Entwicklung transparenter Low-e-Schichten für Flachkollektoren

Im Hinblick auf zukünftige Anwendungsgebiete der Solarthermie, wie solares Heizen mit hohen Deckungsanteilen, solares Kühlen oder die Erzeugung industrieller Prozesswärme, arbeitet das ISFH daran, hocheffiziente Flachkollektoren (HFK) zu entwickeln, die hohe Wirkungsgrade bei Temperaturen über 100°C, sowie bei geringer solarer Einstrahlung liefern. Für diese Zielsetzung ist eine Verbesserung der Isolationswirkung der transparenten Abdeckung bei ausreichend hoher Transmission zwingend. Dazu wird eine Doppelverglasung wie schematisch in Abb. 46 gezeigt eingesetzt, bei der der Austausch von Wärmestrahlung durch Verwendung einer wenig emittierenden, so genannten Low-e-Schicht auf der inneren Scheibe reduziert wird.

Wärmeschutzverglasungen im Gebäudebereich funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Deren Beschichtung besteht üblicherweise aus einem Schichtstapel, der eine wenig emittierende, ca. 12 nm dicke Silberschicht enthält. Im Gegensatz zu Wärmeschutzverglasungen wird dagegen bei der Anwendung in einem Flachkollektor eine deutlich höhere solare Transmission benötigt. So kommen absorptionsarme Gläser mit niedrigem Eisenanteil zum Einsatz, deren Low-e-Schicht für die solarthermische Anwendung optimiert wird. Für die Anwendung im Flachkollektor eignen sich insbesondere transparent leitfähige Oxide (Transparent Conducting Oxide, TCOs) als Low-e-Schicht, die durch ihre Selektivität eine hohe solare Transmission bei gleichzeitig niedriger Emissivität im Wärmestrahlungsbereich aufweisen. Die Emissivität der TCOs kann dabei durch eine n-Dotierung gesteuert werden, wobei die Wahl des Dotierstoffs von dem verwendeten TCO-Material abhängt. Durch zusätzliche Antireflex-(AR) Beschichtungen werden die solare Transmission gesteigert und solare Reflexionsverluste minimiert, wie es in Abb. 47 dargestellt ist.

Da Gläser, die sich für die Anwendung im Flachkollektor eignen würden, bisher kommerziell nicht erhältlich sind, entwickeln wir im Projekt HGlas¹² ein geeignetes Low-e-Schichtsystem. Unsere Schichten werden mittels reaktiver und nicht reaktiver Kathodenzerstäubung (Sputtern) auf Flächen hergestellt, die im Labor handhabbar sind. Die Kathodenzerstäubung ist jedoch ein industriell einsetzbarer Prozess, der auch auf große Flächen skaliert werden kann. Die optischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten wurden am ISFH sowohl messtechnisch, als auch mittels Simulationen untersucht. Abbildung 48 zeigt die Rasterelektronenmikroskop (REM)-Aufnahme eines am ISFH hergestellten Dreifach-Schichtsystems. Die mittlere Schicht ist die Low-e-Schicht. Die untere Schicht und die Deckschicht bestehen aus dielektrischen Materialien mit mittlerem und niedrigem Brechungsindex und wirken als AR-Schichten. Die Deckschicht erfüllt zusätzlich die Aufgabe einer Schutzschicht in Bezug auf den umgebenden Sauerstoff und Feuchtigkeit.

Für erste Prototyp-Kollektoren wurde ein handelsübliches Low-e-Glas (K-Glass^TM, Pilkington) eingesetzt, das eine verbesserte Wärmeisolierung erreicht. Wegen des hohen Eisengehaltes und der fehlenden AR-Schichten ist dieses K-Glass^TM jedoch für Kollektoren nicht geeignet. Die solare Transparenz liegt bei 71% und ist für unsere Anwendung zu gering. Abbildung 49 zeigt die Transmissions- und Reflexionsspektren des am ISFH hergestellten Dreifach-Schichtsystems im Vergleich zum K-Glass^TM. Die solare Transmission ist durch die Verwendung von AR-Schichten bei dem vorgestellten Schichtsystem mit 85% deutlich höher. Die Reflektivität im thermischen Wellenlängenbereich (λ > 2500 nm) ist jedoch niedriger und damit die Emissivität höher im Vergleich zum K-Glass^TM (Abb. 49). Wie Simulationsrechnungen ergeben haben, können die Eigenschaften im Infrarot-Bereich durch eine gezielte Optimierung der Low-e-Schicht hinsichtlich einer Variation der Dotierung mit Aluminium noch verbessert werden.

In Abbildung 50 sind simulierte Wirkungsgradkurven von Flachkollektoren mit zwei beidseitig AR-beschichteten Gläsern ohne Low-e-Schicht, sowie Doppelverglasungen dargestellt, bei denen einmal K-Glass^TM und einmal das Dreifach-Schichtsystem für die innere Scheibe eingesetzt wurde. Durch die Verwendung einer Low-e-Schicht kann der Wirkungsgrad für hohe Temperaturen (∆T > 80°C) deutlich gesteigert werden. Die simulierte Wirkungsgradkurve des Kollektors mit dem aktuell entwickelten Dreifach-Schichtsystem liegt trotz hoher Emissivität der Low-e-Schicht im Vergleich zum K-Glass^TM insgesamt höher und weist einen deutlich höheren Konversionsfaktor von η₀ = 0,77 auf. Für hohe Temperaturen nähert sich die Kurve des Dreifach-Schichtsystems der Kurve des K-Glass^TM an. Durch Optimierung der Emissivität könnte sogar dieser Bereich der Wirkungsgradkurve angehoben werden.

Durch die Verbesserung der Isolationswirkung der Verglasung sind deutlich höhere Temperaturen im Kollektor und in der Verglasung erreichbar. Der Wirkungsgrad ist somit für hohe Temperaturen im Vergleich zu einem Flachkollektor ohne Low-e-Scheibe steigerungsfähig. Die optischen Verluste, die durch den Einsatz einer Low-e-Scheibe entstehen, werden durch Verwendung von absorptionsarmen Glas mit niedrigem Eisenanteil und AR-Schichten deutlich reduziert.