Теплоэнергетика. -
1999. - № 4. - С. 45-47.
2. Минько Н.И., Михальчук И.Н., Липко М.Ю. Модифицирование поверхности листового стекла // Стекло и керамика. -
2000. - № 4. - С. 3-7.
3. Martin-Palma R.J., "Vazquez L., Martinez-Duart J.M., Malats-Rie-ra. Silver-based low-emissivity coatings for architectural windows: Optical and structural properties // Solar Energy Materials and Collar Cells. - 1998. - № 5. - P. 55-66.
4. Баинов Д.Д., Кривобоков В.П., Легостаев В.Н. Оптимизация просветления теплоотражающих покрытий // Гелиотехника. -2004. - № 3. - С. 85-91.
5. Розенберг Г.В. Современное состояние теории оптических свойств полупрозрачных металлических покрытий // Успехи физических наук. - 1956. - Т. 58. - № 3. - С. 487-518.
6. Введенский В.Д., Пинская Р.Я., Фурман Ш.А., Шестакова ТВ. Широкополосные отражатели на основе пленок серебра // Оптико-механическая промышленность. - 1983. - № 12. - С. 48.
7. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - М: Наука. 1979. - 368 с.
8. Колтун М.М. Солнечные элементы. - М: Наука. 1987. - 192 с.
коэффициента распыления материалов мишени, будет способствовать внедрению в производство ТОП на основе ТЮ2 [15].
Рис. 4. Спектральный коэффициент пропускания Т1С-2-Ад-ТЮ2 (1, 3) и БпС2 -Ад-5пС2 (2, 4) с одним (1, 2) и двумя (3, 4) защитными слоями N¡¡30^
Автор благодарит доктора физ.-мат. наук, профессора
В.П. Кривобокова за обсуждение работы и полезные замечания.
9. Яковлев П.Г., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий. - М.: Машиностроение. 1987. - 186 с.
10. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. - М.: Мир, 1975. - 534 с.
11. Гуснин С.Ю., Омельянов Г.А., Резников ГА., Сироткин В.С. Минимизация в инженерных расчетах на ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1981. - 121 с.
12. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. - Л.: Химия, 1984. - 215 с.
13. Сасовская И.И, Носков М.М. Оптические свойства никеля // Физика металлов и металловедение. - 1971. - Т. 32. - № 4. -
C. 723-727.
14. Горбань Н.Я., Стащук В.С., Шишловский А.А. Особенности поглощения света в сплавах Ni-Cr // Журнал прикладной спектроскопии. - 1974. - Т. 20. - № 5. - С. 881-885.
15. Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления. - М.: ИАЭ им. И.В. Курчатова, 1979. - 80 с.
16. Жуков В.В., Кривобоков В.П., Янин С.Н. Распыление мишени магнетронного диода в присутствии внешнего ионного пучка // Журнал технической физики. - 2006. - Т. 76. - № 4. - С. 61-67.
Поступила 15.09.2006 г.
