Abschlussbericht zum Vorhaben. Hocheffiziente Flachkollektoren mit selektiv beschichteten Zweischeibenverglasungen

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1 Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln/Emmerthal Abschlussbericht zum Vorhaben Hocheffiziente Flachkollektoren mit selektiv beschichteten Zweischeibenverglasungen Kurzbezeichnung: HFK Low-e Förderkennzeichen: A-D Laufzeit: S. Föste, N. Ehrmann, F. Giovannetti, R. Reineke-Koch Institut für Solarenergieforschung Hameln GmbH (ISFH) F. Uslu Euroglas GmbH M. Krämer Vaillant GmbH G. Hesse Solvis GmbH & Co. KG Dezember 2013 Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

2 Verbundpartner und Verbundkoordination Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Abteilung Solarthermie Projektleiter: Dr. Federico Giovannetti weitere Ansprechpartner: Dr. Nicole Ehrmann, Dr. Sebastian Föste, Dr. Rolf Reineke-Koch Am Ohrberg 1 D Emmerthal Tel Fax Verbundpartner Solvis GmbH & Co. KG Ansprechpartner: Gunther Hesse Grotrian-Steinweg-Str. 12 D Braunschweig Vaillant GmbH Ansprechpartnerin: Michaela Krämer Berghauser Str. 40 D Remscheid Euroglas GmbH Ansprechpartner: Jürgen Nahr, Dr. Fahri Uslu Dammühlenweg Haldensleben Mitwirkende Industriepartner Bystronic Lenhardt GmbH Ansprechpartner: Tobias Neff Karl-Lenhardt-Str. 1-9 D Neuhausen-Hamberg KÖMMERLING Chemische Fabrik GmbH Ansprechpartner: Frank Simon Zweibrücker Str. 200 D Pirmasens

3 Abschlussbericht HFK Low-e ii Danksagung Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert. Die fachliche und administrative Projektbegleitung erfolgte durch den Projektträger Jülich (PtJ), namentlich Herrn Dr. Peter Donat. Die fachliche und finanzielle Unterstützung der beteiligten Kooperationspartner Bystronic GmbH und Kömmerling Chemische Fabrik GmbH wie auch die hervorragende Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern Euroglas GmbH, Solvis GmbH & Co. KG und Vaillant GmbH haben die Projektdurchführung erst möglich gemacht. Die Autoren bedanken sich bei allen Partnern und beim Fördermittelgeber für die Unterstützung ihrer Arbeiten.

4 Abschlussbericht HFK Low-e i Inhaltsverzeichnis Nomenklatur... iii Zusammenfassung... vi 1 Einleitung Motivation Projektziele Technischer und wissenschaftlicher Stand zum Projektbeginn Projektmanagement Schichtentwicklung Stand der Technik nach dem HGlas Projekt Voruntersuchungen am ISFH und bei Euroglas ITO-Beschichtung bei Euroglas Charakterisierung der ITO-Beschichtung von Euroglas AZO-Beschichtung mit der Laboranlage am ISFH AZO-Beschichtungen mit Rohrtargets am ISFH Glasvorpannprozess am ISFH Entwicklung ESG-fähiger AZO-Schichtsysteme AZO-Schichtsysteme bei Euroglas AZO-Schichtsysteme am ISFH Beständigkeitstests Beständigkeitstests von ITO-Schichtsystemen Beständigkeitstest von AZO-Schichtsystemen Leistungsfähigkeit des HFK Stand des Wissens nach dem HGlas-Projekt Kollektormodell und Validierung Kollektormodell Vergleich Messung und Modell Einfluss der Rückseitendämmung Messungen an Kollektormustern Simulation von Wirkungsgraden und Kollektorerträgen Einfluss der Seitendämmung Einfluss ITO-Schichtdicke Einfluss Gasfüllung Antireflex-Schicht (AR) auf Position Gebrauchstauglichkeit Auftretende Temperaturbelastung Dämmstoffe... 72

5 Abschlussbericht HFK Low-e ii Wärmeleitfähigkeit Ausgasungsverhalten Absorber Verglasungen Hochtemperaturbelastung Überlagerte UV- und Temperaturbelastung Exposition von Versuchskollektoren Durchführung Untersuchung der Degradation Industrielle Kollektorentwicklung Kollektorentwicklung bei Vaillant Kollektorentwicklung bei Solvis Entwicklungsphase I Entwicklungsphase II Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Kostenermittlung Simulation des Bruttowärmeertrags Simulation eines solaren Heizungssystems Simuliertes System Ergebnisse Fazit Veröffentlichungen und Präsentationen Verwertbarkeit der Ergebnisse Allgemeine Erkenntnisse zu hocheffizienten Flachkollektoren Versuchsmuster für industrielle Kollektoren Low-e-Beschichtungen auf TCO-Basis Dichtstoffe für Kollektorverglasungen und deren Fertigung Wissenschaftliche und Wirtschaftliche Anschlussfähigkeit Schutzrechtsanmeldungen Literatur

6 Abschlussbericht HFK Low-e iii Nomenklatur Lateinische Symbole Symbol Bezeichnung Einheit a1 linearer Wärmeverlustkoeffizient W/(m²K) a2 quadratischer Wärmeverlustkoeffizient W/(m²K²) a60 effektiver Wärmeverlustkoeff. bei TF = 60 K W/(m²K) AKoll Kollektorfläche (Apertur) b0 Koeffizient des IAM nach Souka u. Safwat - c spezifische Wärmekapazität kj/m²k d Dicke bzw. Abstand mm d Schichtdicke nm Eg Bandlücke ev fges Gesamtgasfluss sccm fo2 Sauerstofffluss sccm fsav,ext anteilige Primärenergieeinsparung - G globale Bestrahlungsstärke W/m² h Häufigkeit h k Extinktionskoeffizient - m* Effektive Masse - n Brechungsindex - Ne Ladungsträgerdichte cm -3 p Druck mbar PDC DC-Leistung W Q Wärmestrom W Rsheet Schichtwiderstand Ω/sq. Rsolar Solare Reflexion % Rvis Visuelle Reflexion % TAbs Absorbertemperatur C Ts Substrattemperatur C

7 Abschlussbericht HFK Low-e iv Tsol Solare Transmission % Tu Umgebungstemperatur C Tvis Visuelle Transmission % Indizes A bzw. Abs ein G o R u w Absorber am Fluideintritt des Kollektors Glasscheibe oben Rückwand unten Durchbiegung bzw. Verformung Griechische Symbole Symbol Bezeichnung Einheit Ellipsometrischer Winkel T bzw. TF Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Umgebung d Änderung des Abstands Emissivität % Kollektorwirkungsgrad - Konversionsfaktor - λ Wärmeleitfähigkeit W/(mK) Wellenlänge nm µe Ladungsträgermobilität cm 2 /(Vs) Transmission % Reflexion % e Spez. Widerstand Ωcm Ellipsometrischer Winkel K

8 Abschlussbericht HFK Low-e v Abkürzungen Al AR AZO CPC Cu DIBt ESG FK FMEA H HFK IR ITO low-e M NIR O2 PEM REM SE Aluminium mit Antireflexschicht versehen Aluminium dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) Compound Parabolic Concentrator Kupfer Deutsches Institut für Bautechnik Einscheibensicherheitsglas Flachkollektor Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse Harfenförmige Verrohrung hocheffizienter Flachkollektor (mit selektiver Doppelverglasung) infraroter Wellenlängenbereich Zinn dotiertes Indiumoxid (In2O3:Sn) niedrigemittierende Schicht (low emitting) Mäanderförmige Verrohrung Nahinfraroter Wellenlängenbereich Sauerstoff Plasma-Emissions-Monitoring Rasterelektronenmikroskop Spektrale Ellipsometrie TCO Transparent leitfähiges Oxid (Transparent conductive oxide) UV Ultraviolette Strahlung VRK Vakuumröhrenkollektor

9 Abschlussbericht HFK Low-e vi Zusammenfassung Im Projekt Hocheffiziente Flachkollektoren mit selektiv beschichteten Zweischeibenverglasungen (Kurzbezeichnung HFK Low-e) wurde ein hocheffizienter Flachkollektor mit reduzierten Wärmeverlusten über die transparente Abdeckung entwickelt. Das Verbundprojekt wurde vom Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) in Kooperation mit den Verbundpartnern Euroglas GmbH, Vaillant GmbH und Solvis Energiesysteme GmbH & Co KG vom bis zum durchgeführt. Ferner haben die Industriepartner Bystronic Lenhardt GmbH und Kömmerling Chemische Fabrik GmbH mitgewirkt. Der entwickelte Flachkollektor verwendet als transparente Abdeckung eine Doppelverglasung mit hermetischer Abdichtung. Der Scheibenzwischenraum ist mit einem Edelgas (in der Regel Argon) gefüllt, das den Wärmetransport durch Konvektion und Leitung gegenüber Luft reduziert. Kernkomponente der Verglasung ist eine niedrigemittierende Beschichtung auf Position 3 der Verglasung, das heißt auf der Außenseite der inneren Glasscheibe. Diese Beschichtung sorgt für eine deutliche Reduzierung der Wärmeverluste durch Strahlung. Wichtige Anforderung für diese Beschichtung ist eine hohe solare Transmission, um einen hohen Energieeintrag in den Kollektor zu gewährleisten. Im Projekt wurde eine solche Beschichtung, basierend auf transparenten leitfähigen Oxiden (engl.: transparent conductive oxides; TCO s), entwickelt. Es wurden zwei unterschiedliche TCO-Materialien eingesetzt. Die Fa. Euroglas hatte zu Beginn des Projekts bereits ein bestehendes Produkt mit Zinn-dotiertem Indiumoxid (ITO) für Architekturanwendungen zur Verfügung, um die Beschlagsproblematik von Drei- Scheibenverglasungen zu reduzieren. Diese Beschichtung wurde als Außenbeschichtung entwickelt und ist daher witterungsstabil. Im HFK-Low-e Projekt wurden die optischen Eigenschaften der ITO-Beschichtung für die Kollektoranwendung entsprechend angepasst und optimiert. Da ITO aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten nicht optimal für die hier vorliegende Großflächenanwendung ist, wurde ebenfalls ein Schichtsystem basierend auf Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) entwickelt. Bei der Entwicklung des AZO-Schichtsystems konnte zunächst auf Ergebnisse aus dem voran gegangenen HGlas-Projekt (FKZ D) zurückgegriffen werden, welches am ISFH im Labormaßstab entwickelt worden war. Bei dem HFK-Low-e Projekt stand nun jedoch die Skalierung der AZO-Beschichtung auf große Flächen und die industrielle Herstellung und Nachbearbeitung der Schichten im Vordergrund. Damit die Herstellung der Schichten wirtschaftlich ist, sind die Verwendung von Rohrtargets und eine Prozessführung ohne Substratheizung entscheidend. Hierfür wurde am ISFH ein Sputterprozess mit AZO-Rohrtargets eingefahren, der mit dem in der Produktionsanlage bei der Fa. Euroglas vergleichbar ist. Dies ermöglicht eine schnelle Überführung von Ergebnissen aus dem Labor in die industrielle Fertigung. Ein entscheidender Schritt lag in der Nachbearbeitung der beschichteten Scheiben zum Einscheibensicherheitsglas (ESG), welches für die Kollektoranwen-

10 Abschlussbericht HFK Low-e vii dung erforderlich ist. Üblicherweise ist AZO bei hohen Temperaturen empfindlich gegenüber Feuchte und umgebenden Sauerstoff. Durch die Wahl geeigneter Schutzschichten ist es jedoch gelungen, ein AZO-Schichtsystem in industriellem Maßstab herzustellen, welches der hohen Temperaturbelastung während des ESG-Prozesses standhält und dessen Eigenschaften sich sogar verbessern. Die Beständigkeit der Schichten gegenüber Kondenswasser, Salz- und Säurebelastungen wurde nach DIN EN (Probenklasse A) überprüft. Am ISFH wurden verschiedene Musterkollektoren unter Verwendung der neu entwickelten Low-e Beschichtungen gebaut und die Leistungsfähigkeit anhand von Wirkungsgradmessungen untersucht. Der Einfluss der optischen Eigenschaften der Low-e Beschichtung auf den Kollektorwirkungsgrad wurde anhand von Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Schichtdicken der ITO-Funktionsschicht untersucht. Dabei wurde nur ein geringer Einfluss der Schichtdicke im untersuchten Bereich auf die Kollektorleistungsfähigkeit ermittelt. Aufgrund der deutlich reduzierten Aperturwärmeverluste des HFK im Vergleich zu einem herkömmlichen Flachkollektor ist der Einfluss der Rückseitendämmung auf die Kollektorleistungsfähigkeit größer. Dieser Effekt wurde ausgiebig durch Messungen und Simulationen quantifiziert. Bei Einsatz von Mineralwolle wird deshalb eine verstärkte Rückseitendämmung von 80 mm anstelle der üblicherweise eingesetzten 50 mm empfohlen, wenn der Nachteil der größeren Bauhöhe in Kauf genommen werden kann. Zudem wurden weitere innovative Dämmstoffe auf ihre Eignung für den Flachkollektor getestet. Es konnte jedoch keine wirtschaftliche Alternative zur herkömmlich in Kollektoren verwendeten Mineralwolle identifiziert werden. Weiterhin wurde der Einfluss von unterschiedlich vielen Antireflexbeschichtungen in der Verglasung sowie unterschiedlicher Gasfüllungen (Argon, Krypton, Luft) auf den Kollektorwirkungsgrad experimentell ermittelt. Ein optimierter Musterkollektor mit einer ITO-Funktionsschicht auf Position 3 der Verglasung und Antireflexschichten auf den übrigen Glasoberflächen erreichte einen Konversionsfaktor von 0,799 und Wärmeverlustkoeffizienten a1 = 2,25 W/(m²K) und a2 = 0,010 W/(m²K). Damit übersteigt der erzielte Wirkungsgrad bei einer Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Umgebung von 60 K (G = 500 W/m²) den eines herkömmlichen Flachkollektors um etwa 70 %. Aufgrund der reduzierten Wärmeverluste werden deutlich höhere Stagnationstemperaturen an den Kollektorkomponenten erreicht, denen diese langfristig standhalten müssen. Am Absorber wurden eine Stagnationstemperatur von 264 C unter Normbedingungen (Tu = 30 C, G = 1000 W/m²) gemessen. Die hohe Temperaturbelastung und eine temperaturbedingte Verformung der inneren Glasscheibe des Kollektors führen dazu, dass Verformungen des Absorbers in Richtung der Verglasung zu einer Verringerung des Luftspalts bis hin zur Kollision von

