Покрытия, создаваемые химической обработкой, обычно применяются для декоративных целей, дешевы и имеют широкое применение. Ряд исследователей изучали оптические свойства окрашенной нержавеющей стали, окислов меди, сульфидов меди, покрытий, полученных при хроматных и хлоридных превращениях цинка, и покрытий "Алкоа 655". Для химической обработки использовались стандартные растворы фирмы "Харшоу". В следующем разделе будут рассмотрены свойства и способы изготовления различных селективных поверхностей для преобразователей солнечной энергии путем химической обработки.
Сульфид меди
Сульфид меди представляет собой полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ, для которого характерны прямые переходы носителей заряда. Покрытие из сульфида меди можно изготовить путем химической обработки поверхности меди в ванне, содержащей раствор сульфида аммония [242]. На рис. 5.4.1 представлены спектральные отражательная и пропускательная способности покрытия из Cu2S , полученного путем химической обработки.
Рис. 5.4.1. Спектральная отражательная и пропускательная способности покрытия из Cu2S, полученного химическим путем из сульфата меди [242].
Поглощательная способность этого покрытия относительно солнечного излучения составляла всего 0,79, поскольку оно не поглощает в ближней ИК-области спектра. Для измерения пропускательной способности пленки Cu2S в ИК-области тонкую (толщиной 1 мкм) пленку меди полностью превращали в пленку Cu,s, которую затем истирали в порошок и запрессовывали в таблетку КВr.
Черный цинк
В Льюисском научно-исследовательском центре НАСА были исследованы селективные свойства покрытий, полученных путем электрохимического осаждения и последующего химического превращения цинка [255]. Такое покрытие изготовляли методом хлоридной и хроматной обработки в стандартном растворе "Неостар ТМ блэк хромат" по технологии фирмы "Харшоу". В работах [251, 256, 257] описан незапатентованный метод чернения цинка, служащего анодом в ванне с раствором NaОН и NaNO3, с помощью переменного тока.
На образцы сначала электрохимическим путем наносили соединение цинка (патент фирмы "Харшоу"), затем их на некоторое время опускали в раствор для химической обработки [255]. Оптические свойства селективных поверхностей изучали в зависимости от времени обработки в этом растворе. Хроматную обработку проводили при концентрации нормального раствора "Неостар ТМ, блэк хромат", составляющей 50, 75 и 100%. С увеличением времени обработки образцы из красных превращались сначала в фиолетовые, а затем в агатово-черные.
Рис. 5.4.2. Спектральные отражательные способности покрытий из черного цинка, полученных хроматной обработкой в растворах с концентрацией 50 (а), 75 (б) и 100% (в) при различных длительностях обработки [255].
Длительность обработки: 1 - 0,25 мин; 2 - 0,5 мин; 3 — 0,75 мин; 4—0 мин.
Спектральные отражательные способности покрытий, изготовленных путем электрохимического осаждения и последующего химического превращения цинка при хроматной обработке в растворах с концентрацией 50, 75 и 100%, показаны на рис. 5.4.2, а - в соответственно. Для хлоридной обработки был использован раствор "Неостар ТМ блэк хлорид".
Риc. 6.4.2 (продолжение).
Обычно покрытия, полученные при хлоридной и хроматной обработках, различаются по внешнему виду. При хлоридной обработке получается матовое покрытие, состоящее из темных частиц, которые можно счистить. Спектральная отражательная способность такого покрытия представлена на рис. 5.4.3.
Оптимальные значения поглощательной способности относительно солнечного излучения и степени черноты цинковых покрытий, изготовленных при хроматной и хлоридной обработках, составляли 0,79 и 0,07; 0,93 и 0,08 соответственно. При хроматной обработке покрытия имели хорошее сцепление с материалом, а при хлоридной - плохое.
В работе [256] был предложен следующий процесс изготовления селективного покрытия из окисла цинка, получивший дальнейшее развитие в работе [251]. На очищенную поверхность стального образца наносили в течение 30 мин блестящий цинк из электролита, содержащего 75 г/л цианистого цинка, 125 г/л цианистого натрия, 85 г/л гидроокиси натрия, 2 г/л блескообразующей органической добавки ΤΝΟ, при pH > 1,3, температуре 250°С и плотности тока 4 А/дм2. Был использован цинковый анод. Для получения покрытий из окисла цинка образцы подвергали анодной обработке с использованием переменного тока в растворе, содержащем 25 г/л NaOH, 20 г/л NaNO3 при температуре 25 - 40°С.
