Published May 3, 2023 | Version v1
Publication Open

Comparison of structure and solar-selective absorbance properties of Al2O3 thin films with Al and Ni reflector interlayers

Creators

  • 1. Cairo University
  • 2. British University in Egypt
  • 3. Modern Academy

Description

Abstract This work aims at evaluating the selective solar absorbance (SSA) of Al 2 O 3 thin films deposited by physical vapor deposition (PVD) with two different metallic reflector interlayers. Al 2 O 3 thin films are deposited on the same substrate stainless steel (SS) 304L, with two different interlayers between the thin film and the substrate, namely, nickel (Ni) and aluminum (Al) are used as the reflector interlayer SS304L/Al/Al 2 O 3 and SS304L/Ni/Al 2 O 3 . A scanning electron microscope (SEM) was utilized to characterize the chemical composition by energy dispersive X-ray analysis (EDX) and surface morphology of the deposited thin films. The phases of the thin films were analyzed and identified by X-ray diffraction (XRD) to detect the present phases. The surface topography and the thickness of the deposited thin films were investigated using an atomic force microscope (AFM). The optical properties of the substrate and the deposited thin films (absorbance & emittance) in two conditions were identified by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and spectrophotometer. The obtained results demonstrate that both SS304L/Al/Al 2 O 3 and SS304L/Ni/Al 2 O 3 show good performance, such as high solar absorbance and low thermal emittance. However, the Al/Al 2 O 3 thin film provides high selectivity (absorbance/emittance ( α/ε )) of 0.916/0.05, compared to 0.913/0.15 for the Ni/Al 2 O 3 coating. The effect of different properties and microstructure on the efficiency of deposited thin films showed that the SS304L/Al/Al 2 O 3 has higher absorbance (92%) in visible and ultraviolet (UV) regions; and lower emittance (5%) than the SS304L/Ni/Al 2 O 3 . This work shows that the intermediate IR layer has a more pronounced effect on the emittance properties rather than the absorbance properties of the Al/Al 2 O 3 layer.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص يهدف هذا العمل إلى تقييم الامتصاص الشمسي الانتقائي (SSA) للأغشية الرقيقة Al 2 O 3 المودعة بواسطة ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) مع طبقتين مختلفتين من العاكس المعدني. تترسب الأغشية الرقيقة Al 2 O 3 على نفس الطبقة الفولاذية المقاومة للصدأ (SS) 304L، مع طبقتين متداخلتين مختلفتين بين الطبقة الرقيقة والركيزة، وهما النيكل (Ni) والألومنيوم (Al) كطبقة بينية للعاكس SS 304 L/Al/Al 2 O 3 و SS 304 L/Ni/Al 2 O 3 . تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتوصيف التركيب الكيميائي عن طريق تحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) والمورفولوجيا السطحية للأغشية الرقيقة المترسبة. تم تحليل مراحل الأغشية الرقيقة وتحديدها بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD) للكشف عن المراحل الحالية. تم التحقيق في التضاريس السطحية وسمك الأغشية الرقيقة المترسبة باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). تم تحديد الخصائص البصرية للركيزة والأغشية الرقيقة المترسبة (الامتصاص والانبعاث) في حالتين من خلال مطيافية فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) ومقياس الطيف الضوئي. تظهر النتائج التي تم الحصول عليها أن كلا من SS304L/Al/Al 2 O 3 و SS304L/Ni/Al 2 O 3 يظهران أداءً جيدًا، مثل الامتصاص الشمسي العالي والانبعاث الحراري المنخفض. ومع ذلك، يوفر الغشاء الرقيق Al/Al 2 O 3 انتقائية عالية (الامتصاص/الانبعاث ( α/ε )) لـ 0.916/0 .05، مقارنة بـ 0.913/0 .15 لطلاء Ni/Al 2 O 3. أظهر تأثير الخصائص المختلفة والبنية المجهرية على كفاءة الأغشية الرقيقة المترسبة أن SS304L/Al/Al 2 O 3 لديه امتصاص أعلى (92 ٪) في المناطق المرئية والأشعة فوق البنفسجية (UV) ؛ وانبعاث أقل (5 ٪) من SS304L/Ni/Al 2 O 3 . يوضح هذا العمل أن طبقة الأشعة تحت الحمراء الوسيطة لها تأثير أكثر وضوحًا على خصائص الانبعاث بدلاً من خصائص الامتصاص لطبقة Al/Al 2 O 3.

Translated Description (French)