11 Abschlussbericht HFK Low-e viii Absorber und Verglasung führen können. Anhand einer Messreihe mit sechs verschiedenen Absorbern wurde dieser Effekt ausführlich analysiert und geeignete Absorberkonfigurationen identifiziert. Die hermetisch abgedichtete Kollektorverglasung stellt eine für Flachkollektoren neuartige Komponente dar. Anhand von beschleunigten Langzeitbelastungstests im Labor, bei denen eine Temperaturbelastung aufgebracht wurde, die mindestens 30 Jahren realem Kollektorbetrieb entspricht, wurde die Langzeitbeständigkeit der Verglasungen bestätigt. Auch eine überlagerte UV- und Temperaturbelastungsprüfung, die besonders die neu entwickelten Dichtstoffe beansprucht, wurde ohne signifikante Degradationen erfolgreich durchlaufen. Um die Langzeitgebrauchstauglichkeit des gesamten Kollektors zu untersuchen, wurden vier Musterkollektoren (ein Vaillant, ein Solvis, zwei ISFH) undurchströmt einer einjährigen Exposition auf dem ISFH Testdach unterzogen. Leistungsmessungen an diesen Kollektoren ergaben eine geringe Degradation, die sich durch eine Reduzierung des Wirkungsgrades um 1,2 % im Mittel bemerkbar machte. Die Partner Solvis und Vaillant haben während der Projektlaufzeit in 2 Entwicklungsphasen auf Basis ihrer bestehenden Kollektoren Prototypkollektoren entwickelt und optimiert, und diese ausgiebig als Komponente am ISFH testen lassen. Dabei wurden bereits die bestehenden Produktionsanlagen zu großen Teilen auf das neue Kollektorkonzept angepasst. Ferner wurden bereits erste Feldtests mit diesen Kollektoren in heizungsunterstützenden Solarsystemen durchgeführt. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen auf der Basis von Bruttowärmeerträgen ergaben einen Temperaturbereich zwischen 80 C und 110 C, in dem der HFK Vorteile gegenüber den etablierten Kollektorbauarten Flachkollektor (einfachverglast, AR) und Vakuumröhrenkollektor aufweist. Eine Simulation für die Deckung des Wärmebedarfs in einem Einfamilienhaus (in Anlehnung an IEA SHC Task 32) ergibt einen wirtschaftlichen Vorteil für den HFK gegenüber einem einfachverglasten Flachkollektor bei einem Deckungsanteil oberhalb von 48 %. Die HFK-Fläche kann dabei um etwa 25 % gegenüber dem einfachverglasten Flachkollektor reduziert werden. Im Hinblick auf seine Gebrauchstauglichkeit weist der HFK weitere Vorteile gegenüber Kollektoren mit Vakuumröhren auf: Neben einer höheren Hagelschlagfestigkeit weist er ein besseres Entleerungsverhalten auf, dass sich mindernd auf die Stagnationsbelastung des Gesamtsystems auswirkt. Zudem bietet die Flachkollektorkonstruktion bessere Integrationsmöglichkeiten in die Gebäudehülle. Mit dem Projektabschluss stehen technisch ausgereifte Prototypen von hocheffizienten Flachkollektoren zur Verfügung, die ausgiebig auf ihre Gebrauchstauglichkeit und Leistungsfähigkeit getestet wurden und industriell produziert und vermarktet werden können. Zudem wurden hochtransmittierende Low-e beschichtete Glasscheiben entwickelt und im industriellen Maßstab hergestellt, die für die Anwendung im HFK und

12 Abschlussbericht HFK Low-e ix weiteren Kollektoranwendungen (z. B. in Kombination mit nichtselektiven Absorbern), aber gegebenenfalls auch für Architekturanwendungen, am Markt angeboten werden können.

13 Abschlussbericht HFK Low-e 1 1 Einleitung 1.1 Motivation Der weitere Ausbau der thermischen Solarenergienutzung wird zusätzliche Anwendungen wie industrielle und gewerbliche Prozesswärme, solare Kühlung und Regeneration von Sorptionswärmespeichern erschließen. Die genannten Anwendungen benötigen vorwiegend Wärme mit Temperaturen oberhalb von 80 bis 90 C, was Kollektoren mit hohen Wirkungsgraden bei großen Werten der Betriebskenngröße T/G voraussetzt. Solare Raumheizungsanlagen mit hohem Deckungsanteil benötigen möglichst hohe winterliche Solarerträge, um den Wärmespeicherbedarf zu reduzieren. Auch hierfür sind leistungsfähigere Kollektoren vonnöten, die bei geringen Bestrahlungsstärken und tiefen Außentemperaturen, d. h. ebenfalls großen Werten von T/G, hohe Wirkungsgrade erzielen. Zudem werden die Solarkreisläufe häufig bei höheren Temperaturen betrieben als es ursprünglich geplant war, und zwar insbesondere dann, wenn komplexere Verbraucher wie Mehrfamilienhäuser oder Nahwärmenetze teilsolar versorgt werden. Das spricht für den Einsatz von Kollektoren, die über die Leistungsfähigkeit von einfach verglasten Flachkollektoren hinausgehen. Herkömmliche Flachkollektoren sind nicht geeignet, einen Wärmebedarf mit einer Temperatur oberhalb von 80 C mit ausreichendem Jahresertrag zu decken. Vakuumröhrenkollektoren weisen hier deutliche Vorteile auf, die jedoch mit einigen Nachteilen wie höhere Kosten, eingeschränkte Integrationsfähigkeit in die Gebäudehülle, erhöhte Durchströmungs- und Stagnationsproblematiken und reduzierte mechanische Belastbarkeit (z. B. Hagel) erkauft werden. Schließlich ist die europäische Industrie führend sowohl bei den Produkten als auch der Fertigungstechnologie von Flachkollektoren. Da etwa 80% der Wärmeverluste von herkömmlichen Flachkollektoren über die Apertur abgeleitet werden, d. h. über die Einscheiben-Verglasung, muss man bei Hocheffizienzkollektoren mit besserer Wärmedämmung an der Verglasung ansetzen. Im vorgestellten Projekt wird das Prinzip der Wärmeschutzverglasung, d. h. einer gasgefüllten Zweischeiben- Isolierverglasung mit gering emittierender Schicht (Lowe-Schicht) als transparente Abdeckung des Flachkollektors untersucht. Den schematischen Aufbau eines Flachkollektors mit einer solchen Verglasung zeigt Abbildung 1-1.

14 Abschlussbericht HFK Low-e 2 Pos. 1 Pos. 2 Pos. 3 Pos. 4 Luft / Argon / Krypton Luft (offen zur Atmosphäre) Antireflexbeschichtung selektive Beschichtung auf Glas selektive Absorberbeschichtung Abbildung 1-1:.Schematische Darstellung des Kollektorprinzips mit einer Zweifachverglasung und niedrigemittierender Schicht auf der unteren Glasscheibe. Der Spalt zwischen Absorber und unterer Glasscheibe ist offen gegen die Atmosphäre und daher mit Luft gefüllt. In einem abgeschlossenen Grundlagenprojekt sind Anforderungen und technische Voraussetzungen an eine kollektortaugliche Verglasung erarbeitet worden (siehe (Föste 2011)). Nunmehr sind diese Erkenntnisse auf industriell zu fertigende Kollektoren zu übertragen, was zu folgenden Projektschwerpunkten führt: Entwicklung der Low-e- Schicht für die Herstellung im industriellen Maßstab, basierend auf durchgeführten Laborentwicklungen Entwicklung und Test von kollektortauglichen Verglasungen Entwicklung von hocheffizienten und gebrauchstauglichen Sonnenkollektoren Berücksichtigung von technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen. Die Projektpartner sind aus der Heizungsindustrie die Firmen Solvis und Vaillant und aus der Verglasungsindustrie die Fa. Euroglas. Die wissenschaftliche Begleitung wird vom ISFH durchgeführt. Die vorgenannten 4 Partner bearbeiten ein Verbundvorhaben, bestehend aus 4 Einzelprojekten. Der Verbund wird vom ISFH geleitet. Unterstützung liefern die Firmen Kömmerling und Bystronic Lenhardt aus der Verglasungsindustrie. 1.2 Projektziele Das Gesamtziel ist die Entwicklung von hocheffizienten Flachkollektoren bis hin zu Versuchsmustern, die bei nachgewiesener Tauglichkeit als Basis für den anschließenden Transfer in die industrielle Serienproduktion dienen können. Es umfasst die beiden wesentlichen Aufgabenkomplexe: Schicht- und Glasscheibenentwicklung u. a. durch geeigneten Transfer der im HGlas-Projekt erfolgten Labor- Schichtentwicklung auf große Flächen, wie sie in der Glas- oder Kollektorindustrie üblich sind, sowie

15 Abschlussbericht HFK Low-e 3 die Integration der Verglasungen in Flachkollektoren unter Berücksichtigung der optimalen thermischen Leistungsfähigkeit und der Langzeitgebrauchstauglichkeit. Randbedingungen für diese beiden Aufgabenkomplexe sind Fragen der Fertigbarkeit (z. B. von Isolierverglasungen, einfache Integrierbarkeit in bestehende Glas- und Kollektorfertigungslinien u. a.), für den Markt akzeptable zusätzliche Fertigungskosten, Berücksichtigung der Montage- und Installationstauglichkeit (z. B. Gewicht und Rahmenhöhe) und Betriebssicherheit (Hydraulik und Stagnation). Zum Ende des Projekts stehen hoch belastbare Low-e- Beschichtungen mit hoher solarer Transmission zur Verfügung, die in Isolierverglasungen integriert werden und als transparente Abdeckung in Flachkollektoren eingesetzt werden sollen. Weitere Anwendungen des beschichteten Glases sind möglich, z. B. in Kollektoren mit nichtselektiven Absorbern, wie sie z. B. bei der Konversion von Metalldächern zu Solarabsorbern vorhanden sind. Die Entwicklung der Verglasungen und von temperaturstabilen und langzeitgebrauchstauglichen Kollektoren schließen sich an. Die Lösungen der wärmetechnischen Gebrauchstauglichkeitsfragen sowie Angaben zur Leistungsfähigkeit (und deren Optimierung) erfolgen zum einen allgemein für die Fachöffentlichkeit sowie zum anderen spezifisch in Kooperation und an den Versuchsmustern der Industriepartner. 1.3 Technischer und wissenschaftlicher Stand zum Projektbeginn Flachkollektoren mit erhöhter Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen stehen bis auf isolierverglaste FK nicht zur Verfügung. Letztere werden von der Fa. Schüco (Schüco 2010) angeboten und erreichen einen a60-wert von etwa 3,7 W/m²K (Sol- Key 2007). Durch die zweite Glasscheibe sind diese isolierverglasten Kollektoren deutlich schwerer. Als Alternative zur 2. Glasscheibe werden vom österreichischen Anbieter Ökotech Kollektoren mit einer transparenten Folie angeboten. Die Leistungsdaten werden zwar laut Prüfbericht als besser angegeben (Ökotech 2008), nach Einschätzung des ISFH ist es jedoch anzunehmen, dass ähnliche Werte wie beim Doppelglaskollektor erzielt werden. Beide Kollektoren weisen damit deutlich höhere Wärmeverluste auf, als sie mit dem HFK-Low-e-Kollektor erzielt werden können (Eisenmann 2007, Föste 2011). In zwei vom BMU geförderten Projekten haben das ZAE Bayern und die Fa. Wagner in Kooperation mit dem Fraunhofer ISE Konzepte für hocheffiziente Flachkollektoren verfolgt. Beikircher (ZAE Bayern) hat unter der Glasscheibe eine segmentierte Folie angeordnet, die über einen Rollenmechanismus von hochtransparent auf opak verfahren werden kann. Zudem wurde untersucht, auf der Rückseite statt der üblichen Mineralwolle ebenfalls Folien einzusetzen (Beikircher 2008 und 2009). Der Rollenmechanismus erscheint sehr aufwändig, und er muss sich im Langzeitbetrieb bewähren. Der a60-wert ist mit ca. 3,5 W/m²K (bei 1 m/s Luftgeschwindigkeit) entspricht etwa der Verbesserung, wie man sie mit einer Einfachfolie erwarten kann.

16 Abschlussbericht HFK Low-e 4 Das Projekt RefleC von Fa. Wagner basiert auf einem externen Reflektor, der aus hochwertigen Elementen, die CPC-förmig angeordnet sind, besteht und auf einen doppelt verglasten FK gerichtet sind. Mit dieser Anordnung können höhere Ausbeuten erzielt werden als mit dem HGlas-Kollektor (Bezug auf Kollektorfläche), bzw. höhere Betriebstemperaturen bedient werden (Heß 2010). Allerdings verlangt das Konzept das sorgfältige Aufstellen des Reflektors vor der Kollektorreihe, was die Installationsmöglichkeiten einschränkt (Flach-Aufständerung). Zudem sind zahlreiche Gebrauchstauglichkeitsfragen (Spiegelalterung, hohe lokale Stagnationstemperaturen, etc.) zu klären. In einem weiteren F&E- Projekt berichtet Buttinger (Buttinger 2010) über seine Entwicklung eines flach abgedeckten evakuierten CPC-Kollektors, bei dem der Raum zwischen Spiegel und Glasscheibe auf 1000 Pa evakuiert ist. Anspruchsvoll ist hier die langzeitbeständige Dichtung zwischen Rahmen und Glasscheibe. Energetisch ist der HFK-Kollektor zwischen den Varianten dieses Kollektors mit Luft- bzw. Krypton- Füllung angesiedelt, wobei der ausgeprägtere Einstrahlwinkelkorrekturfaktor des CPC noch zu berücksichtigen ist. In einem neuen Projekt der Fa. Centrosolar soll ein Vakuumflachkollektor entwickelt werden, der einen Edelstahl- Absorber zwischen zwei Glasscheiben enthält, wobei der Zwischenraum evakuiert ist (Centro 2010). Hierzu liegen jedoch noch keine Details öffentlich vor. Ein ähnliches Konzept wird anscheinend von der spanischen Firma SRB und der schweizerischen Firma TVP-Solar verfolgt (SRB 2013, TVP 2013). Die vorgestellten Veröffentlichungen resultieren aus aktuellen Projekten und zeigen, dass hocheffiziente Flachkollektoren (ohne Vakuumröhren, ohne Nachführung) das Potential haben, eine wichtige Komponente für die zukünftige Nutzung der Solarthermie zu werden. Der hocheffiziente Flachkollektor mit Low-e- Schicht hat energetische Vorteile gegenüber Marktprodukten und scheint neben den anderen diskutierten Projekten seine Berechtigung zu haben. Als vorteilhaft ist hier insbesondere die bisher gezeigte Gebrauchstauglichkeit und seine Robustheit gegenüber Degradationen (da kein Vakuum) zu nennen, aber auch der Transfer industrieller Techniken aus der Verglasungsindustrie in den Kollektorbau, der auf vorhandenes Wissen zurückgreift. 1.4 Projektmanagement Die Aufgabe des ISFH bestand in der Koordination des Verbundvorhabens. Ferner wurden grundlegende Arbeiten zur Schichtentwicklung und Bewertung (in Kooperation mit Euroglas) durchgeführt und die grundsätzlichen Fragen der hocheffizienten Flachkollektoren in Kooperation mit den Firmen Solvis und Vaillant bearbeitet. Die Fa. Euroglas entwickelte Gläser mit Low-e- Beschichtung und Härtung, die den gewünschten Eigenschaften entsprechen. Besonderer Schwerpunkt war die Beschichtungsentwicklung auf Großflächen in industriellen Anlagen, wobei der Pro-