Р и с. 5.4.3. Спектральная отражательная способность покрытия из черного цинка, полученного хлоридной обработкой при различных длительностях обработки [255].
Длительность обработки: 1 — 0,25 мин; 2 - 0,5 мин; 3-1 мин; 4-0 мин.
Рис. 5.4.4. Спектральные отражательные способности покрытий из черного окисла цинка на стальной подложке с подслоем цинка, полученного анодной обработкой в электролите, содержащем 25 г/л NaОН и 20 г/л NaNO3 при температуре 40°С, плотности тока 20 мА/см2 и различных длительностях обработки [252].
Длительность обработки: --------------------------------------- 1 мин;------------- 1,5 мин.
Продолжительность обработки 8-15 мин, толщина покрытий 4-6 мкм. На рис. 5.4.4 представлены спектральные отражательные способности покрытий из черного окисла цинка на стальной подложке с цинковым подслоем после анодной обработки в электролите при различных длительностях этого процесса. Значения поглощательной способности относительно солнечного излучения и степени черноты составляли примерно 0,95 и 0,08 соответственно. Сообщается, что при воздействии низких температур (< 80°С) и ультрафиолетового излучения не наблюдается заметных изменений оптических свойств покрытий,, а при воздействии высокой температуры увеличивается степень черноты [ 252]. Было отмечено, что эти покрытия проявляют достаточную коррозионную стойкость при низких температурах и, следовательно, могут быть использованы в низкотемпературных солнечных коллекторах.
Окрашенная нержавеющая сталь
Ряд исследователей изучали оптические свойства селективных поверхностей из окрашенной нержавеющей стали [258 - 261]. В прошлом процесс окрашивания применяли для декоративных целей. Окрашивание нержавеющей стали осуществляли путем погружения ее в горячий раствор, содержащий в соответствующих количествах хлорную и серную кислоты [ 262], и в результате формировалась пленка. Однако такая пленка получается непрочной и поэтому имеет ограниченное применение. Этот недостаток был устранен [263, 264] упрочнением пленки, происходящим при катодной обработке в аналогичном растворе, содержащем хромовую и серную кислоты [ 262].
Таблица 5.4.1. Оптические характеристики селективных поверхностей преобразователей солнечной энергии из нержавеющей стали, полученных путем химической обработки [ 258 ]
Рис. 5.4.5. Спектральные отражательные способности селективных поверхностей, полученных химической обработкой стали [258].
а- сталь производства фирмы SEU-------------
золотистая,----------------------------------------------------
синяя,— · —красная,..— .. — зеленая,· · · · · серая сталь производства фирмы INСО; б - сталь производства фирмы INCQ: золотистая, синяя,------------------------------------------------- ------------------
красная, —··-— зеленая.
Окрашенные поверхности обладали хорошей коррозионной стойкостью и износостойкостью, а процесс их формирования не вызывал уменьшения адгезии или интенсивности окраски. На рис. 5.4.5 представлены спектральные отражательные способности при комнатной температуре девяти образцов из нержавеющей стали [ 258] (фирмы SEL, Лондон, и международной фирмы "Никель" (1NCO), Нью-Йорк). Отражательная способность всех образцов при длине волны более 7 мкм почти одинакова. Оптические свойства различных окрашенных селективных поверхностей из нержавеющей стали приведены в табл. 5.4.1. Из данных, представленных на рис. 5.4.5 и в табл. 5.4.1, ясно, что самой высокой степенью селективности обладает синяя сталь. Изучалось также влияние термической обработки осажденных покрытий в вакууме и на воздухе [258, 259].
Авторами работы [ 265] предложен и с успехом применен метод пассивации молибдена для защиты его от окисления, состоящий в нанесении на его поверхность какой-либо из следующих пленок: Сr2О3, Si О2, Si2О3 или Si3N4. Образцы с нанесенными пленками обладали высокой поглощательной способностью относительно солнечного излучения.