Résumé Ce travail vise à évaluer l'absorbance solaire sélective (ASS) de films minces d'Al 2 O 3 déposés par dépôt physique en phase vapeur (PVD) avec deux intercalaires réflecteurs métalliques différents. Des films minces d'Al 2 O 3 sont déposés sur le même substrat en acier inoxydable (SS) 304L, avec deux couches intermédiaires différentes entre le film mince et le substrat, à savoir, le nickel (Ni) et l'aluminium (Al) sont utilisés comme couche intermédiaire de réflecteur SS304L/Al/Al 2 O 3 et SS304L/Ni/Al 2 O 3 . Un microscope électronique à balayage (MEB) a été utilisé pour caractériser la composition chimique par analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et morphologie de surface des films minces déposés. Les phases des films minces ont été analysées et identifiées par diffraction des rayons X (DRX) pour détecter les phases présentes. La topographie de surface et l'épaisseur des couches minces déposées ont été étudiées à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM). Les propriétés optiques du substrat et des couches minces déposées (absorbance & émittance) dans deux conditions ont été identifiées par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et spectrophotomètre. Les résultats obtenus démontrent que SS304L/Al/Al 2 O 3 et SS304L/Ni/Al 2 O 3 présentent de bonnes performances, telles qu'une absorbance solaire élevée et une faible émittance thermique. Cependant, le film mince Al/Al 2 O 3 fournit une sélectivité élevée (absorbance/émittance ( α/ε )) de 0.916/0.05, par rapport à 0.913/0 .15 pour le revêtement Ni/Al 2 O 3. L'effet de différentes propriétés et microstructures sur l'efficacité des films minces déposés a montré que le SS304L/Al/Al 2 O 3 a une absorbance plus élevée (92 %) dans les régions visibles et ultraviolettes (UV) ; et une émittance plus faible (5 %) que le SS304L/Ni/Al 2 O 3 . Ce travail montre que la couche IR intermédiaire a un effet plus prononcé sur les propriétés d'émittance plutôt que sur les propriétés d'absorbance de la couche Al/Al 2 O 3.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este trabajo tiene como objetivo evaluar la absorbancia solar selectiva (SSA) de películas delgadas de Al2O3 depositadas por deposición física de vapor (PVD) con dos capas intermedias de reflectores metálicos diferentes. Las películas delgadas de Al 2 O 3 se depositan sobre el mismo sustrato de acero inoxidable (SS) 304L, con dos capas intermedias diferentes entre la película delgada y el sustrato, a saber, el níquel (Ni) y el aluminio (Al) se utilizan como la capa intermedia reflectora SS304L/Al/Al 2 O 3 y SS304L/Ni/Al 2 O 3 . Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM) para caracterizar la composición química mediante análisis de rayos X de dispersión de energía (edX) y la morfología de la superficie de las películas delgadas depositadas. Las fases de las películas delgadas se analizaron e identificaron mediante difracción de rayos X (XRD) para detectar las presentes fases. La topografía de la superficie y el espesor de las películas delgadas depositadas se investigaron utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM). Las propiedades ópticas del sustrato y las películas delgadas depositadas (absorbancia y emitancia) en dos condiciones se identificaron mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y espectrofotómetro. Los resultados obtenidos demuestran que tanto SS304L/Al/Al 2 O 3 como SS304L/Ni/Al 2 O 3 muestran un buen rendimiento, como una alta absorbancia solar y una baja emitancia térmica. Sin embargo, la película delgada de Al/Al 2 O 3 proporciona una alta selectividad (absorbancia/emitancia ( α/ε )) de 0.916/0.05, en comparación con 0.913/0.15 para el recubrimiento de Ni/Al 2 O 3. El efecto de las diferentes propiedades y microestructura en la eficiencia de las películas delgadas depositadas mostró que el SS304L/Al/Al 2 O 3 tiene mayor absorbancia (92%) en las regiones visibles y ultravioletas (UV); y menor emitancia (5%) que el SS304L/Ni/Al 2 O 3 . Este trabajo muestra que la capa IR intermedia tiene un efecto más pronunciado sobre las propiedades de emitancia en lugar de las propiedades de absorbancia de la capa de Al/Al 2 O 3.

Files

s11696-023-02842-z.pdf.pdf

Files (1.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:970f65db1402cfeaa92cb13f15e39ab7
1.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مقارنة بين خصائص الهيكل والامتصاص الانتقائي للطاقة الشمسية للأغشية الرقيقة Al2O3 مع الطبقات البينية لعاكس Al و Ni
Translated title (French)
Comparaison de la structure et des propriétés d'absorbance à sélectivité solaire des couches minces d'Al2O3 avec les couches intermédiaires des réflecteurs d'Al et de Ni
Translated title (Spanish)
Comparación de la estructura y las propiedades de absorbancia selectiva solar de películas delgadas de Al2O3 con capas intermedias de reflectores de Al y Ni

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4368376486
DOI
10.1007/s11696-023-02842-z

Is supplement to
https://openalex.org/W63996770 (Other)
https://openalex.org/W2612063872 (Other)
https://openalex.org/W2560752680 (Other)
https://openalex.org/W2466019660 (Other)
https://openalex.org/W2379252595 (Other)
https://openalex.org/W2188854556 (Other)
https://openalex.org/W2104100176 (Other)
https://openalex.org/W2088718888 (Other)
https://openalex.org/W2028574867 (Other)
https://openalex.org/W2010871459 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1499167801
  • https://openalex.org/W1981966175
  • https://openalex.org/W2001224688
  • https://openalex.org/W2002382852
  • https://openalex.org/W2032117067
  • https://openalex.org/W2073008716
  • https://openalex.org/W2076999377
  • https://openalex.org/W2088650339
  • https://openalex.org/W2108791241
  • https://openalex.org/W2463090469
  • https://openalex.org/W2485938800
  • https://openalex.org/W2600272962
  • https://openalex.org/W2623530443
  • https://openalex.org/W2782216415
  • https://openalex.org/W2793140637
  • https://openalex.org/W2804429505
  • https://openalex.org/W2806961698
  • https://openalex.org/W2900770121
  • https://openalex.org/W2901380934
  • https://openalex.org/W2905721630
  • https://openalex.org/W2907370573
  • https://openalex.org/W2940070419
  • https://openalex.org/W2966846129
  • https://openalex.org/W2971563708
  • https://openalex.org/W2987172363
  • https://openalex.org/W2996725535
  • https://openalex.org/W2997446162
  • https://openalex.org/W2997905144
  • https://openalex.org/W3004697240
  • https://openalex.org/W3013942621
  • https://openalex.org/W3142566270
  • https://openalex.org/W3214851150
  • https://openalex.org/W4210417869
  • https://openalex.org/W4213294824
  • https://openalex.org/W4225399965
  • https://openalex.org/W4281550814
  • https://openalex.org/W4281896046
  • https://openalex.org/W4282925844
  • https://openalex.org/W4303832657
  • https://openalex.org/W4312235534
  • https://openalex.org/W4382585403