17 Abschlussbericht HFK Low-e 5 zessablauf ein wichtiger Aufgabenteil war. Als Schichttypen werden ITO und AZO behandelt. Ein Teil dieser Arbeiten wurde in Kooperation mit dem ISFH durchgeführt. Die Firmen Vaillant und Solvis konzipierten und entwickelten Testmuster von hocheffizienten Flachkollektoren mit Low-e-Schicht auf Basis ihres Flachkollektorkonzepts. Diese Muster wurden konstruiert und hergestellt sowie ausführlichen Tests unterzogen. Die Ergebnisse flossen in die Weiterentwicklung der Muster ein. Ein Teil dieser Arbeiten wurde in Abstimmung mit dem ISFH durchgeführt. Die Fa. Kömmerling übernahm im Projekt Aufgaben im Bereich der Isolierglas- Fertigung und hat in Bezug auf die Belastungen und Belastungstests der Verglasungen beraten, mit dem Schwerpunkt des reaktiven Butyl-Hotmelt als Abstandhalterersatz und Silikon als Sekundärversiegelung. Fa. Kömmerling unterstützte die Partner durch die Bereitstellung dieser hochwertigen Produkte und arbeitete bei der Fertigung der Verglasungen sehr eng mit Fa. Bystronic Lenhardt zusammen. Für das gesamte Verbundvorhaben sind im Projektantrag 16 Arbeitspakete (AP) definiert, die entsprechend der dort dargestellten Zeitplanung bearbeitet wurden. Die Bearbeitung sowie die Ergebnisse der einzelnen Arbeitspakete sind in diesem Bericht ausführlich dargestellt. Die Zuordnung der einzelnen Arbeitspakete zu den Abschnitten in diesem Bericht kann der folgenden Auflistung entnommen werden: Arbeitspaket AP 1. Inhalt und Verweis auf Kapitel im Bericht Projektmanagement und Austausch Schwerpunkt 1: Entwicklungsaufgabe Low-e beschichtete Gläser AP 2. Status, Konzeptentwicklung, Transfer Low-e- Schichten 2.1 Stand der Technik nach dem HGlas Projekt AP 3. Voruntersuchungen Low-e- Gläser 2.2 Voruntersuchungen am ISFH und bei Euroglas AP 4. Herstellung von ersten Großflächenbeschichtungen ITO Beschichtung bei Euroglas AZO Schichtsysteme bei Euroglas AP 5. Optimierungsschritt(e) und Herstellung von Beschichtungsmustern 2.2 Voruntersuchungen am ISFH und bei Euroglas 2.3 Entwicklung ESG-fähiger AZO Schichtsysteme 2.4 Beständigkeitstests Schwerpunkt 2: Entwicklungsaufgabe kollektortauglicher Isolierglasverbund AP 6. Praktische Fragen der Verbundglasfertigung 4.4 Verglasungen

18 Abschlussbericht HFK Low-e 6 AP 7. Fertigung von Verglasungen nach Vorgaben der Partner 4.4 Verglasungen AP 8. Prüfung der Verglasungen (inkl. Langzeit- und Extremtests) 4.4 Verglasungen Schwerpunkt 3: Entwicklungsaufgabe hocheffiziente Flachkollektoren AP 9. HFK Low-e - Status und Transfer, Festlegen von Randbedingungen 3.1 Stand des Wissens nach dem HGlas-Projekt AP 10. Voruntersuchungen für HFK Low-e- Kollektoren 4 Gebrauchstauglichkeit AP 11. Bau und Prüfung eines ersten HFK-Low-e-Kollektormusters 3.3 Einfluss der Rückseitendämmung AP 12. Entwicklung bei den Kollektorherstellern (Phase 1) 5 Industrielle Kollektorentwicklung AP 13. Prüfungen der ersten Kollektormuster Phase 1 5 Industrielle Kollektorentwicklung AP 14. Entwicklung und Bewertung Kollektormuster Phase 2 5 Industrielle Kollektorentwicklung Schwerpunkt 4: Randbedingungen, technische und wirtschaftliche Fragen AP 15. Ermittlung der Prozess- und Fertigungskosten Low-e- Glas 6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen AP 16. HFK Low-e Gebrauchstauglichkeits- und Kostenaspekte 6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Der vorliegende Bericht enthält die Beiträge aller Projektpartner. In den Abschnitten und sind die Arbeiten von Fa. Euroglas dokumentiert (Autor: Dr. Fahri Uslu). Abschnitt 5.1 stellt die Ergebnisse von Fa. Vaillant (Autorin: Michaela Krämer) und Abschnitt 5.2 die Ergebnisse von Fa. Solvis (Autor: Gunther Hesse) dar. Die übrigen Kapitel des Berichts dokumentieren die Projektarbeiten des ISFH (Autoren: Dr. Federico Giovannetti, Dr. Nicole Ehrmann, Dr. Sebastian Föste).

19 Abschlussbericht HFK Low-e 7 2 Schichtentwicklung 2.1 Stand der Technik nach dem HGlas Projekt Während des HGlas Projektes (Föste 2011) wurde ein Schichtsystem auf der Basis von Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) entwickelt, welches eine hohe Transmission im solaren und eine niedrige Emissivität im infraroten (IR) Wellenlängenbereich aufweisen sollte. Zunächst sollen hier die wesentlichen Ergebnisse der Optimierung der AZO-Schicht, die optischen Kennwerte des Gesamtschichtsystems sowie die Erkenntnisse aus den Beständigkeitsuntersuchungen im Hinblick auf die Kollektoranwendung zusammengefasst werden. Die AZO-Schicht wurde am ISFH zunächst mit einer Laboranlage mittels DC- Magnetron-Sputtern auf Substratflächen von maximal 100 x 100 mm² hergestellt. Abbildung 2-1: Laboranlage von Pfeiffer Vacuum (links) und Blick auf die Targets (rechts). Für die Optimierung der AZO-Schichten wurde eine Variation der Prozessparameter durchgeführt. Als Target diente ein keramisches ZnO:Al2O3 (2,0 wt.%) Planartarget (Durchmesser: 200 mm, Abstand zum Substrat: 6,5 cm). Es wurden die Substrattemperatur, der Argon-Druck und die DC-Leistung bei dem DC-Magnetron- Prozess variiert. Die Tabelle 2-1 zeigt die verwendeten Prozessparameter, wobei jeweils einer der drei Parameter (Temperatur, Druck, Leistung) variiert wurde und die anderen beiden Parameter konstant auf ihren Standardwerten gehalten wurden.

20 Abschlussbericht HFK Low-e 8 Tabelle 2-1: Variation der Prozessparameter bei der ZnO:Al (2 wt.%) Beschichtung. Parameter Vorheizzeit Vorsputterzeit Sputterzeit Substratheizung Argon Druck Wert 0,5 6 h 1800 s 620 s C (Standard: 20 C) 0,4 0,6 Pa (Standard: 0,5 Pa) DC-Leistung W (Standard: 500 W) Die Schichten wurden statisch, direkt auf dem Substrat (Optifloat von Pilkington, Luftseite) ohne Zugabe von Sauerstoff abgeschieden. Im Folgenden wurden die Schichten mittels spektroskopischer Ellipsometrie und Photometrie untersucht und so die optischen Konstanten und die Schichtdicken bestimmt. Dafür wurden die ellipsometrischen und photometrischen Daten simultan mit einer parametrisierten dielektrischen Funktion modelliert, die während des HGlas Projektes entwickelt und deren Ergebnisse mit unabhängigen Dünnschichtmessmethoden verifiziert wurde (Ehrmann 2010). Ein Ergebnis war, dass die Depositionsraten mit den Prozessparametern leicht variieren. Um die Schichten trotz unterschiedlicher Schichtdicke dennoch vergleichen zu können, wurden ihre optischen Konstanten bestimmt und die Transmissions- und Reflexionsspektren für eine Schichtdicke von 500 nm berechnet und die solare Transmission und Reflexion (nach DIN EN ) ermittelt. Die IR-Emissivität wurde durch Faltung und Gewichtung des Reflexionsspektrums mit einem Schwarzkörperspektrum für 283 K bestimmt. Die elektronischen Eigenschaften der Schichten wurden ebenfalls mit den Parametern der dielektrischen Modellfunktion berechnet. Die Abbildung 2-2 zeigt die Ergebnisse der Parametervariation.

21 Abschlussbericht HFK Low-e 9 Abbildung 2-2: Optische (a)-(c) und elektronische (d)-(f) Eigenschaften sowie Depositionsrate (g)-(i) von AZO-Schichten als Variation der Prozessparameter Substratheizung, Argon Druck und DC-Leistung. Die Daten sind auf 500 nm Schichtdicke normiert.

22 Abschlussbericht HFK Low-e 10 Für die weiteren Untersuchungen wurde ein Argon-Druck von 0,5 Pa gewählt, da hier das Plasma am stabilsten war. Bei niedrigeren Drücken gab es Schwankungen und bei höheren Drücken nahmen die Transmission ab und das Arcing zu. Für die DC- Leistung wurde 500 W gewählt, da bei höheren Leistungen das Arcing stark zunahm. Um die Transmission im solaren Spektralbereich weiter zu erhöhen, wurden dielektrische Schichten als Antireflex (AR) Schichten eingesetzt. Es wurde ein Dreischichtsystem mit dem Aufbau Glas / SiOxNy / AZO / SiO2 verwendet (Ehrmann, 2012), bei dem die optischen Konstanten und Schichtdicken derart angepasst wurden, dass destruktive Interferenz der reflektierten Strahlen resultiert und somit die Reflexionsverluste minimiert werden. Auf den IR-Bereich haben die AR-Schichten keinen Einfluss. Mit diesem System wurden eine solare Transmission von 85% und eine IR- Emissivität von 31% erzielt. Die solare Transmission lässt sich auf 87% steigern, wenn auch die Substratrückseite mit einer AR-Schicht versehen ist. Für die Kollektoranwendung müssen die Schichten hohen Anforderungen bzgl. Temperatur und, falls der Randverbund undicht werden sollte, auch gegenüber Feuchte genügen. Daher wurden Alterungstests durchgeführt. Um die Stabilität von AZO und den Einfluss der Schutzschichten zu überprüfen, wurden sowohl Einzelschichten als auch das Dreischichtsystem getestet. Abbildung 2-3 zeigt die Ergebnisse des Temperatur- und Kondenswassertests. Dafür wurden die Schichten jeweils für eine Gesamtdauer von 540 h den Belastungen ausgesetzt und zwischendurch Messungen durchgeführt. Für den Temperaturtest wurden die Proben bei 160 C auf einer Heizplatte getempert und für den Kondensationstest bei 40 C Probentemperatur, 45 C Umgebungstemperatur und 95% rel. Luftfeuchte in einem Klimaschrank belastet. Beide Tests zeigen, dass die AZO-Einzelschichten empfindlich auf Feuchtigkeit und umgebenden Sauerstoff in Verbindung mit Wärme reagieren. Dagegen zeigt das Dreischichtsystem ein stabiles Verhalten über den gesamten getesteten Bereich.

23 Abschlussbericht HFK Low-e 11 Abbildung 2-3: Entwicklung der optischen Kenngrößen unter (a) Temperatur und (b) Kondenswasserbelastung, jeweils über eine Gesamtdauer von 540h. Es wurde eine AZO (2,0 wt.%) Einzelschicht (TCO), sowie das Dreischichtsystem (TCO+AR) getestet. Die Ergebnisse im HGlas Projekt haben gezeigt, dass es erforderlich ist, vorgespanntes Einscheibensicherheitsglas (ESG) zu verwenden. Vorgespanntes Glas lässt sich jedoch nicht mehr zuschneiden. Daher muss der Zuschnitt der Scheiben auf Kollektorformat vor dem ESG-Prozess erfolgen. Im Hinblick auf die industrielle Fertigung der Low-e Gläser wäre es von Vorteil, wenn die Beschichtung auf Bandmaß (3,2 x 6,0 m²) und erst danach der Zuschnitt auf Kollektorformat erfolgen würde. Daher wurde in einem ersten Test die Stabilität des Schichtsystems bei hohen Temperaturen geprüft, wie sie für den ESG-Prozess genutzt werden. Die Probe mit dem Dreifach-Schichtsystem wurde dafür in einem Durchlaufofen mit Strahlungsheizung für 3 min einer Temperatur von 630 C ausgesetzt, nachdem die Probe zuvor eine Vorheizzone mit 400 C für 2 min durchfahren hat. Die Spektren in Abbildung 2-4 zeigen eine Zunahme der Transmission im solaren Bereich, wobei die IR-Reflexion erhalten bleibt. Ellipsometrische Untersuchungen haben einen Anstieg in der Mobilität und eine leichte Abnahme in der Ladungsträgerkonzentration ergeben, so dass der spez. Widerstand erhalten bleibt. Die höhere Mobilität und die Zunahme der Transmission sind ein Indiz für eine Verbesserung der Kristallinität der Schichten.

24 Abschlussbericht HFK Low-e 12 Abbildung 2-4: Transmissions- und Reflexionsspektrum des AR-Dreischichtsystems vor und nach der Hochtemperaturbelastung. 2.2 Voruntersuchungen am ISFH und bei Euroglas Die innerhalb des HGlas Projektes ermittelten optischen Werte, wie die solare Transmission und Reflexion sowie die IR-Emissivität der Low-e Kollektorverglasung sollen in diesem Projekt in industriellem Maßstab umgesetzt werden. Dafür werden zwei Konzepte verfolgt: Die Fa. Euroglas hatte zu Beginn des HFK-Low-e Projektes bereits ein Low-e Schichtsystem auf der Basis von Zinn-dotiertem Indiumoxid (ITO) für Architekturverglasungen auf Position 1 entwickelt, um die Beschlagsproblematik von hoch effizienten Dreischeibenisolierverglasungen zu verhindern. Die optischen Werte dieser Beschichtung waren auch vielversprechend für die Kollektoranwendung. Daher sollte dieses Schichtsystem in ersten Voruntersuchungen für die Anwendung im Kollektor bewertet und entsprechend optimiert werden. Da diese Beschichtung bereits in industriellem Maßstab bei der Fa. Euroglas hergestellt wird, sollten großflächige Beschichtungen auf ITO-Basis für die ersten Prototypkollektoren der Kollektorhersteller und am ISFH genutzt werden. Aus ökologischer und ökonomischer Sicht ist das im HGlas Projekt verwendete Aluminium-dotierte Zinkoxid (AZO) der ITO-Beschichtung vorzuziehen. Aus diesem Grund sollte auch dieses Material als mögliche Funktionsschicht der Low-e Verglasung untersucht werden. Da die AZO-Beschichtung bisher nur im Labormaßstab am ISFH hergestellt wurde, sollte in ersten Voruntersuchungen ein Abgleich zwischen den Ergebnissen der Laboranlage am ISFH und der Industrieanlage bei der Fa. Euroglas erfolgen und ein Prozess im Labor entwickelt werden, der in industriellem Maßstab umsetzbar ist. Bisherige Publikati-

25 Abschlussbericht HFK Low-e 13 onen (Hüpkes 2005; Berginski 2007) empfehlen eine Beschichtung auf geheiztem Substrat, um gute optische und elektronische Kennwerte zu erhalten. Die Herstellung der AZO-Beschichtung in industriellem Maßstab ist jedoch nur wirtschaftlich sinnvoll, wenn es möglich sein sollte, die AZO-Beschichtung auch auf ungeheiztem Substrat herzustellen und den Glasvorspannprozess für das Einscheibensicherheitsglas (ESG) erst nach der Beschichtung durchzuführen. Ziel war es daher, ein Schichtsystem auf AZO-Basis zu entwickeln, welches sich in der Produktionsanlage bei der Fa. Euroglas ohne Substratheizung herstellen lässt und nach Zuschnitt der beschichteten Scheiben auf Kollektorformat einem ESG-Prozess standhält ITO-Beschichtung bei Euroglas Ausgangspunkt für die Untersuchungen zu dem Schichtsystem basierend auf ITO war ein bereits vorhandenes Produkt im Bereich der Architekturverglasung. Dieses Produkt hat eine solare Transmission von ca. 80% und einen Emissionsgrad von 20%. Die Abscheidung der Schichten erfolgte in einer Inline-Sputteranlage, die auch bei der Herstellung von Low-e beschichteten Architekturgläsern verwendet wird. Diese Produktionsanlage hat eine Gesamtlänge von ca. 180 m, mit mehreren Sputterkompartments, welche die Deposition von Mehrschichtsystemen in einem Durchgang ermöglicht (siehe Abbildung 2-5). Hiermit können Glasscheiben der sogenannten Bandmaßgröße (ca. 3,2 x 6 m 2 ) beschichtet werden. Abbildung 2-5: Produktionsanlage bei Euroglas zur Abscheidung der ITO- bzw. AZO- Schichten.

26 Abschlussbericht HFK Low-e 14 Aus den Voruntersuchungen am ISFH ist bekannt, dass für eine optimale Schicht eine solare Transmission größer als 85% und ein Emissionsgrad von ca. 25% erforderlich ist. Zur Erreichung dieser Spezifikation wurden die Prozessparameter wie die ITO-Schichtdicke, der Gesamtdruck und der Sauerstoffanteil beim ITO-Prozess variiert. Zur Abscheidung der ITO-Schichten standen mehrere Kathoden zur Verfügung, die im MF-Prozess betrieben wurden. Die Gesamtleistung wurde zwischen 70 und 100 kw variiert, wobei die Transportgeschwindigkeit der Scheiben bei 2 m/min lag. Einfluss der ITO-Schichtdicke Um den Einfluss der ITO-Schichtdicke auf die solare Transmission und die Emissivität zu untersuchen, wurde die ITO-Schichtdicke zwischen 70 und 120 nm variiert, wobei alle anderen Schichten im Schichtsystem konstant gehalten wurden. Die Messung der Schichtdicken basiert auf der Messung der Reflexions- und Transmissionsspektren im Wellenlängenbereich von 280 bis 2500 nm und anschließender Simulation der Spektren mit entsprechenden physikalischen Modellen. Der Schichtwiderstand des Gesamtschichtsystems wurde mit der Wirbelstrom-Methode gemessen. Abbildung 2-6: Solare Transmission und Emissivität als Funktion der ITO-Schichtdicke.

27 Abschlussbericht HFK Low-e 15 Abbildung 2-7: Solare Transmission und Emissivität als Funktion des Schichtwiderstandes. In Abbildung 2-6 ist zu erkennen, dass die solare Transmission und die Emissivität mit steigender ITO-Schichtdicke abfallen. Zusätzlich wurde in Abbildung 2-7 dieselbe Abhängigkeit als Funktion des Schichtwiderstandes dargestellt, da während der Einstellung der Schichteigenschaften kein direkter Zugang zu den Emissivitätswerten möglich ist. Um einen Kompromiss zwischen niedriger Emissivität und hoher solarer Transmission zu erreichen, wurde ein Schichtwiderstand von ca. 32 Ohm bzw. 28% Emissivität und eine solare Transmission von knapp 83% gewählt. Diese Angaben beziehen sich auf ITO-Schichten, die auf 4 mm Floatglas abgeschieden wurden. Die entsprechenden Werte auf 3 mm Weißglas liefern Werte von ca. 27% für die Emissivität und 86% für die solare Transmission. Alle angegebenen Werte beziehen sich auf gehärtete Scheiben. Während der Schichteinstellung wurden kleinere Scheiben der Größe 60 x 40 cm 2 aus den Bandmaßen geschnitten und die Schichteigenschaften, wie der Schichtwiderstand, die Reflexion und die Transmission vor und nach dem Härtungsprozess bei Euroglas gemessen. Die ersten Flachkollektoren im industriellen Maßstab und die Scheiben für die Gebrauchstauglichkeitstests wurden mit diesen Einstellparametern hergestellt. Einfluss des Gesamtdrucks Der Einfluss des Gesamtsputterdrucks beim ITO-Prozess wurde durch Variation des Argongehaltes im Bereich von 2, bis 4, mbar untersucht. Ziel der Untersuchung war, das Schichtwachstum bei ITO zu verbessern und somit einen geringeren Schichtwiderstand bzw. eine niedrigere Emissivität bei höherer solarer Transmission zu erreichen. Jedoch war in dem angegebenen Druckbereich keine Änderung des Schichtwiderstandes erkennbar.

28 Abschlussbericht HFK Low-e 16 Einfluss des Sauerstoffs Der Sauerstoffanteil beim ITO-Sputterprozess wurde zwischen 0 und 35 sccm variiert, um die Schichteigenschaften solare Transmission und Emissivität weiter zu optimieren. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2-8 zusammengefasst. Die Erhöhung des Sauerstoffflusses von 0 auf 30 sccm führt eindeutig zu einer Steigerung der solaren Transmission von ca. 83% auf 85%. Bei der Emissivität sind zwei unterschiedliche Bereiche bzgl. des O2-Flusses zu erkennen. Im ersten Bereich, von 0 bis 18 sccm, fällt die Emissivität von 28,4% auf 26,4% und im zweiten Bereich, von 18 bis 30 sccm, steigt sie von 26,4% auf 29,8%. Ein optimaler Arbeitspunkt wäre hier ein Sauerstofffluss von ca. 18 sccm, bei dem eine Erhöhung von 1,5% der solaren Transmission erfolgt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass dieser Arbeitspunkt prozesstechnisch nicht stabil ist, d.h. bei einem konstanten Wert des Sauerstoffflusses steigt der Schichtwiderstand weiter an. Deshalb wurde dieser Ansatz nicht weiter verfolgt. Abbildung 2-8: Abhängigkeit der solaren Transmission und Emissivität von dem Sauerstofffluss beim ITO-Prozess. Die rote gestrichelte Linie dient als Orientierung für den Verlauf der Emissivität Charakterisierung der ITO-Beschichtung von Euroglas Für die Bewertung und Optimierung der ITO-Beschichtung für den Kollektor wurde diese mittels spektraler Ellipsometrie und Photometrie gemessen und durch optische Modellierung der dielektrischen Funktion der Schichten charakterisiert. Durch die optische Modellierung wurden die optischen Konstanten und die Schichtdicken der Schichten ermittelt. Die mit ITO beschichteten Scheiben wurden nach der Beschich-

29 Abschlussbericht HFK Low-e 17 tung und dem Zuschnitt auf das gewünschte Scheibenformat ebenfalls einem ESG- Prozess unterzogen. Daher wurden sowohl nicht-vorgespannte als auch vorgespannte Proben optisch gemessen und die Änderung der optischen Eigenschaften durch den ESG-Prozess untersucht. Es konnten in beiden Fällen die gleichen optischen Modelle eingesetzt werden und lediglich die Fit-Parameter angepasst werden. Die dielektrischen Schichten wurden in dem optischen Modell mit Hilfe von Pol- Oszillatoren für die UV-Absorption und einer Summe von Gauss Oszillatoren für den IR-Bereich modelliert. Für die ITO-Beschichtung wurde das Modell der dielektrischen Funktion angewendet, welches bereits im HGlas Projekt für die AZO-Beschichtung entwickelt wurde (Ehrmann, 2010). Die Abbildung 2-9 zeigt die gemessenen und modellierten ellipsometrischen und photometrischen Daten für Proben vor und nach dem ESG-Prozess. Abbildung 2-9: Gemessene und modellierte ellipsometrische ((a) und (b)) sowie (c) Transmissions- und (d) Reflexionsspektren des ITO-Schichtsystems vor und nach dem ESG-Prozess.

30 Abschlussbericht HFK Low-e 18 In beiden Fällen liegt eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und Messung vor. Es ist erkennbar, dass sich die optischen Eigenschaften der Beschichtung durch den ESG-Prozess stark verändert haben. Sowohl die Änderung der solaren Transmission als auch der IR-Emissivität ist zum Vorteil für den Kollektorwirkungsgrad. Aus dem Drude Modell können die Eigenschaften der freien Ladungsträger der ITO-Schicht ermittelt werden. Die Tabelle 2-2 zeigt diese Werte für Proben vor und nach dem ESG-Prozess. Tabelle 2-2: Eigenschaften der freien Ladungsträger der ITO-Schicht vor und nach dem ESG-Prozess. ESG-Prozess Freie Ladungsträgerdichte Freie Ladungsträgermobilität Spezifischer Widerstand Optische Bandlücke [cm -3 ] [cm²/vs] [Ωcm] [ev] vorher 6, ,87 9, ,97 nachher 1, ,85 2, ,24 Sowohl die freie Ladungsträgerdichte als auch die Mobilität haben zugenommen, wodurch der spezifische Widerstand gesunken ist. Die Änderung der optischen und elektronischen Eigenschaften der Schichten durch den ESG-Prozess lassen sich einer Umkristallisation der ITO-Schicht und dem Ausheilen von Defekten zuschreiben AZO-Beschichtung mit der Laboranlage am ISFH Zunächst wurden AZO-Schichten mit der Laboranlage am ISFH hergestellt, die auch für die Untersuchungen im HGlas Projekt genutzt wurde. Die Beschichtung erfolgte statisch mit gesinterten Planartargets. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Dotierungsvariation präsentiert. Es wurden drei keramische Targets mit 0,2 wt.%, 1,0 wt.% und 2,0 wt.% Al2O3 verwendet und jeweils Schichten bei verschiedenen Substrattemperaturen und mit variierenden Schichtdicken in der Laboranlage abgeschieden. Die anderen Prozessparameter, wie der Argon Druck und die DC-Leistung, wurden entsprechend der Ergebnisse aus Abschnitt 2.1 gewählt. In Abbildung 2-10 sind die elektronischen Parameter der Proben dargestellt, die mittels optischer Modellierung und auch Hall-Messungen bestimmt wurden. Die AZO- Schichten mit 2,0 wt.% weisen die höchste Ladungsträgerkonzentration auf, wohingegen die AZO-Schichten mit 1,0 wt.% die höchste Mobilität der freien Ladungsträger ergibt. Für den spez. Widerstand ergeben sich dennoch für die Schichten mit 2,0 wt.% die niedrigsten Werte, was sich auch in niedrigeren Emissivitäten widerspiegelt (vgl. Reflexionsspektrum in Abbildung 2-11 (a)). Die Ladungsträgerkonzentration variiert nur geringfügig mit der Substrattemperatur, wohingegen die Mobilität eine große Temperaturabhängigkeit zeigt. Der niedrigste Widerstand wird bei

31 Abschlussbericht HFK Low-e C für die 2,0 wt.% Dotierung und bei 150 C für die niedrigeren Dotierungen erreicht. Abbildung 2-10: Elektronische Eigenschaften von ZnO:Al Schichten auf Glas, die bei variierender Substrattemperatur und von Targets mit variierender Dotierung gesputtert wurden. Die elektronischen Parameter wurden mittels Ellipsometrie (SE) und Hall-Messungen ermittelt. Abbildung 2-11 (a) zeigt die Spektren von Proben mit unterschiedlicher Dotierung und mit einer Schichtdicke von ca. 800 nm, die bei 150 C Substrattemperatur gesputtert wurden. Es ist zu erkennen, dass sowohl die Bandlücke, als auch die Wellenlänge, bei der die Reflexion stark ansteigt, mit zunehmender Dotierung zu kürze-

32 Abschlussbericht HFK Low-e 20 ren Wellenlängen verschoben wird. In Abbildung 2-11 (b) ist der experimentelle und theoretische Verlauf der optischen Bandlücke mit zunehmender Ladungsträgerkonzentration dargestellt. Die Änderung der optischen Bandlücke ist durch die Burstein- Moss Verschiebung und eine Bandlückenverringerung aufgrund von Vielteilcheneffekten begründet (Burstein 1954; Moss 1954; Inkson 1976). Auch die effektive Masse der freien Ladungsträger nimmt mit wachsender Ladungsträgerdichte zu, wie in Abbildung 2-11 (c) dargestellt ist. Ob der Anstieg der effektiven Masse nach dem Piesarkiewicz Model (Pisarkiewicz 1989) oder linear erfolgt (Fujiwara 2005), kann nach den experimentellen Daten nicht eindeutig geklärt werden. (a) (b) (c) Abbildung 2-11: (a)transmissions- und Reflexionsspektren, (b) Optische Bandlücken und (c) effektive Masse der freien Ladungsträger von ZnO:Al Schichten auf Glas, die von Targets mit variierender Dotierung gesputtert wurden. In Abbildung 2-12 ist der Verlauf der elektronischen Parameter der Proben mit unterschiedlicher Dotierung als Funktion der Schichtdicke gezeigt. Alle Proben haben

33 Abschlussbericht HFK Low-e 21 gemeinsam, dass ihre Mobilität und damit die spezifische Leitfähigkeit mit abnehmender Schichtdicke ebenfalls abnehmen. Dies kann auf das säulenartige, anisotrope Wachstum der Schichten und dem Widerstand an den Korngrenzen zurückgeführt werden (Fenske 2005). Abbildung 2-12: Elektronische Eigenschaften von ZnO:Al Schichten auf Glas, die mit variierenden Schichtdicken von Targets mit variierender Dotierung gesputtert wurden. Die elektronischen Parameter wurden mittels Ellipsometrie ermittelt. Abschließend sind in Abbildung 2-13 die Spektren von dem im HGlas Projekt entwickelten Dreischichtsystem Glas / SiOxNy / AZO / SiO2 dargestellt, wobei für die AZO-Schicht die drei unterschiedlichen Dotierungen verwendet wurden. Die Tabelle 2-3 zeigt die solaren Transmissions- und Reflexionswerte sowie die IR-Emissivität.

34 Abschlussbericht HFK Low-e 22 Obwohl die Spektren im solaren Bereich einen unterschiedlichen Verlauf hinsichtlich ihrer Bandlücke im UV und freien Ladungsträgerabsorption im IR haben, ergeben sich für alle Proben fast identische Werte für die solare Transmission. Die niedrigen Dotierungen bieten zwar eine höhere Transmission im NIR- und IR-Bereich, aber auch eine kleinere optische Bandlücke. In diesem Bereich hat das Sonnenspektrum aber noch eine hohe Intensität, so dass die Probe mit 2,0 wt.% dennoch eine hohe solare Transmission aufweist, obwohl das Transmissionsspektrum bereits bei kleineren Wellenlängen im NIR-Bereich abfällt. Die Probe mit der hohen Dotierung bietet aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit die niedrigste Emissivität. Daher ist diese Dotierung, von den drei getesteten Dotierungen für die Kollektoranwendung vorzuziehen. Abbildung 2-13: Transmissions- und Reflexionsspektren von dem Dreifach-Schichtsystem SiOxNy / AZO / SiO2, wobei die AZO-Schichten unterschiedliche Dotierungen aufweisen. Weiterhin sind das Transmissions- und Reflexionsspektrum des Glassubstrats, sowie das normierte Sonnenspektrum für AM1.5 und das Schwarzkörperspektrum für 283 K gezeigt. Tabelle 2-3: Optische Kenngrößen für die AR-Schichtsysteme mit variierender Dotierung. Dotierung der AZO-Schicht Solare Transmission Solare Reflexion IR-Emissivität 0,2 wt.% 85,2% 7,4% 66,1% 1,0 wt.% 86,0% 6,9% 49,4% 2,0 wt.% 85,2% 6,9% 30,3% Bei einem Vergleich der Ergebnisse der Laboranlage mit den Ergebnissen der Fa. Euroglas für AZO-Einzelschichten auf Glas mit variierender AZO-Schichtdicke ist zu erkennen (siehe Abbildung 2-14), dass die Schichten aus der Laboranlage am ISFH

35 Abschlussbericht HFK Low-e 23 höhere solare Transmissionswerte sowie einen niedrigeren Schichtwiderstand aufweisen. Abbildung 2-14: (a) Solare Transmission und (b) Schichtwiderstandswerte von AZO- Einzelschichten auf Glas, die mit unterschiedlicher Schichtdicke in der Laboranlage am ISFH und in der Inlineanlage bei Euroglas hergestellt wurden. Mögliche Ursachen für diese Unterschiede können die unterschiedlichen Targetmaterialien oder auch die Targetgeometrie sowie die unterschiedliche Prozessführung sein. In der Laboranlage am ISFH wurden keramische Planartargets verwendet, die mittels Sinterprozess hergestellt worden waren. Der Prozess in der Laboranlage erfolgt statisch. In der Produktionsanlage bei der Fa. Euroglas wurden plasmagespritzte Rohrtargets eingesetzt und die Beschichtung erfolgt als Inlinebetrieb dynamisch. Um die möglichen Ursachen zu erfassen, wurde am ISFH im Folgenden eine andere Inline-Sputteranlage eingesetzt, bei der Rohrtargets einsetzbar und ein dynamischer Prozessablauf ähnlich dem bei der Fa. Euroglas möglich sind AZO-Beschichtungen mit Rohrtargets am ISFH Um den Targetherstellungsprozess als Ursache für die Unterschiede zwischen Labor- und Industrieanlage auszuschließen, wurden zwei Rohrtargets in der Inline- Sputteranlage am ISFH am selben Sputterplatz unter gleichen Bedingungen getestet. Bei den zwei Rohrtargets handelt es sich um ein gesintertes Target, welches vom gleichen Hersteller wie die Planartargets der Laboranlage am ISFH geliefert wurde und um ein plasma-gespritztes Rohrtarget, welches auch von Euroglas eingesetzt wird. Beide Targets sind keramische Targets mit einer Aluminium-Dotierung von 2 wt.%. Die Abbildung 2-15 zeigt ein Foto der Inline-Sputteranlage am ISFH und die Fotos der beiden Rohrtargets.

36 Abschlussbericht HFK Low-e 24 Abbildung 2-15: Inline-Sputteranlage ATON von Applied Materials in der Technologiehalle am ISFH (oben) und Blick auf das plasma-gespritzte (unten links) und gesinterte (unten rechts) AZO-Rohrtarget. Beide Targets wurden zunächst in einem DC-Magnetron-Sputterprozess in reiner Argon-Atmosphäre bei der maximal möglichen DC-Leistung betrieben, wobei die Leistung durch eine Spannungsbegrenzung am Generator limitiert ist. Für die ersten Untersuchungen sollten dicke Schichten von ca. 750 nm hergestellt werden. Daher wurde eine sehr langsame Carrier-Geschwindigkeit gewählt. Mit dem gesinterten Target konnte nur eine deutlich niedrigere Leistung eingestellt werden, da dann die Spannungsbegrenzung des Generators erreicht war. Dadurch sind die Sputterrate und auch die Aufheizung des Substrats durch den Prozess mit dem gesinterten Target deutlich niedriger im Vergleich zu dem plasma-gespritzten Target. Um mit dem gesinterten Target die gleiche Schichtdicke zu erreichen, wurde der Carrier in einer Pendelbewegung dreimal über das Target gefahren. Die Abbildung 2-16 zeigt die Transmissions- und Reflexionsspektren von ca. 750 nm dicken Schichten, die unter anderem in der Laboranlage mit gesintertem

37 Abschlussbericht HFK Low-e 25 Planartarget und in der Inline-Sputteranlage mit den beiden Rohrtargets (gesintert und plasma-gespritzt) hergestellt wurden. Abbildung 2-16: Transmissions- und Reflexionsspektren von AZO-Einzelschichten auf Glas, die in verschiedenen Sputteranlagen mit unterschiedlichen Targets in (a) reiner Argon Atmosphäre und (b) bei beiden Rohrtargets mit geringer Sauerstoffzugabe hergestellt wurden. In Abbildung 2-16 (a) ist zu erkennen, dass die Schichten der beiden Rohrtargets deutlich niedrigere Transmissionswerte aufweisen im Vergleich zu der Schicht aus der Laboranlage. Auch die Reflexion im IR-Spektralbereich ist geringer und damit die Emissivität höher. Die hohe Absorption der Schichten von den Rohrtargets lässt darauf schließen, dass diese Schichten unterstöchiometrisch sind und ein Sauerstoffdefizit aufweisen. Daher wurde im Folgenden bei den Prozessen in der Inline- Sputteranlage ca. 1% des Gesamtgasflusses Sauerstoff zugegeben. Wie in Abbildung 2-16 (b) zu sehen ist, ist nun die Transmission der Schichten von den Rohrtargets durch die Zugabe von Sauerstoff deutlich angestiegen. Weiterhin ist zu

38 Abschlussbericht HFK Low-e 26 beobachten, dass die Spektren von beiden Rohrtargets bis auf kleine Unterschiede in den Interferenzen, was auf leicht unterschiedliche Schichtdicken schließen lässt, identisch sind. Beide Schichten weisen trotz der unterschiedlichen DC-Leistungen dieselbe Bandlücke und vergleichbare Leitfähigkeiten auf. Daher scheint der Targetherstellungsprozess keine Auswirkung auf die Schichteigenschaften zu haben. Im Vergleich zu der Laboranlage sind jedoch weiterhin deutliche Unterschiede sowohl in der Bandlücke als auch in der Leitfähigkeit vorhanden. Eine mögliche Ursache könnte die unterschiedliche Schichtmorphologie der statisch und dynamisch gesputterten Schichten sein, wie in Abbildung 2-17 auf den Querschnittsaufnahmen aus dem Rasterelektronenmikroskop (REM) zu erkennen ist. Alle Schichten weisen ein säulenartiges Wachstum auf, jedoch sind die Säulen bei den dynamisch hergestellten Schichten in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung des Carriers gebogen. Aufgrund der niedrigen Sputterleistung bei Verwendung des gesinterten Targets erfolgte die Optimierung der AZO-Schicht im Hinblick auf die industrielle Herstellung mit dem plasma-gespritzten Target, da hier größere Sputterraten erzielt werden. Für die Optimierung der AZO-Schicht wurde der Argon Druck, die Zugabe von Sauerstoff zum Plasma und die Schichtdicke der AZO-Schicht variiert. Die Leistung wurde auf dem maximal möglichen Wert konstant gehalten. Die Abbildung 2-18 zeigt die Transmissions- und Reflexionsspektren von Proben, die bei unterschiedlichen Argon Drücken hergestellt wurden. Es ist zu erkennen, dass die Transmission stark mit der Zunahme des Argon Drucks abnimmt. Dagegen ist die IR-Reflexion nahezu unabhängig vom Argon Druck. Die Schichtdicken ändern sich nur geringfügig mit Änderung des Drucks, was auch an den gleichbleibenden Interferenzminima und maxima erkennbar ist. In Abbildung 2-19 sind die Transmissions- und Reflexionsspektren von Proben gezeigt, die mit unterschiedlichem Sauerstofffluss hergestellt wurden. Durch Zugabe von Sauerstoff nimmt die Transmission stark zu, allerdings nimmt auch die IR- Reflexion stark ab, was auf die starke Zunahme des spezifischen Widerstands der Schicht zurückzuführen ist. Für die Funktion als Low-e Schicht ist dieses Verhalten ungünstig. Die Schichten scheinen ohne die Zugabe von Sauerstoff stark unterstöchiometrisch zu sein, was eine starke Absorption im solaren Spektralbereich zur Folge hat. Durch die Zugabe von Sauerstoff kann zwar die Transmission gesteigert werden, jedoch wird auch das Aluminium oxidiert und kann nicht mehr als Donator wirken. Aus diesem Grund sollte nur ein sehr geringer Anteil an Sauerstoff vom Gesamtgasfluss zugegeben werden.

39 Abschlussbericht HFK Low-e 27 Statische Beschichtung vom Planartarget AZO Glas Plasma-gespritztes Rohrtarget Fahrtrichtung Carrier AZO Glas Gesintertes Rohrtarget Fahrtrichtung Carrier AZO Glas Abbildung 2-17: Rasterelektronenmikroskopaufnahme von Querschnitten von AZO- Einzelschichten auf Glas, die in der Labor-Anlage statisch von dem Planartarget und in der Inline-Sputteranlage dynamisch mit den beiden Rohrtargets hergestellt wurden.

40 Abschlussbericht HFK Low-e 28 Durch Änderung der Carrier-Geschwindigkeit kann die Schichtdicke variiert werden. Die Abbildung 2-20 zeigt die Transmissions- und Reflexsionsspektren von Proben mit verschiedener Schichtdicke d. Mit Reduzierung der Schichtdicke nimmt die Transmission über den kompletten solaren Bereich zu, jedoch nimmt auch die IR- Reflexion ab. Die Zunahme der Transmission ist nach dem Lambert-Beerschen Gep Ar Abbildung 2-18: Transmissions und Reflexionsspektren von AZO-Einzelschichten auf Glas, die mit dem plasma-gespritzten Rohrtarget bei verschiedenen Argon Drücken hergestellt wurden. f O2 / f ges f O2 / f ges Abbildung 2-19: Transmissions- und Reflexionsspektren von AZO-Einzelschichten auf Glas, die mit dem plasma-gespritzten Rohrtarget bei unterschiedlichen Sauerstoffflussanteilen im Plasma hergestellt wurden.

41 Abschlussbericht HFK Low-e 29 setz auf den geringeren Absorptionsweg zurückzuführen. Hinzu kommt, dass sich die Eigenschaften der AZO-Schicht mit der Schichtdicke ändern. Beispielsweise nimmt die spezifische Leitfähigkeit mit Reduzierung der Schichtdicke ab, da das Säulenwachstum bei dünneren Schichten anders als bei dicken Schichten ist (Fenske 2005). Des Weiteren hängt die Aufheizung des Substrats während der Beschichtung von der Carrier-Geschwindigkeit ab und beeinflusst ebenfalls das Schichtwachstum. d d Abbildung 2-20: Transmissions- und Reflexionsspektren von AZO-Einzelschichten auf Glas, die mit dem plasma-gespritzten Rohrtarget mit unterschiedlichen Carrier- Geschwindigkeiten hergestellt wurden. Um Optimierungsschritte der AZO-Schicht und des gesamten Schichtsystems am ISFH durchführen zu können, ist es wichtig, dass die Ergebnisse mit denen bei der Fa. Euroglas vergleichbar sind. Dies ermöglicht es, dass die Ergebnisse, die am ISFH erreicht werden, schnell auf die Produktionsanlage bei der Fa. Euroglas übertragen werden können. Daher ist in Abbildung 2-21 ein Vergleich der solaren Transmission und des Schichtwiderstands von Schichten dargestellt, die am ISFH und bei der Fa. Euroglas jeweils mit plasma-gespritzten Rohrtargets mit unterschiedlichen Schichtdicken hergestellt wurden. Für den getesteten Schichtdickenbereich ist eine deutlich bessere Übereinstimmung der Ergebnisse zwischen der ISFH Inline- Anlage und der Euroglas Produktionsanlage sowohl in der solaren Transmission als auch bei den Schichtwiderständen zu erkennen, als es noch bei dem Vergleich mit der ISFH Laboranlage der Fall war (vergleiche Abbildung 2-14).

42 Abschlussbericht HFK Low-e 30 (a) (b) Abbildung 2-21: (a) Solare Transmission und (b) Schichtwiderstandswerte von AZO- Einzelschichten auf Glas, die mit unterschiedlicher Schichtdicke am ISFH mit der Inline- Anlage und bei Euroglas hergestellt wurden Glasvorpannprozess am ISFH In diesem Projekt wurde eine Labor-Glasvorspannanlage vom Institut für Thermoprozesstechnik für das ISFH entwickelt und am ISFH in Betrieb genommen (siehe Abbildung 2-22). Diese soll dazu dienen, die am ISFH hergestellten Schichten im Laborformat auf ihre Beständigkeit gegenüber einem ESG-Prozess zu überprüfen, der in ähnlicher Weise auch industriell durchgeführt wird. Ein Unterschied zu einer industriellen Glasvorspannanlage besteht in der Aufnahme und dem Transport der Proben. In Industrieanlagen werden üblicherweise große Scheiben (in diesem Projekt im Kollektorformat) auf Rollen oder einem Luftkissen durch einen Konvektionsofen transportiert. In der Labor-Glasvorspannanlage werden dagegen Scheiben mit einer maximalen Größe von 100 x 100 mm² in einen Probenhalter gespannt (siehe Abbildung 2-22 unten) und über eine Linearverfahreinheit in einen Kammerofen gefahren, wo sie mit einem Infrarot-Widerstandsheizmodul auf bis zu 700 C für wenige Minuten aufgeheizt werden. Danach werden die Proben aus dem Kammerofen gefahren und über Kühldüsen mit Druckluft (0 130 m/s) schockartig abgekühlt. Der Düsenkastendruck ist dabei zwischen 0 und 10 kpa regelbar. Die Labor- Glasvorspannanlage besitzt dafür einen 600 l Druckluftvorratstank.

43 Abschlussbericht HFK Low-e 31 Druckluftdüsen Probenhalter Probenhalter Abbildung 2-22: Foto und Schemazeichnung von der Labor-Glasvorspannanlage (oben) sowie Fotos von dem Probenhalter und den Druckluftdüsen (unten). Abbildung 2-23: Bruchversuch mit einem Hammer bei einer beschichteten Glasprobe nach dem ESG-Prozess in der Labor-Glasvorspannanlage. Der ESG-Prozess wurde für Proben mit unterschiedlicher Glasstärke eingefahren und mit anschließenden Bruchversuchen überprüft. Die Abbildung 2-23 zeigt eine

44 Abschlussbericht HFK Low-e 32 beschichtete Scheibe, die nach dem ESG-Prozess mit einem Hammer zerbrochen wurde. Das Bruchbild ist typisch für eine ESG-Scheibe. Vergleich der ESG-Prozesse am ISFH und bei Euroglas In Abbildung 2-24 sind die Transmissions- und Reflexionsspektren von einem AZO- Schichtsystem von der Fa. Euroglas vor und nach dem ESG-Prozess in der Labor- Glasvorspannanlage am ISFH dargestellt. Vor dem ESG-Prozess ist die solare Transmission sehr gering, da die AZO-Schichten und zum Teil auch die Schutzschichten unterstöchiometrisch sind und daher eine hohe Absorption aufweisen. Es ist zu erkennen, dass sich durch den ESG-Prozess sowohl die Transmission im solaren Spektralbereich als auch die IR-Reflexion deutlich gesteigert haben. Die Steigerung der Transmission und der IR-Reflexion können durch eine Umkristallisation der AZO-Schicht während des ESG-Prozesses (REM Aufnahmen nicht gezeigt) und damit verbunden, einem Ausheilen von Defekten sowie einer Sauerstoffdiffusion durch die Schutzschichten in die AZO-Schicht erklärt werden. Die Sauerstoffdiffusion ändert dabei sowohl die Stöchiometrie der Schutzschichten als auch die Stöchiometrie der AZO-Schicht, so dass weniger Absorption auftritt (siehe Abschnitt 2.3.2). Abbildung 2-24: Transmissions- und Reflexionsspektren von dem AZO-Schichtsystem der Fa. Euroglas vor und nach dem ESG-Prozess, der in der Labor-Glasvorspannanlage am ISFH durchgeführt wurde. Weiterhin ist anzumerken, dass die integralen optischen Werte in Tabelle 2-4 von zwei Proben mit gleichem AZO-Schichtsystem, die einerseits am ISFH in der Labor- Glasvorspannanlage und andererseits bei der Fa. Euroglas thermisch vorgespannt wurden, vergleichbare Ergebnisse aufweisen. Daher lassen sich Ergebnisse, die am ISFH in der Labor-Glasvorspannanlage erzielt werden, direkt mit der ESG-Anlage bei der Fa. Euroglas vergleichen.

45 Abschlussbericht HFK Low-e 33 Tabelle 2-4: Vergleich der optischen Kennwerte für zwei Proben mit dem AZO- Schichtsystem der Fa. Euroglas vor und nach dem ESG-Prozess, bei der eine Probe in der Labor-Glasvorspannanlage am ISFH und die andere Probe bei der Fa. Euroglas thermisch vorgespannt wurden. ISFH ESG-Prozess solare Transmission solare Reflexion IR-Emissivität vorher 76,1% 7,4% 34,1% nachher 82,0% 10,9% 24,5% Euroglas ESG-Prozess solare Transmission solare Reflexion IR-Emissivität nachher 82,3% 10,3% 24,0% 2.3 Entwicklung ESG-fähiger AZO-Schichtsysteme Ein wesentliches Projektziel war die Entwicklung eines AZO-Schichtsystems, welches sich auf ungeheiztem Substrat herstellen lässt und einem ESG-Prozess standhält, so dass die Produktion auf Bandmaß möglich ist und der ESG-Prozess erst nach der Beschichtung und dem Zuschnitt auf Kollektorformat erfolgen kann. Hierfür wurden zunächst verschiedene Schichtaufbauten bei der Fa. Euroglas unter industriellen Bedingungen getestet, bei denen die Materialien und die Anzahl der Schutzschichten variiert wurden. In einem weiteren Schritt sollte eine Optimierung der Schutzschichten durch Experimente und Simulationen am ISFH erfolgen, bei denen die Stöchiometrie der Schichten variiert werden sollte AZO-Schichtsysteme bei Euroglas Aus Voruntersuchungen ist bekannt, dass die AZO-basierten Schichtaufbauten, die auf ungeheizten Substraten abgeschieden wurden, nicht härtbar sind. Der wesentliche Unterschied der AZO-Schichten im Vergleich zu den ITO-Schichten ist die geringe chemische und mechanische Beständigkeit. Wenn im ITO-Schichtsystem die ITO- Schicht einfach durch die AZO-Schicht ersetzt wird, ist zu sehen, dass das AZO- System nicht härtbar ist, d.h. die Schicht verliert die elektrische Leitfähigkeit und visuell sind Flecken auf der Schicht zu erkennen. Deshalb wurde das Schichtsystem verändert, um ein nachträgliches Härten der Schicht im ESG-Prozess zu gewährleisten, ohne dass eine Degradierung der Schicht auftritt. Der Grundgedanke bei der Entwicklung des neuen Schichtsystems basiert auf dem allgemeinen Schichtaufbau von Low-e Schichtsystemen, die im Bereich der Architekturverglasung genutzt wer-

46 Abschlussbericht HFK Low-e 34 den. Diese Schichtsysteme basieren überwiegend auf Silberschichten als Funktionsschicht, wobei die restlichen Schichten der Verbesserung der Hafteigenschaften und der chemischen und mechanischen Beständigkeit der Funktionsschicht dienen. Zusätzlich sind die Schichten so ausgewählt, dass bestimmte optische Eigenschaften und lichttechnische Werte erreicht werden. Des Weiteren werden einige Schichten leicht absorbierend bzw. unterstöchiometrisch abgeschieden. Sie bewirken, dass Reaktivgase wie z.b. Sauerstoff bereits in dieser Schicht absorbiert bzw. blockiert werden, bevor sie zu der Funktionsschicht gelangen. In diesem Schichtsystem wird Ag durch AZO ersetzt. Bei allen Versuchen wurden Rohrtargets sowohl im MF- als auch im DC-Prozess betrieben. Die maximale Targetleistung bei den AZO-Targets betrug 80 kw bei einer Glastransportgeschwindigkeit von 0,8 m/min. Versuche zum AZO-Schichtsystem Die optischen und elektrischen Eigenschaften des optimierten AZO-Schichtsystems vor und nach dem Härtungsprozess sind in Tabelle 2-5 zusammengefasst. Tabelle 2-5: Optische und elektrische Eigenschaften des AZO-Schichtsystems vor und nach dem ESG-Prozess. spez. ESG R Widerstand Emissivität T sol R sol T vis R vis µ cm % % % % % vor 43, ,5 73,4 7,2 79,83 6,5 nach 21,4 342, ,3 10,3 92,5 5,9 Der Emissionsgrad fällt nach dem Härten von ca. 36% auf 21 %, wobei die solare Transmission von 73% auf 82 % ansteigt. Im weiteren Verlauf wurde versucht, die Ergebnisse des Schichtsystems mit der Produktionsanlage zu reproduzieren (siehe Tabelle 2-5), um die ersten großflächigen Muster für die Kollektorfertigung herzustellen. Tabelle 2-6: Optische und elektrische Eigenschaften des reproduzierten AZO- Schichtsystems aus der Produktionsanlage. ESG R Tsol Rsol Tvis Rvis Ohm % % % % vor , ,9 nach ,7 84,6 15,1 Es sind hier deutliche Unterschiede bei den Reflexionswerten, der Transmission im sichtbaren Bereich und der solaren Transmission zu erkennen, wobei die aktuelle

47 Abschlussbericht HFK Low-e 35 Schicht höhere Reflexions- bzw. niedrigere Transmissionswerte aufweist im Vergleich zu der früheren Schicht (siehe Tabelle 2-5). Weitere Versuche sind notwendig, um die Reproduzierbarkeit des AZO-Schichtsystems nachzuweisen. Trotz der Unterschiede in den lichttechnischen Werten wurden großflächige Muster hergestellt, die prinzipiell für eine Kollektorfertigung geeignet sind und zusätzlich die Untersuchung der Gebrauchstauglichkeit der Schichten auf Basis von AZO ermöglichen AZO-Schichtsysteme am ISFH Optimierung der Schutzschichten Für die Optimierung des AZO-Schichtsystems wurden die Stöchiometrien der Schutzschichten variiert, die an die AZO-Schicht angrenzen. Alle Schutzschichten wurden in einer Batch-Anlage (siehe Abbildung 2-25) mittels gepulstem DC- Magnetron-Sputtern im bipolaren Modus reaktiv von verschiedenen metallischen Planartargets, jeweils in Ring- und Scheibenform, hergestellt. Die Schutzschichten zwischen Glas und AZO wurden im Compound-Modus abgeschieden und die Stöchiometrie wurde durch Variation der Reaktivgasflüsse und deren Zusammensetzung variiert. Die von außen an die AZO-Schicht angrenzende Schutzschicht dient hier als Diffusionsbarriere für atmosphärischen Sauerstoff während dem anschließenden ESG-Prozess und ist daher unterstöchiometrisch abgeschieden. Es wurde ein Plasma-Emissions-Monitoring (PEM) System genutzt, um auch unterstöchiometrische Schichten im Übergangsbereich zwischen metallischem und Compound-Modus herzustellen. Für die Variation der Schutzschicht-Stöchiometrie wurden verschiedene PEM-Intensitäten getestet. Die weiteren äußeren Schutzschichten wurden stöchiometrisch im Compound-Modus abgeschieden. Die Schichtdicken der einzelnen Schutzschichten wurden nach der Vorgabe von Euroglas bei diesem Test konstant gehalten und nur die Stöchiometrie variiert. Abbildung 2-25: Batch-Anlage LS 900 S von Von Ardenne Anlagentechnik (links) und mit Blick auf die Targets (rechts). Die AZO-Schicht wurde in der Inline-Anlage mit dem plasma-gespritzten Rohrtarget hergestellt. Die Prozessparameter bei der AZO-Beschichtung wurden nicht variiert,

48 Abschlussbericht HFK Low-e 36 jedoch wurden zwei Probenserien hergestellt, bei denen während der AZO- Beschichtung entweder Sauerstoff zugegeben wurde oder nicht. Die Schichtdicke der AZO-Schicht ist hier deutlich kleiner als bei den Probenserien von Abschnitt 2.2.4, was den Vorteil hat, dass der Carrier mit einer größeren Geschwindigkeit durch die Anlage fahren kann. PEM Intensität (äußere Schicht) [%] PEM Intensität (äußere Schicht) [%] Reaktivgaszusammensetzung (innere Schicht) [%] PEM Intensität (äußere Schicht) [%] PEM Intensität (äußere Schicht) [%] Reaktivgaszusammensetzung (innere Schicht) [%] Reaktivgaszusammensetzung (innere Schicht) [%] Reaktivgaszusammensetzung (innere Schicht) [%] Abbildung 2-26: Solare Transmission (a und c) und IR-Emissivität (b und d) nach dem ES- Prozess als Funktion der Prozessparameter bei den reaktiven Sputterprozessen zur Abscheidung der beiden an die AZO-Schicht angrenzenden Schutzschichten. Die Abbildungen (c) und (d) beziehen sich auf AZO-Schichtsysteme, bei denen Sauerstoff während der AZO- Beschichtung zugegeben wurde. Die Abbildung 2-26 zeigt die solare Transmission und IR-Emissivität von AZO- Schichtsystemen nach dem ESG-Prozess als Funktion der Stöchiometrien der beiden an die AZO-Schicht angrenzenden Schutzschichten. Aufgetragen sind auf der x- Achse die Reaktivgaszusammensetzung der Schutzschicht, die sich zwischen dem Glas und der AZO-Schicht befindet, und auf der y-achse die PEM-Intensität bei der Abscheidung der von außen an die AZO-Schicht angrenzenden Schutzschicht. Die

49 Abschlussbericht HFK Low-e 37 Abbildungen 2-26 (a) und (b) beziehen sich auf die AZO-Schichtsysteme ohne Sauerstoffzugabe und die Abbildungen 2-26 (c) und (d) auf die AZO- Schichtsysteme mit Sauerstoffzugabe während der AZO-Beschichtung. Es ist zu erkennen, dass die Variation der Stöchiometrie der von außen an die AZO- Schicht angrenzenden Schutzschicht einen deutlich stärkeren Einfluss auf die optischen Eigenschaften hat im Vergleich zur Stöchiometrie der inneren Schutzschicht. Bei dem AZO-Schichtsystem ohne Sauerstoffzugabe ergeben sich Werte für die solare Transmission zwischen 65% und 82%, während die IR-Emissivität nur geringfügig zwischen 24% und 30% variiert. Es ist hier also möglich ein Schichtsystem mit 82% solarer Transmission und 26% IR-Emissivität zu erreichen. Bei dem AZO- Schichtsystem mit Sauerstoffzugabe ergibt sich für die solare Transmission eine deutlich größere Schwankung zwischen 69% und 85%, wobei auch die IR-Emissivität einen deutlich größeren Variationsbereich zwischen 25% und 40% aufweist im Vergleich zu den Schichtsystemen ohne Sauerstoffzugabe während der AZO- Beschichtung. Bei einer hohen solaren Transmission von 85% liegt hier die IR- Emissivität bei 40% und ist daher für die Kollektoranwendung zu hoch. Bei IR- Emissivitäten von 26% wird auch hier nur eine solare Transmission von 82% erreicht. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass die optischen Eigenschaften sehr empfindlich bezüglich Sauerstoff sind, der entweder schon während der Beschichtung in der AZO-Schicht eingebaut wird oder der während des ESG-Prozesses durch die Schutzschichten diffundiert und in der AZO-Schicht und den Schutzschichten eingebaut wird. Die Abbildungen 2-27 (a) und (b) zeigen exemplarisch die Transmissions- und Reflexionsspektren des AZO-Schichtsystems nach dem ESG-Prozess für die Variation der Stöchiometrie der inneren und der äußeren Schutzschicht. Es ist zu erkennen, dass die Transmission bei der Variation der äußeren Schutzschicht-Stöchiometrie stark davon abhängt, wie stark unterstöchiometrisch die äußere Schutzschicht ist, während die Spektren bei der Variation der Stöchiometrie der inneren Schutzschicht sich kaum unterscheiden.

50 Abschlussbericht HFK Low-e 38 (a) Reaktivgasverhältnis (b) PEM Intensität Abbildung 2-27: Transmissions- und Reflexionsspektren von AZO-Schichtsystemen mit variierender Stöchiometrie der (a) inneren und (b) äußeren Schutzschichten. Optische Modellierung Für die optische Charakterisierung des AZO-Schichtsystems wurden zunächst die Einzelschichten und dann das Schichtsystem sukzessiv aufbauend sowie das Gesamtsystem vor und nach dem ESG-Prozess mittels spektraler Ellipsometrie und Photometrie untersucht. Die dielektrischen Funktionen der Schutzschichten wurden mittels Pol Oszillatoren für die UV-Absorption und mittels Gauss Oszillatoren für die Absorption im IR-Bereich modelliert. Für die Modellierung der AZO-Schicht wurde ebenfalls das im HGlas Projekt entwickelte Modell eingesetzt (Ehrmann 2010). Die Abbildung 2-28 zeigt die gemessenen und modellierten Spektren des AZO- Schichtsystems vor und nach dem ESG-Prozess.

51 Abschlussbericht HFK Low-e 39 Abbildung 2-28: Gemessene und modellierte ellipsometrische ((a) und (b)) sowie (c) Transmissions- und (d) Reflexionsspektren des AZ- Schichtsystems vor und nach dem ESG-Prozess. Tabelle 2-7: Eigenschaften der freien Ladungsträger der AZO-Schicht vor und nach dem ESG-Prozess. ESG-Prozess Freie Ladungsträgerdichte Freie Ladungsträgermobilität Spezifischer Widerstand Optische Bandlücke [cm -3 ] [cm²/vs] [Ωcm] [ev] vorher 4, ,86 1, ,80 nachher 7, ,09 4, ,84

52 Abschlussbericht HFK Low-e 40 Vor dem ESG-Prozess weisen die AZO-Schichten eine kleinere Bandlücke und eine niedrigere Konzentration sowie eine geringere Mobilität der freien Ladungsträger auf (siehe Tabelle 2-7). Zusätzlich haben die Schichten eine hohe Absorption im solaren Spektralbereich. Dies kann durch ein hohes Sauerstoffdefizit bedingt sein. Ebenso ist die von außen angrenzende Schutzschicht unterstöchiometrisch. Durch den ESG-Prozess erfolgt sowohl eine Diffusion von Sauerstoff in das Schichtsystem sowie eine Umkristallisation der AZO-Schicht. Dies hat zur Folge, dass sich die Stöchiometrie der einzelnen Schichten sowie die Eigenschaften der freien Ladungsträger in der AZO-Schicht deutlich ändern. Die von außen an die AZO-Schicht angrenzende Schutzschicht reichert sich mit Sauerstoff während des ESG-Prozesses an, was durch eine Änderung der optischen Konstanten sichtbar wird (nicht dargestellt). Auch bei den anderen Schutzschichten ist eine Zunahme des Sauerstoffanteils festzustellen. Die Absorption in der AZO-Schicht nimmt ab, was ebenfalls auf den Einbau von Sauerstoff zurückzuführen ist. Durch die Umkristallisation und das Ausheilen von Defekten währen des ESG-Prozesses nimmt die Konzentration und die Mobilität der freien Ladungsträger zu und die optische Bandlücke wird größer, was auf die Steigerung der Ladungsträgerkonzentration zurückzuführen und in Tabelle 2-7 zu erkennen ist. Vergleich mit der Laboranlage am ISFH und mit Euroglas Nach dem ESG-Prozess sind die Eigenschaften der freien Ladungsträger und der Bandlücke vergleichbar mit denen von Proben, die während des HGlas Projektes mit dem statischen Prozess mit den Planartargets in der Laboranlage am ISFH gefertigt wurden, wie in Tabelle 2-8 zu sehen ist. Ebenso sind die optischen Konstanten sehr ähnlich (siehe Abbildung 2-29). Tabelle 2-8: Freie Ladungsträgereigenschaften einer AZO-Schicht aus der Laboranlage (wie hergestellt) und aus der Inline-Anlage am ISFH im Schichtsystem nach dem ESG-Prozess. Anlage Freie Ladungsträgerdichte Freie Ladungsträgermobilität Spezifischer Widerstand Optische Bandlücke [cm -3 ] [cm²/vs] [Ωcm] [ev] Laboranlage 7, ,08 4, ,01 Inline-Anlage 7, ,09 4, ,84

53 Abschlussbericht HFK Low-e 41 Abbildung 2-29: Optische Konstanten einer AZO-Schicht aus der Laboranlage (wie hergestellt) und aus der Inline-Anlage am ISFH im Schichtsystem nach dem ESG-Prozess. Die Abbildung 2-30 zeigt die Transmissions- und Reflexionsspektren von Proben vor und nach dem ESG-Prozess, die am ISFH und bei der Fa. Euroglas hergestellt wurden. Die Unterschiede in den Spektren sind durch kleine Unterschiede im Schichtaufbau begründet. In dem Schichtsystem von Euroglas ist die AZO-Schicht dicker und die von außen an die AZO-Schicht angrenzende Schutzschicht dünner. Hinzu kommt, dass die Stöchiometrien der Schutzschichten etwas verschieden sind. Trotz der unterschiedlichen Schichtaufbauten und Spektren sind die integralen optischen Werte vergleichbar (siehe Tabelle 2-9).

54 Abschlussbericht HFK Low-e 42 (a) (b) Abbildung 2-30: Transmissions- und Reflexionsspektren von den AZO-Schichtsystemen, welche am ISFH und bei Euroglas hergestellt wurden (a) vor und (b) nach dem ESG- Prozess. Die Unterschiede der Proben vom ISFH und von Euroglas resultieren durch unterschiedliche Schichtdicken und Stöchiometrien der Schutzschichten. Tabelle 2-9: Optische Kennwerte der AZO-Schichtsysteme nach dem ESG-Prozess, die bei Euroglas und am ISFH hergestellt wurden. solare Transmission solare Reflexion IR-Emissivität Euroglas 82,0% 10,9% 24,5% ISFH 81,5% 10,7% 26,3% Diese Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, AZO-Schichtsysteme in einem industrie-relevanten Prozess mit Rohrtargets auf ungeheizten Substraten herzustellen und deren Eigenschaften durch einen ESG-Prozess zu verbessern.

55 Abschlussbericht HFK Low-e 43 Weiterhin ist anzumerken, dass im solaren Spektralbereich noch deutliche Interferenzminima und -maxima zu erkennen sind. Durch eine Anpassung der Schichtdicken und Brechungsindizes kann eventuell die Reflexion im solaren Spektralbereich noch reduziert und damit die solare Transmission gesteigert werden. Zu beachten ist jedoch, dass bei einer Änderung der Schichtdicken oder der Stöchiometrie der Schutzschichten, die Sauerstoffdiffusion in das Schichtsystem während des ESG- Prozesses und damit auch die Eigenschaften der AZO-Schicht verändert werden. Daher ist eine reine Simulationsstudie allein nicht zielführend, sondern muss durch Experimente ergänzt werden. 2.4 Beständigkeitstests Beständigkeitstests von ITO-Schichtsystemen Das ITO-Schichtsystem ist bereits im Zuge der Markteinführung bei Euroglas intensiv bezüglich Witterungsbeständigkeit nach der Norm DIN EN (2001) (Probenklasse A) überprüft worden, da das Schichtsystem als Außenschicht bei einer Dreifachverglasung dienen soll. Die Norm wurde in allen Punkten bestanden. Bei der Anpassung des Schichtsystems für die Kollektoranwendung wurden die ITO- Schichtdicke und die Prozessbedingungen bei der ITO-Beschichtung variiert. An den Schutzschichten wurden keine Änderungen vorgenommen, so dass die Witterungsstabilität auch bei dem angepassten Produkt gewährleistet ist Beständigkeitstest von AZO-Schichtsystemen Die Beständigkeit der AZO-Schichten wurde ebenfalls nach der Norm DIN EN überprüft. Falls der Randverbund der Doppelverglasung während der Einsatzzeit des Kollektors undicht werden sollte, wäre die Low-e Beschichtung auch Feuchtigkeit sowie salz- oder säurehaltiger Atmosphäre ausgesetzt. Daher wurden die Beschichtungen nach den Anforderungen der Klasse A aus der Norm DIN EN getestet, die für Außenbeschichtungen gelten. Zu den Beständigkeitsuntersuchungen der Klasse A zählen ein Kondenswasser-, ein Salzsprüh-, ein Säure- sowie ein Abriebtest. In dem Kondenswasser-, Salzsprüh- und Säuretest wurden beschichtete und thermisch gehärtete Proben der Größe 150 x 100 x 3,2 mm³ überprüft. Bei jeweils der Hälfte der untersuchten Proben wurden die Glaskanten mit einem witterungsbeständigen Lack versiegelt. Vor und nach den Beständigkeitsuntersuchungen wurden die Transmissions- und Reflexionsspektren der Proben im Wellenlängenbereich von 0,25 bis 50 µm gemessen. Der solare Spektralbereich wurde mit einem Spektrometer mit Ulbrichtkugel gemessen. Aufgrund der Probengröße konnte der IR-Bereich mit dem FTIR-Spektrometer nicht mit Ulbrichtkugel gemessen werden. Anzumerken ist, dass der Messfehler für die IR-Messungen ohne Ulbrichtkugel deutlich größer im Vergleich zur Messung im solaren Spektralbereich mit Ulbrichtkugel war, da die Proben durch die thermische Härtung leicht gewölbt sind. Zusätzlich wurde eine Sicht-

56 Abschlussbericht HFK Low-e 44 prüfung bezüglich Schichtfehler und Kratzer durchgeführt. Ebenso wurden lichtmikroskopische Aufnahmen von der Schichtoberfläche gemacht. Kondenswassertest Für den Kondenswassertest wurde der Boden der Salzsprüh-Prüfkammer SC 450 (Weiss Umwelttechnik GmbH) mit demineralisiertem Wasser gefüllt (Füllhöhe: 10 mm) und die Temperatur der Bodenheizung derart geregelt, dass mit einem Thermoelement auf einer Referenzscheibe mit 6 mm Stärke in Probenhöhe eine Temperatur von 40 C erreicht wurde (entspricht 41 C Kammertemperatur) und sich auf den Oberflächen der beschichteten Proben Kondenswasser bildet. Die Proben wurden für 21 Tage ohne Unterbrechung der Kondenswasserbelastung ausgesetzt und anschließend mit optischen Messungen untersucht. Es wurden insgesamt acht Proben auf Kondenswasserbeständigkeit untersucht. Die Abbildung 2-31 zeigt die absoluten Abweichungen in Prozentpunkten nach dem Kondenswassertest bezüglich der solaren Transmission und Reflexion sowie der IR-Emissivität vor der Kondenswasserbelastung. Abbildung 2-31: Absolute Abweichung der Proben nach der Kondenswasserbelastung bzgl. der solaren Transmission, Reflexion und IR-Emissivität der Proben vor der Belastung.

57 Abschlussbericht HFK Low-e 45 Es ist zu erkennen, dass die solaren Werte sich nur minimal mit der Kondenswasserbelastung ändern und kein eindeutiger Trend erkennbar ist. Die gemessenen Änderungen sind kleiner, als die in der Norm angegebenen maximal erlaubten Änderungen. Dagegen ändert sich die IR-Emissivität mit bis zu 3 Prozentpunkten recht stark. Bei allen acht Proben ist durch die Belastung die IR-Emissivität größer geworden, da die IR-Reflexion gesunken ist. Vor Alterung Nach Kondenswasserbelastung Abbildung 2-32: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Beschichtung vor und nach der Kondenswasserbelastung. Die Abbildung 2-32 zeigt lichtmikroskopische Aufnahmen der Schichtoberfläche vor und nach der Kondenswasserbelastung. Die Feuchtigkeit scheint nur bei sogenannten Punktfehlern in den Deckschichten anzugreifen. Ob die Kanten der Proben isoliert waren oder nicht, hat keine Rolle gespielt. Auch bei Kratzern konnte keine gesteigerte Schichtkorrosion festgestellt werden. Bei der Sichtprüfung war die Korrosion an den Punktdefekten mit bloßem Auge jedoch zu erkennen. Salzsprühtest Der Salzsprühtest wurde in der Salzsprüh-Prüfkammer SC 450 (Weiss Umwelttechnik GmbH) für eine Gesamtdauer von 21 Tagen ohne Unterbrechung durchgeführt. Die Kammertemperatur wurde konstant auf 25 C geregelt. Für den Test wurde Neutral-Salzlösung mit einer Konzentration von 50 g/l in demineralisiertem Wasser verwendet, die mit einer Durchflussmenge von 750 cm³/h und einem Druck von 120 kpa mit ölfreier, befeuchteter Druckluft in der Kammer versprüht wird. Die Temperatur des Befeuchters wurde auf 40 C geregelt. Nach dem Test wurden die Proben mit demineralisiertem Wasser gespült und mit weichen, fusselfreien Tüchern abgewischt. Es wurden insgesamt acht Proben im Salzsprühtest auf Beständigkeit überprüft. Die Abbildung 2-33 zeigt die absolute Abweichung in Prozentpunkten nach dem Salzsprühtest bezüglich der solaren Transmission, Reflexion und IR-Emissivität vor der Belastung.

58 Abschlussbericht HFK Low-e 46 Abbildung 2-33: Absolute Abweichung der Proben nach dem Salzsprühtest bzgl. der solaren Transmission, Reflexion und IR-Emissivität der Proben vor der Belastung. Es ist kein Trend in den optischen Größen durch die Belastung in salzhaltiger Atmosphäre erkennbar, da sowohl positive als auch negative Abweichungen vorliegen. Die Kantenisolation hat keinen Einfluss auf die Schichteigenschaften während der Belastung. In Abbildung 2-34 sind lichtmikroskopische Aufnahmen der Schichtoberfläche vor und nach dem Salzsprühtest dargestellt. Es ist kein Unterschied zu erkennen.

59 Abschlussbericht HFK Low-e 47 Vor Alterung Nach Salzsprühtest Abbildung 2-34: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Beschichtung vor und nach dem Salzsprühtest. Säuretest Für den Säuretest wurde der Boden der Salzsprüh-Prüfkammer SC 450 (Weiss Umwelttechnik GmbH) mit 4 l verdünnter Schwefelsäure gefüllt, so dass die Füllhöhe ca. 15 mm betrug. Die verdünnte Schwefelsäure hatte eine Konzentration von 0,231ml/l konzentrierter Schwefelsäure in demineralisiertem Wasser, so dass ein PH Wert von 2 erreicht wurde. Der Säuretest ist zyklisch erfolgt, wobei fünf Zyklen von je 24 h getestet wurden. Während der ersten 8 h eines Zyklus wurde die Temperatur der Bodenheizung derart geregelt, dass mit einem Thermoelement auf einer Referenzscheibe mit 6 mm Stärke in Probenhöhe nach ca. 1,5 h eine Temperatur von 40 C erreicht wurde (entspricht 41 C Kammertemperatur) und sich auf den Oberflächen der beschichteten Proben saures Kondenswasser (PH 3 bis 5) bildet. Diese Temperatur wurde dann für 6.5 h konstant gehalten. Danach wurde die Bodenheizung ausgestellt, so dass sich die Proben innerhalb von ca.. 1,5 h auf Raumtemperatur abgekühlt haben. Durch ein Abzugsrohr wurde die Kammer belüftet. Nach Ablauf der 24 h wurden die Proben entnommen und die Proben sowie die Prüfkammer mit demineralisiertem Wasser gereinigt, bevor ein neuer Zyklus gestartet wurde. Im Gegensatz zu dem Kondenswasser- und Salzsprühtest wurden bei dem Säuretest nur vier Proben auf Säurebeständigkeit untersucht. Die Abbildung 2-35 zeigt die absoluten Abweichungen in Prozentpunkten nach dem Säuretest bezüglich der solaren Transmission und Reflexion sowie der IR-Emissivität vor der Säurebelastung.

60 Abschlussbericht HFK Low-e 48 Abbildung 2-35: Absolute Abweichung der Proben nach dem Säuretest bzgl. der solaren Transmission, Reflexion und IR-Emissivität der Proben vor der Belastung. Bei allen vier Proben hat sich die solare Transmission und Reflexion geringfügig erhöht. Dagegen hat sich die IR-Emissivität sogar verringert. Die Kantenisolation hat keinen Einfluss auf die Schichteigenschaften während der Belastung. In Abbildung 2-36 sind lichtmikroskopische Aufnahmen der Schichtoberfläche vor und nach dem Salzsprühtest dargestellt.

61 Abschlussbericht HFK Low-e 49 Vor Alterung Nach Säuretest Abbildung 2-36: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Beschichtung vor und nach dem Salzsprühtest. Ähnlich zu dem Kondenswassertest ist zu erkennen, dass eine geringfügige Korrosion von den Punktdefekten in den Schutzschichten ausgeht, die jedoch deutlich geringer im Vergleich zum Kondenswassertest ist. Bei der Sichtprüfung war mit bloßem Auge jedoch keine punktartige Korrosion zu erkennen. Abriebtest Der Abriebtest wurde im Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Bahnemann (Photokatalyse und Nanotechnologie) am Institut für technische Chemie der Leibniz Universität Hannover durchgeführt. Bei dem Test wurde ein rechteckiger Abriebfilz (4 x 2 x 1 cm³) mit einer Kraft von 6 N mit 500 Hüben über die beschichtete Probe gerieben. Ein Hub entspricht einer Hin- und Her-Bewegung mit einer Hublänge von ca. 10 cm und einer Frequenz von 40 Hüben je Minute. Vor und nach dem Abriebtest wurde die spektrale Transmission gemessen und die Änderung der solaren Transmission bestimmt (siehe Abbildung 2-37).

62 Abschlussbericht HFK Low-e 50 Abbildung 2-37: Absolute Abweichung der solaren Transmission der Proben nach dem Abriebtest bezüglich der Proben vor der Belastung. Es ist zu erkennen, dass bei den drei getesteten Proben eine minimale Erhöhung der solaren Transmission um maximal 1.3%-Punkte aufgetreten ist. Somit ist die Änderung deutlich kleiner im Vergleich zu der in der Norm angegeben kritischen Änderung von ± 5%. Visuell sind keine Abriebspuren zu erkennen. Die Abbildung 2-38 zeigt die Lichtmikroskopischen Aufnahmen vor und nach dem Abriebtest. Auch hier sind keine Abriebspuren erkennbar. Die vor dem Abriebtest bereits vorhandenen Punktdefekte sind unverändert. Vor Abriebtest Nach Abriebtest Abbildung 2-38: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Beschichtung vor und nach dem Abriebtest.

63 Abschlussbericht HFK Low-e 51 Abschließend kann zu den Beständigkeitstests gesagt werden, dass bei dem Kondenswasser- und Säuretest nur bei den Punktdefekten eine leichte und keine flächige Korrosion zu beobachten war. Der Salzsprühtest zeigte keine Degradation. Die Kantenisolation hatte keinen Einfluss auf das Alterungsverhalten, da an den Kanten keine Korrosion auftrat. Die gemessenen Abweichungen der solaren Größen von allen Proben liegen deutlich unter der in der Norm genannten maximalen absoluten Abweichung von ±3% vom Referenzwert und erfüllen damit die Norm. Die in der Norm genannte maximale absolute Abweichung für die IR-Emissivität ist +2%. Die hier gemessenen Abweichungen liegen zum Teil über diesem Wert. Jedoch ist der Messfehler für die IR-Messungen in der gleichen Größenordnung wie die bestimmten Abweichungen, da wie bereits erwähnt, die Messungen ohne Ulbrichtkugel bei nicht optimaler Probengeometrie durchgeführt werden mussten. Daher ist eine abschließende Aussage zu den optischen Daten nicht möglich. Dennoch kann gesagt werden, dass die Beständigkeitsuntersuchungen vielversprechend sind. Als kritisch sind Punktdefekte in den Schutzschichten einzustufen, die jedoch keinen großen Einfluss auf das flächige optische Verhalten der Schichten haben. 3 Leistungsfähigkeit des HFK 3.1 Stand des Wissens nach dem HGlas-Projekt In dem bereits im Jahr 2011 abgeschlossenen Grundlagenprojekt HGlas (Föste 2011) war ein Schwerpunkt, die erreichbare Leistungsfähigkeit des vorgestellten Kollektorkonzepts zu untersuchen. Da die hochtransmittierende Low-e Beschichtung im Rahmen des Grundlagenprojekts nur im Labormaßstab entwickelt wurde, mussten die zu erwartenden Kollektorwirkungsgradkennwerte zunächst theoretisch ermittelt werden. Dazu wurde ein Kollektormodell entwickelt, welches den Solarstrahlungs- und den Wärmetransport im Kollektor abbildet, um die erreichbaren Wirkungsgradparameter anhand von Konstruktionsparametern, Materialdaten sowie Umgebungsbedingungen zu bestimmen. Anhand von Labormessungen an einem Versuchskollektor mit kommerzieller Low-e Glasscheibe (Pilkington K Glass ) erfolgt eine Validierung, die die Eignung des Modells bestätigt. Ein darauf aufbauendes instationäres Modell, ebenfalls experimentell validiert, dient der Ermittlung der zu erwartenden Kollektorkapazität. Anhand von experimentellen Untersuchungen in speziellen variablen Versuchskollektoren wurden die optimalen Abstände als Funktion des Füllgases bestimmt und die Wärmegewinn- und -verlustmechanismen analysiert. Die sich ergebenden optimalen Scheibenabstände für Luft von ca. 10 mm und für Argon von ca. 8 mm bestätigen das für Kollektoren üblicherweise verwendete theoretische Modell (Hollands 1976). Anhand einer Bilanzierung der Wärmeströme im Kollektor wurden die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten in den beiden Zwischenräumen experimentell ermittelt und mit den theoretisch zu erwartenden Ergebnissen verglichen. Es zeigte sich, dass

64 Abschlussbericht HFK Low-e 52 das Modell nach Hollands vor allem den konvektiven Wärmetransport im Spalt zwischen Absorber und Verglasung um bis zu 32 % unterbewertet. Auch für den Scheibenzwischenraum wurde ein höherer Wärmeübergangskoeffizient als theoretisch erwartet ermittelt, der mit der Temperaturdifferenz zwischen den Glasscheiben ansteigt, und den theoretischen Wert um bis zu 15 % übersteigt. Die zu erwartende Leistungsfähigkeit des hocheffizienten Flachkollektors bei Verwendung des entwickelten Low-e Schichtsystems mit einer AZO-Funktionsschicht wird mit dem validierten stationären Kollektormodell ermittelt. Es wird gemäß EN ein Konversionsfaktor η0 von 0,78 erreicht, die Verlustkoeffizienten a1 und a2 betragen 2,02 W/(m²K) und 0,0088 W/(m²K²). Experimentelle Untersuchungen sowie Simulationen mit dem entwickelten instationären Kollektormodell haben gezeigt, dass die zu erwartende Kollektorkapazität eines Flachkollektors durch das Einbringen einer Wärmeschutzverglasung nicht deutlich beeinflusst wird. Anhand von Strahlungssprüngen wurde ermittelt, dass sich die Kollektorkapazität gegenüber einer Einfachverglasung um weniger als 10 % erhöht. 3.2 Kollektormodell und Validierung Das im Grundlagenprojekt HGlas entwickelte Kollektormodell (Föste 2011) wurde bisher nur anhand von Kollektormessungen mit einem kommerziell verfügbaren Lowe Glas (Pilkington K Glass ) erfolgreich auf seine Eignung hin getestet. Diese Glasscheiben weisen mit 71% eine deutlich geringere solare Transmission als die in Abschnitt 2 vorgestellten hochtransmittierenden AZO- und ITO- Gläser auf. Um die Eignung des Modells auch mit den optimierten Low-e Gläsern zu prüfen, werden Messungen mit verschiedenen Versuchskollektoren, in denen hochtransmittierende ITO-Beschichtungen eingesetzt werden, durchgeführt Kollektormodell Das im Grundlagenprojekt entwickelte Kollektormodell soll an dieser Stelle nur kurz vorgestellt werden. Für weitere Details zum Berechnungsablauf und zu den verwendeten Gleichungen wird auf (Föste 2011 und 2013) verwiesen. Den schematischen Aufbau des Modells zeigt Abbildung 3-1. Optische Eigenschaften der Kollektorkomponenten Optisches Modell Kollektorwirkungsgradkennlinie Thermische Eigenschaften, Geometrie der Kollektorkomponenten, Betriebs- und Umgebungsbedingungen α eff Thermisches Modell η 0, a 1, a 2 T F /E g Abbildung 3-1: Schematischer Aufbau der Kollektormodells.

65 Abschlussbericht HFK Low-e 53 Das Modell besteht aus zwei Teilen: Einem optischen Teil, in dem der Solarstrahlungs- und Wärmetransport im Kollektor inklusive Mehrfachreflexionen abgebildet wird. Hier werden die in den einzelnen optisch wirksamen Komponenten (Glasscheiben und Absorber) absorbierten Anteile der auftreffenden Solarstrahlung berechnet. Über diese in Wärmeströme umgewandelten Anteile der Solarstrahlung ist das optische Modell mit dem thermischen Modell verknüpft. Im thermischen Modell wird der Wärmetransport im Kollektor senkrecht zur Kollektorebene eindimensional abgebildet. Dazu werden die einzelnen Komponenten durch Temperaturknoten repräsentiert, die durch Wärmetransportwiderstände miteinander verknüpft sind. Die Berechnung der Knotenpunkttemperaturen und der zwischen den Knoten übertragenen Wärmeströme wird iterativ über die Bildung von Energiebilanzen berechnet. Die Abbruchbedingung für die Iteration ist das Erreichen eines stationären Zustands. Indem die Berechnung bei verschiedenen Fluideintrittstemperaturen durchgeführt wird, kann der Kollektorwirkungsgrad bei verschiedenen Werten für T/G ermittelt werden. Aus den einzelnen Wirkungsgradpunkten werden anschließend mit Hilfe einer quadratischen Regression die Kollektorwirkungsgradkoeffizienten η0, a1 und a2 bestimmt Vergleich Messung und Modell Einen Vergleich der gemessenen und simulierten Wirkungsgradkennlinien der beiden Kollektorkonfigurationen HFK 1 und HFK 3 zeigt Abbildung 3-2. Die beiden Konfigurationen verwenden eine ITO-Glasscheibe als transparente Abdeckung. Details zum Aufbau der Verglasung zeigt Abbildung 3-4. Durch die unterschiedlichen Rückseitendämmungen, wie in Abbildung 3-5 dargestellt, werden unterschiedliche Wärmeverlustkoeffizienten erreicht. Die Abweichung der gemessenen und simulierten Wirkungsgradkennlinien beträgt für beide Kollektoren im gesamten Messbereich weniger als 2%. Somit wird es möglich, das Modell für die Extrapolation der Ergebnisse im Rahmen von Simulationsstudien zu verwenden. 0.8 Hocheffizienter Flachkollektor (HFK) Kollektorwirkungsgrad HFK 1 Mess Sim 0 a 1 a 2 a 60 - Wm -2 K -1 Wm -2 K -2 Wm -2 K Mess E g = 950 W/m² HFK 3 Sim = T f /E g in Km²/W Abbildung 3-2: Vergleich von gemessenen und simulierten Wirkungsgradkennlinien mit zwei unterschiedlichen Konfigurationen des HFK.

66 Abschlussbericht HFK Low-e Einfluss der Rückseitendämmung Messungen an Kollektormustern Aufgrund der deutlich reduzierten Wärmeverluste über die transparente Abdeckung des HFK im Vergleich zu herkömmlichen Flachkollektoren erhalten die Wärmeverluste über die opake Rückseitendämmung einen größeren Einfluss auf die Kollektorleistungsfähigkeit, da ihr Anteil an den gesamten Wärmeverlusten des Kollektors zunimmt. Um den Einfluss unterschiedlicher Rückseitendämmungen, die sich hinsichtlich Ihrer Dicke und Wärmeleitfähigkeit unterscheiden, auf die Leistungsfähigkeit eines hocheffizienten Flachkollektors zu untersuchen wurden zunächst Leistungsmessungen an einem variablen Versuchskollektor durchgeführt. Das in der Bauhöhe veränderbare Gehäuse erlaubt es, verschiedene Dämmungen mit unterschiedlichen Dämmstärken einzusetzen, ohne dass die Abstände zwischen Absorber und Verglasung beeinflusst werden (vgl. Abbildung 3-3). Abbildung 3-3: Konstruktionsansichten des Versuchskollektors mit variabler Bauhöhe (links und mittig); Versuchskollektor während einer Leistungsmessung im ISFH Sonnensimulator (rechts). Der Kollektoraufbau mit einer Low-e Doppelverglasung ist in Abbildung 3-4 dargestellt. Antireflexbeschichtung Antireflexbeschichtung Low-e Beschichtung (ITO) Argon solar = 0.96, 1,2 = 0.83 solar = 0.86, 3 = 0.29 Luft Low-e Absorberbeschichtung abs solar = 0.94, abs = 0.06 Abbildung 3-4: Schematischer Aufbau des Musterkollektors.